毛玉蓉

(長江大學電子信息學院，湖北 荊州 434023)

在油田壓裂機組中，混砂裝備在壓裂施工中按一定的比例和程序輸砂和混砂，并把這些不同砂比(砂液濃度)、不同粘度的壓裂砂液低壓泵送給壓裂裝備。它的工作性能將影響到整個壓裂施工的成敗，是壓裂施工現(xiàn)場非常關鍵的設備之一。因此在設計混砂車時,既要考慮設備的耐用性、可靠性,又要顧及到它較大的處理量，液、砂量應分別自由控制和計量,含砂比要盡可能高[1]。

通過詳細調研，對國內、外的混砂控制系統(tǒng)進行了分析對比，發(fā)現(xiàn)國內混砂控制系統(tǒng)和國外部分混砂系統(tǒng)存在的問題主要體現(xiàn)在：液位不能精確控制，當施工排量發(fā)生變化時容易發(fā)生抽空和漫罐，操作人員需要時刻觀察和調整液位；砂比響應速度不能滿足復雜施工響應速度的需要；無法滿足壓裂作業(yè)工藝要求，控制系統(tǒng)覆蓋不全面。

基于以上問題，筆者研制的混砂自動控制系統(tǒng)需要完成：系統(tǒng)建模分析，采用先進控制算法提高控制響應速度和精確性；分析壓裂工藝要求，完善控制范圍；參與壓裂機組整體網(wǎng)絡通信和控制。在此，筆者將重點進行混砂設備液位自動控制算法的研究。

1 混砂設備液位自動控制系統(tǒng)結構設計①

混砂車的結構主要由傳動、供液和輸砂系統(tǒng)3部分組成[2]。其工作流程為：吸入泵(離心泵)向混砂罐提供清水，輸砂器向混砂罐提供干砂，液添泵向混砂罐提供膠聯(lián)劑(支撐劑)及干粉等，經混砂罐內攪拌器充分攪拌后，由砂泵(離心泵)從罐內吸出排入壓裂車的柱塞泵吸入端。此過程為連續(xù)動態(tài)過程，所有執(zhí)行均為液壓驅動，并可無級變速，在手動控制或自動控制方式下實現(xiàn)各種介質按比例、排量的混合液排出。

在進行液位自動控制前，操作員需要頻繁調節(jié)吸入流量以維持液位的穩(wěn)定(使吸入流量與排出流量保持一致)。本液位自動控制系統(tǒng)使壓裂混砂作業(yè)的操作更為簡單，根據(jù)系統(tǒng)的工作特點，要求系統(tǒng)能夠自動采集吸入流量、吸入閥閥位和混砂罐內液體的實際液位。根據(jù)實際液位、設定液位得出達到當前設定液位的吸入流量；根據(jù)計算值控制吸入泵轉速、吸入閥開啟度；通過控制吸入流量來控制混砂罐液位。

液位控制系統(tǒng)由流量計、超聲波液位計、計算機、吸入泵驅動板和手動控制組成，其組成框圖如圖1所示。工作時，通過液位計將實時檢測到的液面信號反饋給PLC，PLC將檢測的液位與施工作業(yè)設定數(shù)據(jù)進行比較，輸出控制信號給吸入泵驅動電路板，從而調節(jié)吸入泵轉速，維持液面高度的穩(wěn)定，實現(xiàn)液面自動調節(jié)。

圖1 液位控制系統(tǒng)組成框圖

檢測信號的精度決定了整個控制系統(tǒng)的精度。因此基于混砂工藝特點的信號采集和測量方式的確定非常重要，對傳感器的檢測精度及抗干擾性等要求也相應地提高。混砂車液位計的液位檢測傳感器一般采用超聲波液位計，根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，選用雷達液位計，相比較于超聲波液位計，抗干擾性好，適用于含有泡沫的介質液位測量。雷達液位計對液位的檢測主要是依靠一定頻率的電磁脈沖以光速v沿著鋼纜傳播，當電磁波遇到被測介質的表面發(fā)生反射，在電磁波發(fā)射處接收所形成的回波。記錄在電磁波發(fā)射到接收的時間t，電磁脈沖發(fā)射點與介質表面的距離d與該時間成正比，依據(jù)d=vt/2這一關系，在微處理器中自動計算得到液位的高度。

