输砂装置智能控制系统研究范文

随着国内外能源开采进入中后期，压裂作为油田的主要增产措施〔1〕。压裂技术开始广泛应用到页岩气和水平井等非常规油气的开采中〔2〕。压裂液配制也从固定配液点转向压裂现场连续混配，进入了工厂化压裂阶段。压裂液由压裂液基液和支撑剂组成〔3〕。支撑剂起支撑裂缝的作用，其质量决定了压裂效果的成败。连续输砂工艺和技术是随着大型压裂工艺发展而产生的新技术和新工艺，现有砂罐车方案不能满足大量连续要求，以及精确控制要求。因此目前缺少成熟的装备和技术，北京矿冶研究总院开发出移动时连续输砂装置。本文针对该新型输沙装置，介绍控制系统的组成。在工厂化压裂施工过程中〔4-6〕，支撑剂通过连续输砂装置将其输送到混砂车，实现压裂液配制。连续输砂装置输砂精度及系统稳定性，直接影响压裂施工成败，其智能控制系统是所有的控制核心〔7〕，在施工中起着决定性作用。

1连续输砂装置基本原理

1．1连续输砂装置工艺流程及输送基本原理支撑剂输送可采用皮带机输送和螺旋输送两种方式。但与皮带机相比，螺旋输砂具有能效比低、计量精度差、同功率下输送量小等缺点。因此，选用变频皮带机和精密下砂装置联合输砂，通过设置电子称量装置实时采集砂量监测数据，由可编程控制器自动控制皮带输送速度以调节输砂量，从而满足加砂工艺要求。设计出满足高效连续自动输砂要求的工艺流程，如图1所示。连续输砂装置适用于松散干湿物料、颗粒物料。输送原理:利用一根封闭的环形带，绕在相距一定距离的2个鼓轮上，带由主动轮带动运行，压裂支撑剂在带上靠摩擦力随带前进，到另一端卸砂。连续输砂装置在输送末端设置有砂量在线计量装置，该计量装置实时计量连续输砂装置累计输砂量，并在二次仪表实时显示。连续输砂装置采用槽形托辊结构，并设置密封罩体，适用于野外压裂作业环境。连续输砂装置输送结构如图2所示。

1.2输送系统数学模型连续输砂装置是连续输散状陶粒、石英砂等支撑剂的设备，支撑剂在皮带输送线上计量精度的控制一直是控制的难题，直接影响着压裂液质量。通过建立连续输砂装置输送系统的数学模型，实现对实际的物料流动态计量具有重要的研究意义。1)时间输送量数学模型皮带输送压裂支撑剂动态计量时，每单位长度的石英砂的质量q(N/m)和皮带同一时间点的速度v(m/s)，得到砂量的瞬时流量q•v(N/s)，在一段时间T内的砂量计算可表示为时间积分法数学模型。2)积分法数学模型输砂装置在开始输送时，输砂装置上长度为L1的一段有石英砂物料，L2和L3无石英砂。其砂量分布如图3所示。

2连续输砂装置智能控制系统设计

2.1连续输砂控制系统硬件连续输砂装置模糊控制系统由控制器(含有开发好的模糊控制算法软件的计算机或由专用集成电路构成的模糊控制芯片)、输入输出接口(如A/D、D/A转换装置)、执行机构(如伺服电动机、阀门、开关等)、被控对象(如机械设备、机器人等)和测量装置(例如温度和压力传感器、数码盘等)这五个环节组成。二维模糊控制器的两个输入变量基本上都选用受控变量和输入给定的误差量E和误差变化量EC，由于它们能够较严格地反映受控过程中输出变量的动态特性，因此，在控制效果上要比一维模糊控制器好得多，也是目前采用较广泛的一类模糊控制器。其控制流程如图4所示。连续输砂控制系统是采用模糊控制技术，在连续输送过程中，输砂总量、输砂速度、砂比等输砂参数通过人工从触摸屏输入到PLC中。PLC通过模糊控制算法计算出皮带电机运行频率数值，通过I/O模块向输砂装置发出指令，同时接受电子称量系统反馈信号，在线检测整个系统的运行状态和工作模式。输送的砂粒在连续输砂称量装置上，将现场显示输砂量，同时将4～20mA信号输送到模拟采集模块，PLC对比输出数值和反馈接收数值，判别误差大小，从而调整变频器工作频率，保证输砂速度满足设定要求。其模糊控制器采用PLC模糊控制模块，工控机实现整个系统的数据存储和分析。整个控制系统结构框图如图5所示。1)PLC控制系统硬件部分根据连续输砂工艺的特点及计量要求，选用了日本欧姆龙CJ2M-CPU33PLC作为本控制系统的主控制器，采用模块式结构和远程I/O通讯技术，实现整个控制系统逻辑和数字运算。2)上位机硬件部分连续输砂装置上位机采用日本欧姆龙触摸NS12-TV01-ECV2作为人机界面，数据库管理采用研华工控机IPC-610H实现数据处理分析。

