石化專用智能化車載壓裂液混配設備控制系統(tǒng)研究與應用

劉光明，何義文

（1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術大學黃河流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)教融合研究院，蘭州 730021；2.蘭州礦場機械有限公司，蘭州 730070）

壓裂液混配設備是用于混合并加壓輸送壓裂液的設備，廣泛應用于頁巖氣、煤層氣等資源的開發(fā)利用過程中。壓裂液混配設備能夠?qū)Χ喾N不同的化學品進行混合，并且能夠按照特定的比例和流量進行控制，從而形成特定的壓裂液配方。混合過程中需要控制混合的時間、流量和混合比例等參數(shù)，以確?；旌系馁|(zhì)量和效果。根據(jù)壓裂液混配設備的結(jié)構(gòu)和功能特點，可以將其分為預混式壓裂液混配設備和動態(tài)混合式壓裂液混配設備。

1 智能化車載壓裂液混配設備設計

智能化車載壓裂液混配設備（以下簡稱“混配車”）要求實現(xiàn)精準、高效、可靠的液體配制，滿足不同壓裂作業(yè)的需要，同時也要考慮減少人工操作，提高生產(chǎn)效率，降低成本。設計混配車需要在自動配液控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、傳感器和機械結(jié)構(gòu)等方面進行優(yōu)化和創(chuàng)新，實現(xiàn)高效、可靠、精準的壓裂液混配，而智能化控制系統(tǒng)則是該套設備的智慧大腦和控制中樞?；炫滠囋O計上具備以下特點。

自動配液控制系統(tǒng)能夠控制各種液體組分的配比，實現(xiàn)化學計量配制，減少人工失誤，提高配比精度和效率。電液控制系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)需求，控制各類混合和輸送設備的運行，實現(xiàn)自動化操作，降低人工成本，提高生產(chǎn)效率。傳感器采用高精度、穩(wěn)定的元器件，監(jiān)測液體壓力、溫度、濃度等參數(shù)，保證液體配制的質(zhì)量和穩(wěn)定性，防止過程中出現(xiàn)故障。采用先進的機械結(jié)構(gòu)設計，保證設備的穩(wěn)定性和可靠性，降低設備維修和更換成本，同時也要方便清洗和維護。

2 混配車自動配液控制系統(tǒng)

2.1 基本原理和功能

混配車自動控制系統(tǒng)由工控機、RC 控制器、顯示儀表組成，作業(yè)時通過操作安裝在控制面板上的顯示屏，按照施工作業(yè)方案輸入自動控制指令或在監(jiān)控計算機軟件系統(tǒng)中預制自動控制程序后，混配車能夠按照指令實現(xiàn)干粉配比、初始清水流量、排出流量、液位和液添比例的自動控制，以及相應的施工參數(shù)顯示。同時，控制系統(tǒng)具備在施工中遇突發(fā)情況時操作人員能及時中斷自動控制并切換為手動控制功能，手動控制方式能滿足實現(xiàn)混配車全部控制功能。

混配車自動配液控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)手動/自動控制，手動電氣控制系統(tǒng)是依靠操作面板上安裝的手動電氣開關和控制旋扭來操作各液壓和氣動執(zhí)行元件，實現(xiàn)各部件動作，以滿足作業(yè)要求。通過自動/手動開關鏈接可分別實現(xiàn)吸入泵、排出泵、送料馬達、吸入泵蝶閥、噴射泵和液添泵的自動控制。

2.2 控制系統(tǒng)組成和參數(shù)設計

混配車自動配液控制系統(tǒng)主要由液位控制系統(tǒng)、吸入控制系統(tǒng)和排出泵控制系統(tǒng)、干粉控制系統(tǒng)、液體添加劑控制系統(tǒng)和計量系統(tǒng)組成，為了實現(xiàn)自動配液控制系統(tǒng)的參數(shù)設計與優(yōu)化，首先要分析關鍵參數(shù)，包括液位控制、流量控制和配比控制等方面，然后根據(jù)系統(tǒng)的技術要求，對關鍵參數(shù)進行詳細分析和設計，此外，根據(jù)實際應用需求進行優(yōu)化調(diào)整。最后，對參數(shù)設計和優(yōu)化的方案進行詳細測試，確保系統(tǒng)參數(shù)設計和優(yōu)化能夠有效控制配液過程。

2.3 控制算法設計

設計適合自動配液控制系統(tǒng)的控制算法，包括模糊控制、PID 控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等方面。

模糊控制是一種基于模糊數(shù)學理論的控制方法，其將模糊邏輯運算引入到控制系統(tǒng)中，將模糊量作為控制變量，并通過一定的規(guī)則來實現(xiàn)控制。在自動配液控制系統(tǒng)中，如果知道輸入的液體體積和濃度范圍，可以利用模糊控制器來實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。例如，可以根據(jù)輸入體積和濃度的大小，優(yōu)化控制閾值，以達到更好的控制效果。

