基于PLC的混砂车自动控制系统研究

邱宗斌，李启新，武志学（川庆钻探工程公司　长庆井下技术作业公司，西安710018）

基于PLC的混砂车自动控制系统研究

邱宗斌，李启新，武志学
（川庆钻探工程公司长庆井下技术作业公司，西安710018）

混砂车是压裂作业的关键设备之一，自动化控制是混砂车的一个重要发展方向。分析了混砂车自动控制系统的功能需求和性能要求，构建了系统的整体结构，并从采集模块硬件、PLC选型、PID控制、软件设计等方面对系统进行了设计。室内和现场应用试验结果表明：该系统精度高、运行稳定、操作简单，能够满足预期。

混砂车；PLC；自动控制系统；压裂；PID

水力压裂采用高压水力注入井下，使油气层形成裂缝，再加注一些压裂砂等支撑剂支持裂缝，从而实现油气田增产的目的。压裂车组是压裂施工的主要设备，通常由压裂泵车、混砂车、管汇车、仪表车等组成，随着低渗油气田、复杂油气田的开发需要，压裂车组朝着高压、大排量、大功率等方向发展［1-2］。其中，混砂车是整个压裂车组的核心设备之一，它为压裂作业提供稳定的支撑剂，其工作性能反映了整个压裂车组的技术水平［3-4］。然而，在压裂作业过程中，混砂车经常会出现混合液面高度不能精确控制从而造成抽空和漫罐、加砂过快、加砂不均匀、砂比高等问题，不能满足工艺需要，因此对混砂车的自动化控制提出了更高的要求。随着传感技术、自动控制等技术的发展，研制具有自动控制的混砂车对解决上述问题有重要意义。

1　混砂车自动控制系统总体设计

1.1系统功能

混砂车由传动、供液和输砂3部分组成，工作时由基液泵向混砂罐提供清水，砂泵提供干砂，液添泵提供胶联剂等，在混砂罐充分混合后，由输砂泵排出给压裂泵车的柱塞泵。自动控制系统要实现的功能主要有：

1）采集功能。对发动机转速、润滑油的油温油压，基液泵、搅龙、液添泵、输砂泵等流量，混合罐的液面高度，输砂泵密度等运行参数进行实时采集。

2）数据处理和运算功能。将采集到的各种运行数据传至PLC后，经运算处理后，将各种运算结果转化为控制信号传至控制器上，完成对混砂车各部件的控制，同时，再通过各种传感器对设备运行的实际参数与理论参数进行对比，不断地对结果进行修正。

3）执行功能。能够对发动机的启动、油门大小、停车，基液泵、搅龙、液添泵、输砂泵的流量，混砂罐液面高度，混合液密度等参数进行控制。

1.2系统的总体设计与要求

混砂车自动控制系统的拓扑结构如图1所示。通过各种传感器采集系统的各种运行参数，PLC对采集来的数据进行运算和处理，并将结果转化为控制信号传至执行元件，实现对基液泵、搅龙、液添泵、输砂泵以及混合罐液位的控制，并实时将检测到的液位高度、流量、密度等参数反馈至PLC，实际参数与理论参数进行对比分析，再对系统参数进行修正。

图1　混砂车自动控制系统拓扑结构框图

混砂车自动控制系统的性能要满足以下要求：

1）在线检测、反应及时准确，能够对混砂车各部件的状态进行在线检测，并根据施工需要及时、准确地修正参数。

2）系统运行可靠性高，要避免供电异常对系统的冲击，能够抗干扰。因压裂施工的环境较恶劣，控制系统需要耐高温和耐低温，具有一定的密封性。

3）人机交互。为方便现场人工操作，通过自动控制系统对任一台设备的运行参数进行收集和处理，对历史数据可以查询，还可以对设备进行手动控制和自动控制切换，通过设置最高流量和最大压力等参数，对设备进行保护。

2　系统设计与实现

2.1采集模块

系统的采集模块主要对各运行参数进行采集。发动机的转速采用HZ-860型磁电转速传感器，将发动机转动的角位移转换为PLC能够读取的电信号；混砂罐液位采用FMR250型雷达液位计来检测，通过发射一定频率的电磁脉冲，根据电磁脉冲返回的时间来确定液位高度，相比超声波液位计具有更好的抗干扰性能；温度采用热电偶进行检测；密度采用WS3051YMD型罐装智能在线密度计来检测，其具有量程宽、稳定性好、精度高等优点；流量采用LWGY型涡轮流量传感器测量，其具有较高的防腐蚀、抗电磁干扰和抗震动能力，根据基液泵、输砂泵等流量的特点，选用合适的型号；压力采用HM20型通用型压力变送器，其具有工作温度范围宽、测量精度高、稳定性好等优点。

2.2PLC选型

PLC控制器是自动控制系统中最核心的部分，承担着数据处理和逻辑运算功能［5］。混砂车的控制系统是压裂车组仪表车的从站，PLC选型时，要考虑与压裂车组中仪表车通信功能；需执行控制算法的程序运算；还需考虑和各传感器采集数据的输入功能，与执行元件相接的输出功能。PLC的选型包括：PLC型号的选择，按通信功能以及其他参数对CPU的选择，根据数据输入和输出等控制点数量确定I／O接口的种类和数量，根据系统功耗大小选择电源等。综合考虑性能与价值，选用西门子S7300 型PLC，其属于中档PLC，具有较强的数据处理能力；选用314C2DP型CPU；选用PS307型电源。

