基于Modbus協(xié)議的混砂車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

黃立華，張海鵬，劉洪江

(1. 中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)，新疆 克拉瑪依 834000； 2. 東營匯聚豐石油科技有限公司，山東 東營 257000)

0 引言

目前國內(nèi)部分油氣田開采已進入中后期，壓裂技術被廣泛應用于油氣田增產(chǎn)增效[1]，同時壓裂施工也造成了出砂井數(shù)量增多，出砂面積增大、出砂部位加深，防砂施工難度加大[2]。這就要求油氣井防砂施工過程管理更精細、施工過程應具有可追溯性。早期的混砂車參數(shù)儀采用單片機作為控制器，系統(tǒng)功能單一、擴展性差，且不提供數(shù)據(jù)交互接口。混砂車為移動式作業(yè)裝備，野外施工現(xiàn)場工況惡劣，參數(shù)儀故障率高，操作人員多憑經(jīng)驗操作，原有混砂車數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足目前壓裂防砂施工要求。對某廠家生產(chǎn)的混砂車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行改造，并新增儀表車監(jiān)控系統(tǒng)。

1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構

混砂車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集輸砂量、排量、砂比、液添流量、干添流量、油壓、套壓。其中輸砂量為左、右輸砂量之和，砂比等于輸砂量與出口排量之比。常規(guī)施工過程中向混砂罐中添加支撐劑和干粉的情況較少[3]，改造后的系統(tǒng)未對液添流量和干添流量進行數(shù)據(jù)采集?；焐败嚁?shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。系統(tǒng)網(wǎng)絡分為設備層、控制層和信息層?？刂破鞑捎梦鏖T子S7-200小型PLC，利用PLC高速計數(shù)功能測量螺旋絞龍的轉(zhuǎn)速，間接測量輸砂量。利用模擬量擴展模塊EM231完成排量、油壓、套壓的檢測。PLC控制器RS485接口PORT0采用Modbus協(xié)議與儀表車通信， PORT1采用PPI協(xié)議與混砂車控制室內(nèi)觸摸屏通信。觸摸屏作為PPI協(xié)議通信主站對PLC寄存器進行讀寫，實現(xiàn)傳感器標定和參數(shù)動態(tài)顯示。儀表車監(jiān)控系統(tǒng)作為Modbus RTU協(xié)議通信主站，讀取并解析對應工藝參數(shù)，生成相應報表、曲線，并為第三方的油氣井綜合分析軟件提供特定格式的數(shù)據(jù)庫文件。

2 PLC程序設計

混砂車利用左、右兩個螺旋絞龍向混砂罐輸送粒徑為0.8～1.2mm的石英砂，螺旋絞龍軸頂部安裝一個測量齒輪，其齒數(shù)為36。螺旋絞龍每旋轉(zhuǎn)1周接近開關發(fā)出36個脈沖信號。利用PLC高速計數(shù)功能分別檢測左、右兩個輸砂絞龍的轉(zhuǎn)速，計算左、右輸砂瞬時量。該PLC高速計數(shù)功能采用專用芯片捕捉脈沖信號，計數(shù)過程不受PLC掃描周期的影響，最高計數(shù)頻率可達100kHz，可確保輸砂量測量的可靠性。高速計數(shù)采用內(nèi)部方向控制的單向計數(shù)模式，2個接近開關的輸出信號分別接PLC高速計數(shù)專用輸入通道I0.0和I0.1，對應高速計數(shù)器為HSC0和HSC3。高速計數(shù)器HSC0初始化程序如圖2所示，HSC3與之類似，主程序利用首次掃描接通寄存器位SM0.1調(diào)用初始化子程序。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構圖

圖2 高速計數(shù)器HSC0初始化程序

利用T200定時器產(chǎn)生周期為1s、脈寬為一個掃描周期的連續(xù)脈沖，定時讀取高速計數(shù)器HSC0和HSC3的當前值HC0和HC3。左輸砂量計算邏輯如圖3所示，其中Lef_sand為左輸砂的脈沖當量，輸砂量的單位為m3/min。讀取高速計數(shù)器當前值后，復位高速計數(shù)器HSC0、HSC3，使其重新計數(shù)。設置高速計數(shù)器HSC0控制寄存器SMB37值為16#F8，重新啟用計數(shù)器HSC0，并寫入當前新值和預設值，利用HSC指令重啟該高速計數(shù)器。排量、油壓、套壓變送器輸出均為4～20mA標準信號，分別接入模擬量輸入模塊EM231的A、B、C通道，A/D線性轉(zhuǎn)換后得到對應排量瞬時值、油壓、套壓。利用T200定時器產(chǎn)生的秒脈沖，完成左、右輸砂量和出口排量的累積計算。