PID 控制是一種常用的控制算法，在自動配液控制系統(tǒng)中也可以應用。PID 控制器由3 個部分組成：比例部分、積分部分和微分部分。其利用傳感器測量的反饋信號和設定值之間的差異，通過不斷調(diào)整控制器的輸出來達到最佳控制效果。例如，通過控制加液泵的轉(zhuǎn)速或閥門的開度，可以實現(xiàn)自動配液控制。

神經(jīng)網(wǎng)絡控制是一種利用計算機模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)實現(xiàn)控制的方法。在自動配液控制系統(tǒng)中，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡學習液體的配方和配液過程，從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。例如，可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡對已知的液體配比進行學習，從而在以后的配液過程中自動調(diào)整并控制液體的配比。

以上3 種控制算法都可以應用于自動配液控制系統(tǒng)，可以根據(jù)具體的情況進行選擇和優(yōu)化。

2.4 系統(tǒng)仿真和實現(xiàn)

實現(xiàn)自動配液控制系統(tǒng)，并進行仿真和測試，分析控制效果和系統(tǒng)響應速度等因素，需先根據(jù)配液控制的需求，設計出系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制算法，并選擇合適的控制器和執(zhí)行器，包括選擇合適的傳感器、執(zhí)行器、控制器及系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，再根據(jù)設計的控制算法編寫控制程序，包括傳感器采集、數(shù)據(jù)處理、控制邏輯和執(zhí)行器控制等部分，對編寫的控制程序進行仿真和測試，包括檢驗控制效果、響應速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性等方面，根據(jù)測試結(jié)果，對控制程序進行修正和優(yōu)化，以獲得更好的控制效果和響應速度，將優(yōu)化后的控制程序部署到實際應用中，實現(xiàn)自動配液控制。在實際操作中，還需要考慮系統(tǒng)的安全性問題，如保證配液的精確度和安全性，以及防止因控制程序錯誤而導致的危險。因此，在系統(tǒng)實現(xiàn)和仿真過程中，需要進行多次測試和優(yōu)化，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性。

本文研究的對象（混配車）的系統(tǒng)傳感器，由1 個用于采集混合罐實際液位的液位計，1 套用于采集干粉罐內(nèi)干粉重量胍膠粉的稱重系統(tǒng)，1 個用于采集吸入口實際流量的8 吋渦輪式流量計，1 個用于采集排出口實際流量的8 吋渦輪式流量計，4 個用于采集4個液添的實際流量，輸入脈沖信號的液添泵轉(zhuǎn)速傳感器；2 個用于采集干粉的下粉速率，輸入脈沖信號的喂料馬達轉(zhuǎn)速傳感器；2 個用于采集干粉罐內(nèi)的干粉的下限位，檢測粉管份量的料位開關；1 個吸入泵蝶閥位置反饋信號，2 個測量吸入管路壓力的吸入泵壓力傳感器，1 個測量噴射管路壓力的噴射泵壓力傳感器，1個測量排出管路壓力的排出泵壓力傳感器組成，所有信號輸入到上位機西門子PLC 中。液位控制系統(tǒng)由吸入流量計、排出流量計、液位計、上位機、RC 控制器、吸入泵蝶閥、吸入泵和排出泵等組成，自動工作時，通過混液罐液位計將實時檢測到的液面信號反饋給上位機，上位機將該數(shù)據(jù)與作業(yè)設定數(shù)據(jù)進行比較，輸出控制信號給RC 控制器，控制排出泵、吸入泵的電比例閥，從而調(diào)節(jié)吸入泵和排出泵轉(zhuǎn)速，維持液面高度的穩(wěn)定，實現(xiàn)液面自動控制，程序中設置液位高低限位報警值，確保不會吸空和漫罐。吸入控制系統(tǒng)由吸入流量計、液位計、上位機、RC 控制器、吸入泵壓力傳感器、吸入泵蝶閥和吸入泵組成。自動工作時，該系統(tǒng)主要通過上位機比較混合罐液位，吸入流量計信號，輸出控制信號給RC 控制器實時調(diào)節(jié)吸入泵轉(zhuǎn)速，保證吸入流量達到設定值。吸入泵壓力控制由RC 控制器完成，能夠隨時調(diào)整吸入泵的轉(zhuǎn)速，確保吸入泵壓力值在設定范圍內(nèi)（1.6～1.8 kg）；上位機檢測吸入泵壓力值，也可在屏幕上設置吸水泵壓力值（1.6～1.8 kg），RC 控制器接收上位機設定信號確保吸入泵壓力值在設定范圍內(nèi)（1.6～1.8 kg）。排出泵控制系統(tǒng)由液位計、上位機、RC控制器、排出泵組成。通過實時檢測到的液面信號及排出流量計信號反饋給上位機，上位機輸出控制信號給RC 控制器，實時調(diào)節(jié)排出泵轉(zhuǎn)速，保證排出流量達到設定值，且不會抽空和漫罐。干粉控制系統(tǒng)由吸入流量計、電子秤、上位機、RC 控制器、吸入泵蝶閥和喂料馬達等組成。該系統(tǒng)主要通過電子秤失重和清水吸入量的比值計算干粉實時配比，并通過計算，實時調(diào)節(jié)喂料馬達的轉(zhuǎn)速、吸入蝶閥位置，調(diào)節(jié)下粉量和進水量，系統(tǒng)可實現(xiàn)連續(xù)混配車下粉過程的自動控制，一旦將干粉配比輸入上位機，在工作期間不用操作人員協(xié)助，無論作業(yè)過程中液體流速如何變化，程序會自動調(diào)節(jié)喂料機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)干粉精確控制。液體添加劑控制系統(tǒng)由排出流量計、液添泵轉(zhuǎn)速傳感器、上位機、RC 控制器和液添泵組成。工作時，無論排量如何變化，上位機通過RC 控制器均可按照設定配比控制添加劑泵轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)添加劑過程的自動控制。系統(tǒng)可對4 臺添加劑泵單獨設置工作。