2.3PID控制

控制逻辑算法是PLC系统对被控制对象施加正确、有效的控制动作的关键。本系统采用PID控制逻辑，其内部结构如图2所示。PID控制逻辑中有比例、积分、微分3个控制子单元［6］。比例控制器适合输入、输出之间存在线性关系的情况，对待复杂的工业控制问题，往往会存在较大的稳态误差；积分控制器通过对误差进行累计，其输出时不仅考虑输入条件，还将一定时间内积累的误差考虑进去，从而消除一些误差，提高控制精度；由于误差测量与控制过程间一般存有一定的滞后性，由历史的误差去修正当前的控制过程，会造成控制过程振荡，微分控制器采用误差的变化率为控制条件，可以对误差进行预判，降低了因滞后性而导致的控制误差。

图2　PID控制模型

对于混砂罐液位控制，PLC将检测到的实际液位数据与按施工需要设定的数据做比较，通过PID计算得出要达到设定值需要的吸入流量，继而算出基液泵的开启度和转速，将信号传至基液泵驱动板来控制液位的高度。砂比的控制则是以左右搅龙的转速为过程变量，设定压裂液在不同阶段需要的质量浓度，再转化为搅龙转速值为设定值，通过PID控制，达到控制压裂液中砂比的目的。同样道理，以密度、转速、压力等为过程变量，控制液添质量浓度、输砂泵出口流量与压力等参数。

2.4软件设计

随着压裂施工自动化水平的提高，对混砂车自动控制系统的可靠性要求越来越高，本系统采用组态王软件来构建自动控制系统的软件平台，其具有功能强大、安全可靠等优势，能够实现对混砂车系统的全面监控。基于PLC的自动控制系统的实质为一个闭环采样控制系统，通过采集各种运行参数，各控制模块再利用各自PID运算，计算出相应的控制量并传输至执行元件。

PID控制参数对整个系统的控制精度影响较大，比例、积分和微分等3个控制器之间既相互联系又相互制约。PID的传递函数为

Gc=Kp（1+1／T1s+TDs）

式中：Kp为比例系数，T1s为积分时间常数，TDs为微分时间常数。

为提高系统的控制精度和灵活性，在通过PLC编程调用组态王软件PID标准控制模块，且在系统实际过程中，根据各参数对系统性能的影响，对Kp、T1s、TD等参数进行试凑性调整，直至达到系统精度要求。

3　应用测试

采用室内和现场应用的方式对自动控制系统的性能与精度进行了测试，结果表明，该系统运行平稳、安全可靠、反应迅速、精度高，能够保持混砂车的运行需求，且可以进行手动控制和自动控制切换，结构简单、操作方便，大大降低了人工劳动强度。以基液泵流量室内测试数据为例，控制系统能较快地控制流量平稳，如图3所示。

图3　基液泵流量室内测试曲线

4　结论

混砂车是压裂作业中的关键设备，混砂车自动控制系统需要具有采集功能、运算功能和控制功能。设计并实现了基于PLD的混砂车自动控制系统，对其硬件、PLC选型、PID控制和软件设计等方面进行了分析。经室内和现场应用试验验证，该系统能够满足设计和混砂车作业需求。

［1］王立兵，刘庆丰.我国压裂车组的研发现状及发展趋势［J］.中国仪器仪表，2013（9）：30-33.

［2］高建英.超低渗透油藏水平井数值模拟研究［J］.河南科学，2014（3）：413-416.

［3］顾芳.自动混砂车及其混合装置自动控制系统研究［D］.长春：吉林大学，2014.

［4］范新强，楼国祥，郑穗嫔，等.基于PLC控制混砂车液位自动控制系统研究［J］.石油矿场机械，2011，40（3）：88-89.

［5］陈永军，贾甜.基于PLC混砂车控制系统在页岩气压裂机组中应用［J］.仪器仪表与分析监测，2015（1）：23-26.

［6］赵凤姣，厉虹.PID控制器改进方法研究［J］.控制工程，2015（3）：425-431.

Research on the Automatic Control System of Blender Based on PLC

QIU Zongbin，LI Qixin，WU Zhixue
（Changqing Downhole Technical Service Company，CCDC，Xi’an 710018，China）

The blender is one of the key equipments of fracturing operation，and automatic control is an important development direction of the blender.The blender automatic control system func-tional requirements and performance requirements are analyzed，so the overall structure of the system is constructed，and design and implementation of the system from the aspects of the acqui-sition module hardware，the selection of PLC，PID control，software design，etc.Lab test and field application results show that the system is high precision，stable operation，simple operation，can meet the expected design.

blender vehicle；PLC；automatic control system；fracturing；PID

TE934.2

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.12.019

1001-3482（2015）12-0074-03

2015-07-08

邱宗斌（1975-），男，甘肃泾川人，工程师，主要从事油田工程服务、试油压裂作业工作。