根據(jù)需要，混砂液吸入流量計選用渦輪流量計。將設定的混合液液位作為設定值并轉換為數(shù)字量，采集的實際液位經過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用PID指令進行控制，根據(jù)控制量輸出模擬量，經微處理器的控制輸出模塊輸出給外圍電路，再經過外圍電路放大及濾波等處理，輸出給執(zhí)行機構——泵，來調整基液的流量。為使響應迅速，在人機界面上設定最低液位上、下限值和最高液位上、下限值。當測量液位達到最低液位下限時，基液流量控制直接為最大值，直到測量液位恢復到設定最低液位上限，再采用PID控制；當測量液位達到最高液位上限時，基液流量控制為最小，直到測量液位恢復到設定最大液位下限，再采用PID控制。

2 混砂作業(yè)液位控制算法研究

2.1 液位對象特性分析

液位控制是工業(yè)中常見的過程控制，其中單容液位控制系統(tǒng)具有非線性、滯后及耦合等特征，能夠很好地模擬工業(yè)過程特征。對于液位控制系統(tǒng)，常規(guī)的PID控制一般采用固定的調整參數(shù)，不能保證控制系統(tǒng)的自適應性，當系統(tǒng)的參數(shù)發(fā)生變化或者工作條件發(fā)生變化時，均得不到理想的控制效果。而模糊控制對系統(tǒng)的具體模型要求不高，并且具有對參數(shù)變化不敏感及魯棒性強等特點，但控制精度不太理想。如果將模糊控制和傳統(tǒng)的PID控制有效結合，用模糊控制理論來整定PID控制器的比例、積分、微分參數(shù)，能更好地適應控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和工作條件的變化。

2.2 控制算法的研究

使用液位自動控制系統(tǒng)，開始時液位控制處于手動控制狀態(tài)，實際液位接近設定液位后再將其設置為自動控制狀態(tài)，液位能很快被控制在設定的范圍內?；焐白鳂I(yè)過程中，操作員可根據(jù)需要將液位設置為手動控制或自動控制，通常應該設置為自動控制狀態(tài)。控制框圖如圖2所示。操作員在作業(yè)開始前設置一個設定液位[3](通常該液位設定后就不需要更改)，與混砂罐出口液位進行比對，利用控制器調整泵的流量。在系統(tǒng)控制中，采用雙閉環(huán)反饋控制，分別為液位反饋和流量反饋，達到快速調整液位的目的。

圖2 液位控制系統(tǒng)框圖

2.3 控制系統(tǒng)仿真與結論分析

圖3給出了液位控制系統(tǒng)仿真結構圖，在Matlab/Simulink中進行了動態(tài)仿真，圖4是仿真結果。表明液位控制算法跟蹤快，超調量小。

3 系統(tǒng)測試

為了驗證算法的可行性，對系統(tǒng)分別進行了室內測試和工業(yè)測試，選用Logix5550控制器，采集來自現(xiàn)場的各類工藝過程數(shù)據(jù)，經處理、運算后，將檢測信號送至操作站進行監(jiān)視，將控制信號送至現(xiàn)場。

圖3 液位控制系統(tǒng)仿真結構

圖4 液位控制算法仿真結果

圖5 混砂車液位自動控制系統(tǒng)室內測試流程

室內測試流程如圖5所示，主要通過調節(jié)吸入泵轉速和吸入閥開啟度控制吸入流量從而控制液位。測試數(shù)據(jù)如圖6所示，控制系統(tǒng)能較快地控制液位平穩(wěn)。工業(yè)測試的控制程序梯形圖如圖7所示。

通過室內測試和工業(yè)測試，表明混砂控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制算法運行正確，精度高，保證了壓裂系統(tǒng)的正常運行。

圖6 室內測試數(shù)據(jù)

4 結束語

混砂車的液位控制能夠按設定配比將基液、液態(tài)和干粉狀添加劑、支撐劑混合成混合液并送入井下，能夠設定混合液液位，根據(jù)超聲波液位計采集到的實時液位信號調節(jié)基液流量，并在作業(yè)過程中使混合罐的液位保持在設定高度。根據(jù)設定的添加劑配比和采集的基液實時流量計算出設定的添加劑流量，并根據(jù)采集的實時添加劑流量，以模糊PID控制方式自動調節(jié)各種添加劑的流量。液位控制系統(tǒng)最大的特點是：能根據(jù)液位實時地調整基液流量，控制液位在設定的液位，保證不抽空、不漫罐。經過現(xiàn)場的應用情況反饋，表明筆者設計的控制算法能夠滿足系統(tǒng)要求。

圖7 混砂車液位控制程序梯形圖