3 混配車電液控制系統(tǒng)

3.1 基本原理和系統(tǒng)組成

混配車整個傳動系統(tǒng)采用全液壓控制驅(qū)動方式，動力由車臺發(fā)動機提供。液壓系統(tǒng)采用Bosch-Rexroth公司的液壓元件，由靜壓式回路、開式回路輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、管路系統(tǒng)和油箱總成等組成。靜壓閉式系統(tǒng)，即回路中由一個變量泵直接驅(qū)動一個定量馬達的傳動，其調(diào)速方式采用電比例控制，通過控制電位計可將軸向柱塞泵的排量精確地調(diào)定所希望的輸出值，從而精確地控制定量馬達的轉(zhuǎn)速。在整個控制范圍內(nèi)均為無級調(diào)節(jié)液壓執(zhí)行元件的工作速度。可實現(xiàn)對清水吸入泵、排出泵及液添馬達的無級調(diào)速。輔助系統(tǒng)采用開式回路，目的為減輕混配車車載重量和臺上空間不足，液壓油箱不宜過大；必須對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能實行強制水冷和風扇冷卻措施。液壓系統(tǒng)采取有效措施保持油液的清潔，控制污染度；根據(jù)系統(tǒng)和元件不同要求的過濾精度，設置相應等級過濾器，并裝有差壓發(fā)訊器及旁通閥，當濾芯堵塞時，便發(fā)出開關信號，提示更換濾芯，確保液壓系統(tǒng)工作正常、可靠、故障少和壽命長。

3.2 參數(shù)設計

電液控制系統(tǒng)參數(shù)設計主要是通過分析系統(tǒng)的關鍵參數(shù)，進行參數(shù)設計和優(yōu)化，包括液壓元器件的選擇和優(yōu)化、系統(tǒng)壓力和流量的控制等方面。液壓元器件包括液壓泵、液壓閥、液壓缸等，在實際設計中選擇合適的液壓元器件，以滿足系統(tǒng)的工作要求，同時需要優(yōu)化液壓元器件的布局和參數(shù)，以提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。系統(tǒng)的壓力和流量是影響系統(tǒng)性能的關鍵參數(shù)，在設計中根據(jù)工作要求和液壓元器件的特點，確定合適的壓力和流量范圍，并采用合適的控制策略進行控制。控制閥是電液控制系統(tǒng)中的關鍵元器件，其響應速度和精度會直接影響系統(tǒng)的性能和精度，在設計中選擇合適的控制閥，并優(yōu)化控制策略，以提高系統(tǒng)的響應速度和精度。除外，還要考慮工作環(huán)境的因素，如溫度、濕度、氣壓等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.3 控制算法設計

電液控制系統(tǒng)一般采用開環(huán)控制和閉環(huán)控制2 種方式。開環(huán)控制是指在控制系統(tǒng)中，控制信號不受反饋信號的影響，直接輸出控制信號給執(zhí)行機構(gòu)，通過實驗或理論計算對開環(huán)控制系統(tǒng)進行調(diào)整。在電液控制系統(tǒng)中，開環(huán)控制一般用于對單個液壓元件的控制，如液壓缸、液壓電機等，通過計算液壓元件的工作壓力和流量、選擇液壓元件的型號和參數(shù)、確定液壓系統(tǒng)的控制方式，手動控制、集中控制或電腦控制，再設計控制回路并調(diào)試。閉環(huán)控制是指在控制系統(tǒng)中，通過反饋信號對控制信號進行修正，使系統(tǒng)輸出的控制信號更加準確和穩(wěn)定。在電液控制系統(tǒng)中，閉環(huán)控制一般用于對多個液壓元件的控制，如液壓動力機械、機床等通過建立系統(tǒng)模型，包括傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、液壓元件等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)模型、選擇合適的控制器，根據(jù)模型設計控制算法，再通過仿真或?qū)嶒炚{(diào)試控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化實現(xiàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的自動化控制。

