基于S7-1200 的水力無桿排采裝置的設(shè)計與應(yīng)用

杜 業(yè)，劉學(xué)文，畢琳琳

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

水力無桿排采裝置以高壓水作為動力液驅(qū)動水力柱塞泵進(jìn)行排采作業(yè)，可有效地解決煤層氣大斜度定向井和水平井采用有桿舉升方式存在的偏磨的弊端，為煤層氣的生產(chǎn)作業(yè)提供了新的開采方式。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水力無桿排采裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它主要由水力柱塞泵、同心管、水箱、換向系統(tǒng)、電磁流量計、壓力計、變頻器、電動機(jī)、PLC 和觸摸屏等組成。

圖1 中虛線表示裝置的電氣控制流程：PLC 作為電氣控制的核心部件，采集并監(jiān)測系統(tǒng)的壓力、注入流量、采出流量等運行數(shù)據(jù)，通過控制變頻器的輸出頻率改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而調(diào)節(jié)水力柱塞泵的排采沖次。觸摸屏HMI 用于實現(xiàn)人機(jī)交互，具有本地/遠(yuǎn)程啟?？刂?，可顯示系統(tǒng)壓力、注入水量、采出水量、運行頻率、故障信息等數(shù)據(jù)，以及調(diào)節(jié)排采工作制度等。圖1 中實線表示系統(tǒng)的水路控制流程：水箱內(nèi)的水經(jīng)過往復(fù)式注水泵加壓后形成高壓動力液，通過換向系統(tǒng)在中心管和同心管（中心管與油管）的環(huán)空內(nèi)輪換注入，推動水力柱塞泵的上下往復(fù)運動完成井下液的排采。當(dāng)高壓動力液通過同心管的環(huán)形空間注入泵腔時，推動水力泵內(nèi)柱塞下行，同時井下液進(jìn)入泵腔。當(dāng)驅(qū)動液由中心管注入中心管時，推動水力柱塞泵的泵筒上行，井下液與動力液形成的混合液通過同心管環(huán)形空間中排出。混合液經(jīng)過濾后進(jìn)入水箱，以補充水力柱塞泵往復(fù)運動進(jìn)行循環(huán)吞吐的消耗。井下采出液則經(jīng)流量計計量后排至地面儲水池。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水力柱塞泵設(shè)計有洗井功能。在洗井時，高壓水流持續(xù)注入中心管推動柱塞上行至泵組上死點，游動閥隨之打開，高壓水流沖洗泵內(nèi)的煤灰排出至地面儲水池，完成洗井作業(yè)。

2 硬件設(shè)計

排采裝置以性能穩(wěn)定的西門子S7-1200 PLC為控制核心，通過博途軟件進(jìn)行組態(tài)編程，控制電路如圖2 所示。當(dāng)PLC 控制單元CPU 接收到觸摸屏HMI 發(fā)送的指令后，程序運算控制并完成相應(yīng)的輸出至固態(tài)繼電器SR1～SR4。現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集由流量計BQ1、BQ2，壓力傳感器BP，泵溫傳感器BT1 和水溫傳感器BT2 組成，傳入模擬量采集模塊AI。變頻器VFD 和井下流壓傳感器通過RS-485 與PLC 進(jìn)行通信，實現(xiàn)監(jiān)控中心對現(xiàn)場各個控制點的調(diào)節(jié)和監(jiān)控。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)液位故障、變頻故障、電機(jī)故障和超壓故障時，PLC 立即停機(jī)并鎖定故障，等待人為排除。當(dāng)系統(tǒng)運行壓力超過保護(hù)壓力時立即停機(jī)保護(hù)，同時PLC 控制所有電磁閥打開泄壓，水回流至水箱。如果電磁閥失效，由系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)械安全閥進(jìn)行保護(hù)。

