石化专用智能化车载压裂液混配设备控制系统研究与应用

刘光明，何义文

（1.兰州资源环境职业技术大学黄河流域生态环境产教融合研究院，兰州 730021；2.兰州矿场机械有限公司，兰州 730070）

压裂液混配设备是用于混合并加压输送压裂液的设备，广泛应用于页岩气、煤层气等资源的开发利用过程中。压裂液混配设备能够对多种不同的化学品进行混合，并且能够按照特定的比例和流量进行控制，从而形成特定的压裂液配方。混合过程中需要控制混合的时间、流量和混合比例等参数，以确保混合的质量和效果。根据压裂液混配设备的结构和功能特点，可以将其分为预混式压裂液混配设备和动态混合式压裂液混配设备。

1 智能化车载压裂液混配设备设计

智能化车载压裂液混配设备（以下简称“混配车”）要求实现精准、高效、可靠的液体配制，满足不同压裂作业的需要，同时也要考虑减少人工操作，提高生产效率，降低成本。设计混配车需要在自动配液控制系统、电液控制系统、传感器和机械结构等方面进行优化和创新，实现高效、可靠、精准的压裂液混配，而智能化控制系统则是该套设备的智慧大脑和控制中枢。混配车设计上具备以下特点。

自动配液控制系统能够控制各种液体组分的配比，实现化学计量配制，减少人工失误，提高配比精度和效率。电液控制系统可根据作业需求，控制各类混合和输送设备的运行，实现自动化操作，降低人工成本，提高生产效率。传感器采用高精度、稳定的元器件，监测液体压力、温度、浓度等参数，保证液体配制的质量和稳定性，防止过程中出现故障。采用先进的机械结构设计，保证设备的稳定性和可靠性，降低设备维修和更换成本，同时也要方便清洗和维护。

2 混配车自动配液控制系统

2.1 基本原理和功能

混配车自动控制系统由工控机、RC 控制器、显示仪表组成，作业时通过操作安装在控制面板上的显示屏，按照施工作业方案输入自动控制指令或在监控计算机软件系统中预制自动控制程序后，混配车能够按照指令实现干粉配比、初始清水流量、排出流量、液位和液添比例的自动控制，以及相应的施工参数显示。同时，控制系统具备在施工中遇突发情况时操作人员能及时中断自动控制并切换为手动控制功能，手动控制方式能满足实现混配车全部控制功能。

混配车自动配液控制系统能够实现手动/自动控制，手动电气控制系统是依靠操作面板上安装的手动电气开关和控制旋扭来操作各液压和气动执行元件，实现各部件动作，以满足作业要求。通过自动/手动开关链接可分别实现吸入泵、排出泵、送料马达、吸入泵蝶阀、喷射泵和液添泵的自动控制。

2.2 控制系统组成和参数设计

混配车自动配液控制系统主要由液位控制系统、吸入控制系统和排出泵控制系统、干粉控制系统、液体添加剂控制系统和计量系统组成，为了实现自动配液控制系统的参数设计与优化，首先要分析关键参数，包括液位控制、流量控制和配比控制等方面，然后根据系统的技术要求，对关键参数进行详细分析和设计，此外，根据实际应用需求进行优化调整。最后，对参数设计和优化的方案进行详细测试，确保系统参数设计和优化能够有效控制配液过程。

2.3 控制算法设计

设计适合自动配液控制系统的控制算法，包括模糊控制、PID 控制和神经网络控制等方面。

模糊控制是一种基于模糊数学理论的控制方法，其将模糊逻辑运算引入到控制系统中，将模糊量作为控制变量，并通过一定的规则来实现控制。在自动配液控制系统中，如果知道输入的液体体积和浓度范围，可以利用模糊控制器来实现自动调节。例如，可以根据输入体积和浓度的大小，优化控制阈值，以达到更好的控制效果。

PID 控制是一种常用的控制算法，在自动配液控制系统中也可以应用。PID 控制器由3 个部分组成：比例部分、积分部分和微分部分。其利用传感器测量的反馈信号和设定值之间的差异，通过不断调整控制器的输出来达到最佳控制效果。例如，通过控制加液泵的转速或阀门的开度，可以实现自动配液控制。

神经网络控制是一种利用计算机模拟人脑神经系统实现控制的方法。在自动配液控制系统中，可以通过神经网络学习液体的配方和配液过程，从而实现自动调节。例如，可以通过神经网络对已知的液体配比进行学习，从而在以后的配液过程中自动调整并控制液体的配比。

以上3 种控制算法都可以应用于自动配液控制系统，可以根据具体的情况进行选择和优化。

2.4 系统仿真和实现

实现自动配液控制系统，并进行仿真和测试，分析控制效果和系统响应速度等因素，需先根据配液控制的需求，设计出系统的硬件结构和软件控制算法，并选择合适的控制器和执行器，包括选择合适的传感器、执行器、控制器及系统的物理结构，再根据设计的控制算法编写控制程序，包括传感器采集、数据处理、控制逻辑和执行器控制等部分，对编写的控制程序进行仿真和测试，包括检验控制效果、响应速度、系统稳定性和安全性等方面，根据测试结果，对控制程序进行修正和优化，以获得更好的控制效果和响应速度，将优化后的控制程序部署到实际应用中，实现自动配液控制。在实际操作中，还需要考虑系统的安全性问题，如保证配液的精确度和安全性，以及防止因控制程序错误而导致的危险。因此，在系统实现和仿真过程中，需要进行多次测试和优化，以确保系统的稳定和可靠性。