圖3 左輸砂計算程序

3 上位機程序設計

混砂車上位機程序設計包括觸摸屏程序和儀表車監(jiān)控程序設計，觸摸屏采用PPI主從協(xié)議與PLC通信，其數(shù)據(jù)幀格式含PPI幀頭和PPI載荷區(qū)兩部分，PPI幀頭為固定格式，PPI載荷區(qū)包含數(shù)據(jù)頭、參數(shù)1、參數(shù)2、變量1。觸摸屏作為PPI通信主站，發(fā)送VD區(qū)讀取指令獲取左輸砂量、右輸砂量、輸砂量、排量及對應累積量、砂比、油壓、套壓的值并進行實時顯示。發(fā)送寫指令修改PLC對應寄存器，完成左、右輸砂脈沖當量、排量、油壓、套壓量程、增益及偏移量的設置。

PLC作為從站與儀表車監(jiān)控系統(tǒng)采用RS-485總線的Modbus RTU協(xié)議通信[4-5]，PLC將輸砂量、累積輸砂量、排量、累積排量、油壓、套壓以浮點數(shù)格式存入VB50開始的24個連續(xù)字節(jié)V區(qū)寄存器。利用MBUS_INIT指令完成PLC 通信參數(shù)設置，具體通信參數(shù)如圖4所示。

圖4 下位機Modbus通信參數(shù)設置

儀表車監(jiān)控軟件是利用Delphi編程平臺、借助第三方SPComm串口控件和Iocomp工控儀表控件編寫的上位機程序。儀表車工控機作為主站，監(jiān)控軟件定時調(diào)用SPComm串口控件的WriteCommData方法，通過串口向PLC定時發(fā)送寄存器讀取請求指令，時間間隔500ms，其十六進制讀取數(shù)據(jù)幀為：01 03 00 00 00 0C 45 CF。其中PLC從站地址為01，寄存器讀取功能碼為03，起始地址為00 00，數(shù)據(jù)長度為00 0C，CRC16校驗為45 CF。從站PLC收到請求后返回VB50作為起始地址的12個寄存器(24個字節(jié))的值，應答幀數(shù)據(jù)格式如下(應答幀數(shù)據(jù)長度為十六進制18)：01 03 18 數(shù)據(jù)1 … 數(shù)據(jù)24 CRC低字節(jié) CRC高字節(jié)。

儀表車監(jiān)控系統(tǒng)采用基于事件觸發(fā)的多線程方式完成串口數(shù)據(jù)接收，工控機串口接收到PLC應答數(shù)據(jù)后，將接收的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)，同時產(chǎn)生一個硬件中斷。系統(tǒng)發(fā)出對應消息，觸發(fā)儀表車監(jiān)控軟件輔助線程OnReceiveData響應該事件。在事件響應程序中獲取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，重新計算接收字符串的CRC16校驗值并與接收字符串末尾2個校驗字節(jié)進行比對，判斷接收數(shù)據(jù)的有效性。然后從接收字符串的第4個字節(jié)開始，每4個字節(jié)代表1個工藝參數(shù)，將其解析為對應的輸砂量、累積輸砂量、排量、累積排量、油壓、套壓，其數(shù)據(jù)解析程序部分代碼如下：

Procedure Form2.Comm1ReceiveData(Sender: TObject; Buffer: Pointer; BufferLength: Word);

Var

receivelegal:boolean;

begin

plcreceivelegal:=false;

SetLength(Str, BufferLength);

Move(buffer∧,PChar(@Str[1])∧, bufferlength);

//判斷PLC返回數(shù)據(jù)是否有效

receivelegal:=hCheckCrc(Str);

if receivelegal then

begin

hexstr:=StrToHexStr(Str);

//參數(shù)字符截取

SandFlow_str:=copy(str,4,4);

SandAcc_str:=copy(str,8,4);

…

Try //轉(zhuǎn)浮點數(shù)SandFlow:=hextofloat(StrToHexStr(SandFlow_str));

SandAcc:=hextofloat(StrToHexStr(SandAcc_str));

…

except

…

end;