圖2 控制電路

3 軟件編程

排采裝置的控制流程如圖3 所示。系統(tǒng)上電初始化完成后，PLC 進(jìn)行故障檢測。若出現(xiàn)故障，相應(yīng)報警指示燈閃爍，停機(jī)等待人為排除故障。若系統(tǒng)正常，按下啟動后，系統(tǒng)主泵啟動，高壓動力液推動水力柱塞泵上行，上行過程中系統(tǒng)檢測實時的運行壓力和流量，當(dāng)兩者達(dá)到設(shè)定閾值時轉(zhuǎn)至下行；同理下行達(dá)到設(shè)定閾值后，轉(zhuǎn)至上行，如此循環(huán)往復(fù)完成自動控制。當(dāng)系統(tǒng)的運行時間、洗井時間、停機(jī)時間設(shè)置不為零時，系統(tǒng)按上述設(shè)定時間進(jìn)行間抽控制。排采裝置的軟件編程以控制變頻器的頻率為中心，以控制井底流壓為核心，根據(jù)煤層氣井的開采規(guī)律和井底流壓變化規(guī)律，系統(tǒng)自動控制注水泵的轉(zhuǎn)速和換向閥的換向頻率，調(diào)節(jié)水力柱塞泵的排量，控制井底流壓的變化，實現(xiàn)煤層氣的開采作業(yè)。

圖3 控制流程

4 RS-485 通信

設(shè)置PLC 通信模塊串口為主站，用于讀取/寫入變頻器數(shù)據(jù)，讀取井下流壓傳感器數(shù)據(jù)。

通信接口功能塊的編程實例如圖4 所示。EN 保持通信使能。REQ 每接通一次就讀寫一次數(shù)據(jù)，可采用輪詢的方式觸發(fā)。MB_ADDR 是從站地址，與被讀寫設(shè)備保持一致，此處設(shè)定為3。MODE 是讀寫控制字，0 讀取，1 寫入，此處設(shè)定為1，即將設(shè)定頻率寫入到變頻器。DATA_ADDR 是要寫入的寄存器的起始地址。DATA_LEN 是讀取的長度，根據(jù)實際情況設(shè)置。DATA_PIR 是一指針變量P#DB9.DBX2.0 INT 1。功能塊實現(xiàn)了將DB9 數(shù)據(jù)塊中地址為2.0 的INT 類型的存儲區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入變頻器的功能。需要注意的是在取消DB 塊的屬性中優(yōu)化訪問后，才能顯示DB 數(shù)據(jù)地址。

圖4 通信接口功能塊編程示例

5 人機(jī)交互

排采裝置的人機(jī)交互界面如圖5 所示。系統(tǒng)上電后，自動顯示其運行狀態(tài)，如運行/停止/洗井時間、沖次、頻率、閥的狀態(tài)、壓力、溫度、流量和故障信息等。當(dāng)按下“啟動按鈕”，系統(tǒng)啟動運行；啟動后首先洗井，洗井狀態(tài)指示燈閃爍；60 s 后按設(shè)定沖次運行，此時“洗井狀態(tài)指示燈”熄滅，“閥運行指示燈”閃爍，游動閥或固定閥開始計時。當(dāng)按下“停機(jī)按鈕”或“急停按鈕”后，系統(tǒng)停止運行，所有閥打開，60 s 后自動關(guān)閉。在停機(jī)狀態(tài)下，按下“洗井按鈕”，系統(tǒng)開始洗井；再次按下“洗井按鈕”或“停止按鈕”后，系統(tǒng)系統(tǒng)停止運行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)立即停機(jī)保護(hù)，所有電磁閥打開，系統(tǒng)泄壓將水回流至水箱。每次出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會進(jìn)行故障自鎖，相應(yīng)紅色指示燈閃爍，等待人為按動復(fù)位按鈕排除故障。

圖5 人機(jī)交互界面

6 現(xiàn)場應(yīng)用

排采裝置經(jīng)山西煤層氣L 形水平井現(xiàn)場實驗驗證，該裝置能夠在產(chǎn)水量0.2～20 m3/d 范圍變化的井況下連續(xù)穩(wěn)定運行，降壓范圍滿足0.01～0.2 MPa/d 的工作制度要求。該裝置能夠與現(xiàn)場遠(yuǎn)控系統(tǒng)同步對接，能夠現(xiàn)場顯示并上傳設(shè)備啟停狀態(tài)、井底流壓、電流、驅(qū)動系統(tǒng)壓力、產(chǎn)水量、頻率等運行數(shù)據(jù)，能夠很好地滿足現(xiàn)場排采工藝要求。

7 結(jié)語

基于S7-1200 可編程控制系統(tǒng)的水力無桿排采裝置運行平穩(wěn)可靠，有效地解決煤層氣大斜度定向井和水平井采用有桿舉升方式存在的偏磨的弊端，為類似應(yīng)用場景提供參考。