本文研究的对象（混配车）的系统传感器，由1 个用于采集混合罐实际液位的液位计，1 套用于采集干粉罐内干粉重量胍胶粉的称重系统，1 个用于采集吸入口实际流量的8 吋涡轮式流量计，1 个用于采集排出口实际流量的8 吋涡轮式流量计，4 个用于采集4个液添的实际流量，输入脉冲信号的液添泵转速传感器；2 个用于采集干粉的下粉速率，输入脉冲信号的喂料马达转速传感器；2 个用于采集干粉罐内的干粉的下限位，检测粉管份量的料位开关；1 个吸入泵蝶阀位置反馈信号，2 个测量吸入管路压力的吸入泵压力传感器，1 个测量喷射管路压力的喷射泵压力传感器，1个测量排出管路压力的排出泵压力传感器组成，所有信号输入到上位机西门子PLC 中。液位控制系统由吸入流量计、排出流量计、液位计、上位机、RC 控制器、吸入泵蝶阀、吸入泵和排出泵等组成，自动工作时，通过混液罐液位计将实时检测到的液面信号反馈给上位机，上位机将该数据与作业设定数据进行比较，输出控制信号给RC 控制器，控制排出泵、吸入泵的电比例阀，从而调节吸入泵和排出泵转速，维持液面高度的稳定，实现液面自动控制，程序中设置液位高低限位报警值，确保不会吸空和漫罐。吸入控制系统由吸入流量计、液位计、上位机、RC 控制器、吸入泵压力传感器、吸入泵蝶阀和吸入泵组成。自动工作时，该系统主要通过上位机比较混合罐液位，吸入流量计信号，输出控制信号给RC 控制器实时调节吸入泵转速，保证吸入流量达到设定值。吸入泵压力控制由RC 控制器完成，能够随时调整吸入泵的转速，确保吸入泵压力值在设定范围内（1.6～1.8 kg）；上位机检测吸入泵压力值，也可在屏幕上设置吸水泵压力值（1.6～1.8 kg），RC 控制器接收上位机设定信号确保吸入泵压力值在设定范围内（1.6～1.8 kg）。排出泵控制系统由液位计、上位机、RC控制器、排出泵组成。通过实时检测到的液面信号及排出流量计信号反馈给上位机，上位机输出控制信号给RC 控制器，实时调节排出泵转速，保证排出流量达到设定值，且不会抽空和漫罐。干粉控制系统由吸入流量计、电子秤、上位机、RC 控制器、吸入泵蝶阀和喂料马达等组成。该系统主要通过电子秤失重和清水吸入量的比值计算干粉实时配比，并通过计算，实时调节喂料马达的转速、吸入蝶阀位置，调节下粉量和进水量，系统可实现连续混配车下粉过程的自动控制，一旦将干粉配比输入上位机，在工作期间不用操作人员协助，无论作业过程中液体流速如何变化，程序会自动调节喂料机转速，实现干粉精确控制。液体添加剂控制系统由排出流量计、液添泵转速传感器、上位机、RC 控制器和液添泵组成。工作时，无论排量如何变化，上位机通过RC 控制器均可按照设定配比控制添加剂泵转速从而实现添加剂过程的自动控制。系统可对4 台添加剂泵单独设置工作。

3 混配车电液控制系统

3.1 基本原理和系统组成

混配车整个传动系统采用全液压控制驱动方式，动力由车台发动机提供。液压系统采用Bosch-Rexroth公司的液压元件，由静压式回路、开式回路辅助系统、控制系统、管路系统和油箱总成等组成。静压闭式系统，即回路中由一个变量泵直接驱动一个定量马达的传动，其调速方式采用电比例控制，通过控制电位计可将轴向柱塞泵的排量精确地调定所希望的输出值，从而精确地控制定量马达的转速。在整个控制范围内均为无级调节液压执行元件的工作速度。可实现对清水吸入泵、排出泵及液添马达的无级调速。辅助系统采用开式回路，目的为减轻混配车车载重量和台上空间不足，液压油箱不宜过大；必须对液压系统产生的热能实行强制水冷和风扇冷却措施。液压系统采取有效措施保持油液的清洁，控制污染度；根据系统和元件不同要求的过滤精度，设置相应等级过滤器，并装有差压发讯器及旁通阀，当滤芯堵塞时，便发出开关信号，提示更换滤芯，确保液压系统工作正常、可靠、故障少和寿命长。