3.4 系統(tǒng)仿真和實現(xiàn)

吸入泵系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，即回路中由一個變量泵直接驅(qū)動一個定量馬達的傳動，其調(diào)速方式采用電比例控制。操作面板上的清水吸入泵調(diào)速電位計旋鈕，通過RC 微處理器輸出1 個PWM 輸出可將軸向柱塞泵的排量精確地調(diào)定所希望的輸出值，執(zhí)行元件參數(shù)考慮吸入離心泵、最大排量、功率、轉(zhuǎn)速、額定壓力、柱塞泵、油泵輸入轉(zhuǎn)速、切斷壓力和流量控制壓差等。本文仿真設計時，采用A10VG63EP4D1/10L-NTC10F001SP泵驅(qū)動提供油源給柱塞馬達AA2FM80/61W-VUDN027-S驅(qū)動清水泵，柱塞馬達：AA2FM80/61W-VUDN027-S。

噴射泵系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，即回路中由一個變量泵直接驅(qū)動一個定量馬達的傳動，采用兩點控制，帶開關電磁鐵方式。操作面板上噴射泵開關通過RC6 微處理器使泵最大排量實現(xiàn)馬達最高轉(zhuǎn)速，執(zhí)行元件參數(shù)考慮噴射離心泵、功率、額定壓力、額定轉(zhuǎn)速、最大排量、柱塞泵、油泵輸入轉(zhuǎn)速、切斷壓力和流量控制壓差等。本文仿真設計時，采用A4VG56EZ2DM1/32LNSC02F001 泵驅(qū)動提供油源給柱塞馬達A2FM56/61W-VAB027 驅(qū)動噴射泵，柱塞馬達：A2FM56/61WVAB027。

排出離心泵系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，即回路中由一個變量泵直接驅(qū)動一個定量馬達的傳動，其調(diào)速方式采用電比例控制。操作面板上的排出泵調(diào)速電位計旋鈕，通過RC 微處理器同時輸出1 個PWM 輸出可將軸向柱塞泵的排量精確地調(diào)定所希望的輸出值，執(zhí)行元件參數(shù)考慮排出離心泵、最大排量、功率、轉(zhuǎn)速、額定壓力、柱塞泵、油泵輸入轉(zhuǎn)速、切斷壓力和流量控制壓差。本文仿真設計時，采用和噴射泵系統(tǒng)一樣的動力源。

混配車輔助系統(tǒng)包括上料、攪拌、液添、送料和破拱等元件，由2 組閉芯高壓負載敏感多路閥系統(tǒng)組成，其性能是與負載無關，可無級調(diào)節(jié)液壓執(zhí)行元件的運動速度，多個執(zhí)行元件同時獨立地進行工作，相互間完全不受影響，控制精度高。

4 結(jié)論

本文主要介紹了設計和制造新型石油鉆采專用智能壓裂液混配車控制系統(tǒng)的過程。首先，根據(jù)石油鉆采的特殊需求，確定了設備的功能和性能指標，設計了相應的系統(tǒng)方案，并選取了合適的硬件和軟件組件。然后，通過對每個組件的編程和調(diào)試，完成了整個系統(tǒng)的集成和測試。最后，進行了實際的現(xiàn)場測試和調(diào)試，驗證了設備的優(yōu)良性能。

通過對該套控制系統(tǒng)的混配車的分析和評價，可以得出以下結(jié)論。

設備具備了精準測量、高效混配、自動化控制等多種功能，能夠滿足石油鉆采領域的復雜需求。

設備使用了先進的硬件和軟件組件，具有高性能和可擴展性。

設備采用了智能控制技術，能夠自動調(diào)整配比，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

設備的壓裂液混配效果和穩(wěn)定性令人滿意。

該設備的研發(fā)具有一定的實用性和推廣價值。

綜上所述，新型石油鉆采專用智能壓裂液混配設備的設計和制造是一項有價值的工作，其將為石油鉆采領域的自動化生產(chǎn)提供有力支持，具有廣闊的應用前景和市場空間，是石油勘探開采領域的重要裝備，相關技術和產(chǎn)品的研發(fā)將會有著巨大的市場需求和發(fā)展?jié)摿Α?/p>