2.2组态设置系统组态主要包括:通信组态、数字量或模拟量输入滤波设置、人机界面配置、设置密码和后台通信时间等内容，系统组态设置主要在引导条中的“系统块”〔8-9〕中进行。1)模拟量输入滤波在模拟量输入信号变化缓慢的场合，可以对不同的模拟量输入选择软件滤波。滤波后的值是预选采样次数的各次模拟量输入的平均值。系统默认参数为:模拟量输入点全部滤波。模拟量滤波功能不能用于用模拟量字传递数字量或报警信息的模块。2)人机界面配置人机界面采用组态软件开发，实时显示输砂设备运转状况，实现打滑、跑偏等故障的报警。具备完善的生产监控管理功能，可对系统运输设备进行控制，并对主要环节及辅助环节的生产过程进行实时数据采集、传输、处理、显示。连续输砂装置人机监控画面如图6所示。3)密码的设置OMRON人机界面的密码保护功能提供5等级限制存储器操作功能。各等级均需密码即可使用的某些功能。只要输入正确的密码，用户即可使用所有的CPU功能。默认等级是1级，对存取没有限制，相当于关闭了密码功能。系统采用CX-DESIGNER组态软件组建的人机交互信息平台，完成了对连续输砂装置单元的数据采集、数据分析、数据存储，设备状态监控、设备运行控制等功能，同时形成各类数据报表。

2.3输送系统程序设计皮带本身是一个弹性体，带有负载时具有极大的惯性，皮带起制动时，加速度越大，则皮带的储能越大，释放这些能量会对输送机部件带来极大的应力，特别是在发生谐波共振时，会带来严重后果，因此对皮带速度控制要求较高，矢量控制适用于异步电机的调速控制，其矢量控制的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。模糊控制尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。因此本系统采用模糊控制。模糊控制程序涉及模糊集建立、隶属度的判断、模糊控制查询表的建立。其程序设计关键是模糊控制查询表的编写。控制程序采用梯形图语言进行编写，TCMP(85)是OMRONCP1H型PLC的表比较指令，将模糊控制表结果输入到D100～D669中，通过量化后的数据分别与对应的控制量比较，相同后找到其单元的输出量，乘以量化因子输出。当模糊表容量不大时候，此方法简单易行，当模糊表容量较大时，此方法设计的程序十分冗长，占用大量内存。因此此系统采用基地址+偏移地址寻址的设计方法。实现模糊控制查询表程序如图7所示。控制系统采用HostLink通信协议实现上位机与PLC的通信。上位机以触摸屏为人机交互界面实现输砂装置数据的监控。触摸屏与PLC的CPU单元通信，触摸屏具有优先权，将命令传递到PLC，PLC控制电气驱动元器件，实现对现场设备控制，达到连续输砂工艺要求。触摸屏与PLC采用多点通信协议，以数据帧为单元进行数据交互。上位机(触摸屏)与PLCHostLink单元的多点通信协议如图8所示。多点通信时，单帧发送的最大数据块为131个字符，多帧发送时中间帧的格式为:正文、FCS、分界符〔10〕。起始帧、中间帧的长度为131，结束帧的长度最多为131个字符，多帧发送时中间帧的格式为:正文、FCS、分界符。上位机和PLC通信时，双方的通信参数(如节点地址、通信波特率、数据格式)应设置一致。PLC使用哪一个通信口，就在PLC对应的该通信口的系统设定区进行设置。系统通信参数设置见表1。

3生产运行结果

通过建立连续输砂装置试验线，利用模糊控制系统对现场试验数据进行采集，先用称量装置称量石英砂质量，记录质量作为标准数据。将称量后的石英砂添加到连续输砂装置储料仓内，启动连续输砂装置，通过在线电子称量数据采集系统采集输砂量，然后进行精度计算。计算结果见表2。试验表明，该装置的智能控制系统的计量精度达到5%以内，比传统的计量方式具有更高的精度。4结论1)针对工厂化压裂连续输砂装置输砂精度要求高、电磁环境恶劣、设备启动转矩大等特点，设计了一种基于欧姆龙CJ2MPLC的智能控制系统。2)连续输砂智能控制系统既满足工厂化压裂施工过程中输砂装置输送砂量精度控制的要求，又实现了系统的连续性和自动化，提高了输砂装置的输送效率，降低了能耗，减轻了操作人员和管理人员的工作强度。3)通过人机界面、工控机、通讯模块和以太网等，利用组态软件组建的监控平台，实现了远程网络监控，日常数据处理、存储，具有数据查询、报表打印、故障报警等功能。

作者：台广锋 潘社卫 舒峰 卢亚平 单位：北京矿冶研究总院