3.2 参数设计

电液控制系统参数设计主要是通过分析系统的关键参数，进行参数设计和优化，包括液压元器件的选择和优化、系统压力和流量的控制等方面。液压元器件包括液压泵、液压阀、液压缸等，在实际设计中选择合适的液压元器件，以满足系统的工作要求，同时需要优化液压元器件的布局和参数，以提高系统的效率和稳定性。系统的压力和流量是影响系统性能的关键参数，在设计中根据工作要求和液压元器件的特点，确定合适的压力和流量范围，并采用合适的控制策略进行控制。控制阀是电液控制系统中的关键元器件，其响应速度和精度会直接影响系统的性能和精度，在设计中选择合适的控制阀，并优化控制策略，以提高系统的响应速度和精度。除外，还要考虑工作环境的因素，如温度、湿度、气压等，以确保系统的稳定性和可靠性。

3.3 控制算法设计

电液控制系统一般采用开环控制和闭环控制2 种方式。开环控制是指在控制系统中，控制信号不受反馈信号的影响，直接输出控制信号给执行机构，通过实验或理论计算对开环控制系统进行调整。在电液控制系统中，开环控制一般用于对单个液压元件的控制，如液压缸、液压电机等，通过计算液压元件的工作压力和流量、选择液压元件的型号和参数、确定液压系统的控制方式，手动控制、集中控制或电脑控制，再设计控制回路并调试。闭环控制是指在控制系统中，通过反馈信号对控制信号进行修正，使系统输出的控制信号更加准确和稳定。在电液控制系统中，闭环控制一般用于对多个液压元件的控制，如液压动力机械、机床等通过建立系统模型，包括传感器、执行机构、液压元件等组成的闭环控制系统模型、选择合适的控制器，根据模型设计控制算法，再通过仿真或实验调试控制系统，并对系统参数进行优化实现闭环控制系统的自动化控制。

3.4 系统仿真和实现

吸入泵系统采用闭式系统，即回路中由一个变量泵直接驱动一个定量马达的传动，其调速方式采用电比例控制。操作面板上的清水吸入泵调速电位计旋钮，通过RC 微处理器输出1 个PWM 输出可将轴向柱塞泵的排量精确地调定所希望的输出值，执行元件参数考虑吸入离心泵、最大排量、功率、转速、额定压力、柱塞泵、油泵输入转速、切断压力和流量控制压差等。本文仿真设计时，采用A10VG63EP4D1/10L-NTC10F001SP泵驱动提供油源给柱塞马达AA2FM80/61W-VUDN027-S驱动清水泵，柱塞马达：AA2FM80/61W-VUDN027-S。

喷射泵系统采用闭式系统，即回路中由一个变量泵直接驱动一个定量马达的传动，采用两点控制，带开关电磁铁方式。操作面板上喷射泵开关通过RC6 微处理器使泵最大排量实现马达最高转速，执行元件参数考虑喷射离心泵、功率、额定压力、额定转速、最大排量、柱塞泵、油泵输入转速、切断压力和流量控制压差等。本文仿真设计时，采用A4VG56EZ2DM1/32LNSC02F001 泵驱动提供油源给柱塞马达A2FM56/61W-VAB027 驱动喷射泵，柱塞马达：A2FM56/61WVAB027。

排出离心泵系统采用闭式系统，即回路中由一个变量泵直接驱动一个定量马达的传动，其调速方式采用电比例控制。操作面板上的排出泵调速电位计旋钮，通过RC 微处理器同时输出1 个PWM 输出可将轴向柱塞泵的排量精确地调定所希望的输出值，执行元件参数考虑排出离心泵、最大排量、功率、转速、额定压力、柱塞泵、油泵输入转速、切断压力和流量控制压差。本文仿真设计时，采用和喷射泵系统一样的动力源。

混配车辅助系统包括上料、搅拌、液添、送料和破拱等元件，由2 组闭芯高压负载敏感多路阀系统组成，其性能是与负载无关，可无级调节液压执行元件的运动速度，多个执行元件同时独立地进行工作，相互间完全不受影响，控制精度高。

4 结论

本文主要介绍了设计和制造新型石油钻采专用智能压裂液混配车控制系统的过程。首先，根据石油钻采的特殊需求，确定了设备的功能和性能指标，设计了相应的系统方案，并选取了合适的硬件和软件组件。然后，通过对每个组件的编程和调试，完成了整个系统的集成和测试。最后，进行了实际的现场测试和调试，验证了设备的优良性能。

通过对该套控制系统的混配车的分析和评价，可以得出以下结论。

设备具备了精准测量、高效混配、自动化控制等多种功能，能够满足石油钻采领域的复杂需求。

设备使用了先进的硬件和软件组件，具有高性能和可扩展性。

设备采用了智能控制技术，能够自动调整配比，提高生产效率和质量。

设备的压裂液混配效果和稳定性令人满意。

该设备的研发具有一定的实用性和推广价值。

综上所述，新型石油钻采专用智能压裂液混配设备的设计和制造是一项有价值的工作，其将为石油钻采领域的自动化生产提供有力支持，具有广阔的应用前景和市场空间，是石油勘探开采领域的重要装备，相关技术和产品的研发将会有着巨大的市场需求和发展潜力。