混砂車電液閥件在操作過程會產(chǎn)生一定的高頻干擾信號，造成數(shù)據(jù)突變。采用遞推平均濾波法對采樣數(shù)據(jù)進行濾波，為6個工藝參數(shù)分別建立1個一維數(shù)組。綜合考慮采集系統(tǒng)實時性和平滑效果，設置數(shù)組長度為20，采樣數(shù)據(jù)采用“先進先出”方式存入各自數(shù)組中，每個采樣周期計算1次數(shù)組中所有元素均值作為當前采樣數(shù)據(jù)。

儀表車監(jiān)控程序?qū)⒔馕龊蟮姆郎笆┕み^程參數(shù)在上位機上進行實時顯示，利用Iocomp組件中的iXYPlot控件新建6個曲線記錄通道，定時調(diào)用其AddXY方法以采樣次數(shù)為x軸，當前值為y軸，生成輸砂量、輸砂累積、排量、累積排量、油壓、套壓的實時曲線。

利用Delphi自身控件ExcelApplication、ExcelWorksheet、ExcelWorkbook調(diào)用工控機已安裝的Excel應用程序，創(chuàng)建并激活工作表、工作簿，完成表格固定單元格內(nèi)容賦值，利用定時器循環(huán)記錄壓裂防砂施工試壓、前置、加砂、頂替相關階段工藝參數(shù)，自動生成防砂施工報表，記錄時間間隔為3min。儀表車監(jiān)控界面如圖5所示。

圖5 儀表車監(jiān)控程序界面

為進一步深入研究油氣井出砂機理、影響因素以及防砂改進措施，每間隔5s系統(tǒng)生成一條記錄，將每次施工過程數(shù)據(jù)存儲為一個數(shù)據(jù)庫文件，以油井名稱、施工日期時間命名。該數(shù)據(jù)庫為油氣井綜合分析軟件提供實驗數(shù)據(jù)，軟件對防砂施工過程進行分析評價、油氣井工況進行判斷，并作為油氣井綜合管理的一個重要組成部分。

4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分析

本系統(tǒng)中左、右瞬時輸砂量、輸砂量累積、出口排量累積計算均以T200定時器產(chǎn)生間隔為1s的脈沖作為計時基準，該時間間隔比真實時間基準少一個PLC掃描周期，這樣會造成瞬時輸砂量和累積量比真實值略小。經(jīng)5個井次的現(xiàn)場測試，發(fā)現(xiàn)施工完畢后的累積量與設計的砂量和配液比較存在約3%的誤差，基本滿足施工要求。進一步提高輸砂量檢測精度可采用定時中斷，通過中斷事件響應直接訪問高速計數(shù)器當前值寄存器HC0、HC3計算輸砂量。避免將外設寄存器值送入過程映像區(qū)，整個計數(shù)過程不受掃描周期影響。

輸砂量是利用絞龍轉(zhuǎn)速與左、右輸砂脈沖當量的乘積計算得到的，受限于螺旋絞龍輸送機械結(jié)構約束，砂箱內(nèi)石英砂的堆積高度將直接影響輸砂脈沖當量。當砂箱內(nèi)石英砂較少時，實際輸砂脈沖當量會偏小，計算所得砂比、輸砂量會偏大。當螺旋絞龍空轉(zhuǎn)時，操作人員需及時停止輸砂絞龍。

將儀表車監(jiān)控軟件生成的數(shù)據(jù)庫導入油氣井綜合分析軟件，發(fā)現(xiàn)存在約10%的數(shù)據(jù)與實際工藝過程明顯不符。因遞推平均濾波法僅對采樣數(shù)據(jù)進行平滑處理，故應結(jié)合防砂施工過程工藝特征，考慮數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性，對

無效數(shù)據(jù)進行剔除。未來還需進一步完善數(shù)據(jù)有效性判別算法，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試

5 結(jié)語

本設計利用S7-200 PLC、艾莫迅觸摸屏和Delphi編程平臺實現(xiàn)對原有混砂車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的改造，基本滿足現(xiàn)階段油氣井防砂施工要求?；焐败嚳刂撇糠秩圆捎檬謩硬僮饕簤洪y件來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)相互獨立，提高了混砂車運行的可靠性，但同時也降低了作業(yè)裝備的自動化程度。提高混砂車自動化程度可采用專用車載控制器，在增加系統(tǒng)可靠性的同時將液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進一步集成。