婁洪亮

（中國石油大慶油田建設(shè)設(shè)計(jì)研究院計(jì)量?jī)x表室）

0 引言

杏北油田第四油礦六區(qū)八隊(duì)聚4-1和聚4-2注入站初始設(shè)計(jì)每站共12臺(tái)比例柱塞泵，每臺(tái)比例柱塞泵對(duì)應(yīng)3口注入井，于2013年10月份投產(chǎn)。由于比例柱塞泵為機(jī)械式往復(fù)泵，在高壓力、高強(qiáng)度條件下工作，經(jīng)常發(fā)生機(jī)械故障，影響對(duì)應(yīng)的3口井的注入，因此對(duì)工藝流程進(jìn)行了改造。每個(gè)注入站加裝了高壓匯管和低壓匯管，并將所有注入井都連接到高、低壓匯管上，以保證每口注入井都能夠連續(xù)運(yùn)行。原工藝流程示意圖見圖1。

圖1 原工藝流程示意圖

改造后工藝流程示意圖見圖2。

圖2 改造后工藝流程示意圖

由于不同的地層受注入介質(zhì)的影響會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)、膨脹、擴(kuò)散等現(xiàn)象。地層動(dòng)態(tài)變化連通井參數(shù)變化，以及油井開關(guān)井操作等原因會(huì)造成注采關(guān)系失衡，影響注入壓力，造成高、低壓匯管壓力經(jīng)常波動(dòng)。母液匯管壓力過高時(shí)，母液（聚合物）流經(jīng)設(shè)備及地層的剪切力增大，造成聚合物分子鏈斷裂，影響全局黏損；壓力過低時(shí)又無法保證母液注入量。比例柱塞泵的輸出量應(yīng)根據(jù)壓力變化進(jìn)行調(diào)節(jié)才能保證配注壓力穩(wěn)定。但是工藝流程加裝了高、低壓匯管后，原測(cè)控系統(tǒng)沒有對(duì)母液匯管壓力監(jiān)測(cè)及調(diào)節(jié)單元進(jìn)行相應(yīng)的自控改造，依舊靠操作人員反復(fù)手動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器來調(diào)整比例柱塞泵的輸出量。如果對(duì)每次預(yù)設(shè)值估計(jì)不準(zhǔn)確，壓力值響應(yīng)速度緩慢，調(diào)節(jié)不及時(shí)，則影響調(diào)控效果且人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對(duì)上述問題對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行改造，將變頻數(shù)據(jù)及高、低匯管壓力引入測(cè)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)母液匯管壓力，及時(shí)控制變頻器頻率來調(diào)整比例柱塞泵的輸出量，實(shí)現(xiàn)高、低壓匯管壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，解決壓力波動(dòng)問題，保證系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將壓力信號(hào)存入 PLC（可編程邏輯控制器）中，并引入 PID（比例-積分-微分）控制器，通過PID控制器將頻率值輸出至變頻器。設(shè)計(jì)原理為根據(jù)設(shè)定壓力與實(shí)際壓力的偏差e，將經(jīng)PID控制器調(diào)控的壓力波動(dòng)參數(shù)通過D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換成 4～20 mA的電流信號(hào)來調(diào)整變頻器頻率?？刂葡到y(tǒng)圖見圖3。

圖3 控制系統(tǒng)圖

2 PID控制器

2.1 PID算法

PID算法是通過PID控制器來調(diào)節(jié)控制量，保證偏差e為零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在過程控制中，按偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進(jìn)行控制的PID控制器（亦稱PID調(diào)節(jié)器）是應(yīng)用最為廣泛的一種自動(dòng)控制器。它具有原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，適用面廣，控制參數(shù)相互獨(dú)立，參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

PID 控制算式［1］：

式（1）中：M(t)——PID回路的輸出值，是偏差變量e的比例、積分和微分的函數(shù)；KC——PID回路的比例系數(shù)；e——PID回路的偏差，是設(shè)定量SP和實(shí)際壓力值PV的差；Mi——PID回路輸出的初始值；t——時(shí)間。

為了PLC能夠處理PID控制算式，式（1）的連續(xù)算式必須進(jìn)行離散化。離散化處理后，得到算式（2）：

式（2）中：Mn——在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值；TS——采樣時(shí)間間隔；TL——積分時(shí)間；TD——微分時(shí)間；SPn——第n采樣時(shí)刻的設(shè)定值；n——采樣時(shí)刻；PVn——第n采樣時(shí)刻的過程變量值；PVn-1——第n-1采樣時(shí)刻的過程變量值；MX——第n-1采樣時(shí)刻的積分項(xiàng)。

2.2 PID控制器的軟件設(shè)計(jì)

PID參數(shù)在上下位機(jī)之間互傳，二者通過TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）通訊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。上位機(jī)系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)集中管理功能，讀取PLC中各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并集中顯示，系統(tǒng)狀態(tài)一目了然，控制簡(jiǎn)單易懂。

上下位機(jī)都需要編程。上位機(jī)基于GE FanuciFIX 5.0及Factory Talk View SE 6.0軟件，完成數(shù)據(jù)管理與界面顯示；下位機(jī)基于GE PLC（Proficy Machine Edition6.5）及AB PLC（RSLogix5000v16），完成數(shù)據(jù)采集與控制［2］。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，設(shè)置了手動(dòng)與自動(dòng)變頻控制切換。當(dāng)實(shí)際壓力值與設(shè)定壓力值差值較大時(shí)，可先通過手動(dòng)設(shè)置調(diào)節(jié)頻率，直到壓力接近設(shè)定壓力值后再轉(zhuǎn)為自動(dòng)控制。手動(dòng)與自動(dòng)變頻控制切換節(jié)省匯管壓力調(diào)節(jié)時(shí)間，使控制更加靈活便捷。上位機(jī)顯示效果見圖4。

圖4 上位機(jī)顯示效果圖

測(cè)控系統(tǒng)改造后，在高、低壓匯管處安裝了壓力傳感器，高、低壓各選擇兩臺(tái)帶有變頻器的比例調(diào)節(jié)泵作為調(diào)節(jié)對(duì)象，新增AI（模擬量輸入）模塊、AO（模擬量輸出）模塊各一個(gè)。將壓力信號(hào)及變頻反饋信號(hào)（高壓、低壓信號(hào)及4臺(tái)變頻器的頻率反饋信號(hào)）引入AI模塊中，手動(dòng)、自動(dòng)設(shè)置的頻率值通過AO模塊輸出至變頻器。測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過PLC編程，將PID控制器上實(shí)際壓力值、壓力設(shè)定值及自動(dòng)狀態(tài)下頻率輸出、手動(dòng)狀態(tài)下頻率輸出一一對(duì)應(yīng)于PID算法中，偏差e=SPn-PV為設(shè)定壓力值與實(shí)際壓力值的差值；比例系數(shù)KC對(duì)應(yīng)PID模塊中的PGain項(xiàng)；積分系數(shù)TL對(duì)應(yīng)IGain項(xiàng)，微分時(shí)間TD對(duì)應(yīng)PID模塊中的DGain項(xiàng)。

KC越大，偏差減小越快，但很容易引起參數(shù)振蕩，尤其是在遲滯環(huán)節(jié)比較大的情況下；KC減小，發(fā)生振蕩的可能性減小，但調(diào)節(jié)速度變慢。積分控制可以克服單純的比例控制存在穩(wěn)態(tài)誤差不能消除的缺點(diǎn)。積分項(xiàng)會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。這一過程實(shí)質(zhì)上就是對(duì)偏差累計(jì)進(jìn)行控制，直至偏差為零。PID模塊部分參數(shù)見圖6。

圖6 PID模塊部分參數(shù)

微分項(xiàng)雖然能夠預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，但很容易放大高頻噪聲，從而使系統(tǒng)抑制干擾的能力下降，因此在PLC系統(tǒng)中，一般將微分項(xiàng)設(shè)置為零。

3 控制系統(tǒng)仿真

PID控制應(yīng)用廣泛，在比例負(fù)反饋的基礎(chǔ)上加入微分項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，加入積分項(xiàng)可實(shí)現(xiàn)無靜差。在MATLAB（高階語言和互動(dòng)式環(huán)境數(shù)值計(jì)算、視覺化和程式化設(shè)計(jì)軟件）環(huán)境下，通過 Simulink（模塊圖環(huán)境，用于多域仿真以及基于模型的設(shè)計(jì)）提供的模塊，對(duì)壓力控制系統(tǒng)的PID控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真［3］。

通過記錄多組數(shù)據(jù)反復(fù)試驗(yàn)與調(diào)試，使系統(tǒng)輸出達(dá)到穩(wěn)定，超調(diào)量與穩(wěn)態(tài)誤差都滿足了設(shè)計(jì)指標(biāo)，高、低匯管壓力能夠通過PID調(diào)節(jié)達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)誤差較小，達(dá)到了預(yù)期的要求。

某注入站給定一個(gè)壓力輸入值（13.2 MPa），調(diào)節(jié)PID控制高（低）壓匯管上兩臺(tái)變頻器的參數(shù)，穩(wěn)定注入壓力。從階躍響應(yīng)曲線圖7可知：當(dāng)兩臺(tái)變頻器都設(shè)置為自動(dòng)控制時(shí)，壓力在10～20 min達(dá)到13.2 MPa；當(dāng)采用手動(dòng)設(shè)置1臺(tái)變頻器參數(shù)，另1臺(tái)自動(dòng)控制時(shí)，壓力在20～30 min達(dá)到13.2 MPa；當(dāng)兩臺(tái)變頻器都為手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，壓力在50～60 min達(dá)到13.2 MPa。

圖7 控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線

壓力穩(wěn)定時(shí)間的長(zhǎng)短還與 PID參數(shù)的設(shè)定有關(guān)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，證實(shí)當(dāng)KC=5，TL=0.5時(shí)控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

根據(jù)注入站母液注入控制流程，分析工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了PID控制器程序和組態(tài)程序，建立了高、低壓母液匯管監(jiān)控系統(tǒng)。PID控制方法波動(dòng)小，通過優(yōu)化參數(shù)，控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，壓力調(diào)節(jié)過程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，解決了人工調(diào)控效果不佳且操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題。兩座注入站測(cè)控系統(tǒng)自 2014年改造后投用至今，操作人員已無需到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)調(diào)節(jié)，控制效果良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。