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隨著國內外能源開采進入中后期，壓裂作為油田的主要增產措施〔1〕。壓裂技術開始廣泛應用到頁巖氣和水平井等非常規油氣的開采中〔2〕。壓裂液配制也從固定配液點轉向壓裂現場連續混配，進入了工廠化壓裂階段。壓裂液由壓裂液基液和支撐劑組成〔3〕。支撐劑起支撐裂縫的作用，其質量決定了壓裂效果的成敗。連續輸砂工藝和技術是隨著大型壓裂工藝發展而產生的新技術和新工藝，現有砂罐車方案不能滿足大量連續要求，以及精確控制要求。因此目前缺少成熟的裝備和技術，北京礦冶研究總院開發出移動時連續輸砂裝置。本文針對該新型輸沙裝置，介紹控制系統的組成。在工廠化壓裂施工過程中〔4-6〕，支撐劑通過連續輸砂裝置將其輸送到混砂車，實現壓裂液配制。連續輸砂裝置輸砂精度及系統穩定性，直接影響壓裂施工成敗，其智能控制系統是所有的控制核心〔7〕，在施工中起著決定性作用。

1連續輸砂裝置基本原理

1．1連續輸砂裝置工藝流程及輸送基本原理支撐劑輸送可采用皮帶機輸送和螺旋輸送兩種方式。但與皮帶機相比，螺旋輸砂具有能效比低、計量精度差、同功率下輸送量小等缺點。因此，選用變頻皮帶機和精密下砂裝置聯合輸砂，通過設置電子稱量裝置實時采集砂量監測數據，由可編程控制器自動控制皮帶輸送速度以調節輸砂量，從而滿足加砂工藝要求。設計出滿足高效連續自動輸砂要求的工藝流程，如圖1所示。連續輸砂裝置適用于松散干濕物料、顆粒物料。輸送原理:利用一根封閉的環形帶，繞在相距一定距離的2個鼓輪上，帶由主動輪帶動運行，壓裂支撐劑在帶上靠摩擦力隨帶前進，到另一端卸砂。連續輸砂裝置在輸送末端設置有砂量在線計量裝置，該計量裝置實時計量連續輸砂裝置累計輸砂量，并在二次儀表實時顯示。連續輸砂裝置采用槽形托輥結構，并設置密封罩體，適用于野外壓裂作業環境。連續輸砂裝置輸送結構如圖2所示。

1.2輸送系統數學模型連續輸砂裝置是連續輸散狀陶粒、石英砂等支撐劑的設備，支撐劑在皮帶輸送線上計量精度的控制一直是控制的難題，直接影響著壓裂液質量。通過建立連續輸砂裝置輸送系統的數學模型，實現對實際的物料流動態計量具有重要的研究意義。1)時間輸送量數學模型皮帶輸送壓裂支撐劑動態計量時，每單位長度的石英砂的質量q(N/m)和皮帶同一時間點的速度v(m/s)，得到砂量的瞬時流量q•v(N/s)，在一段時間T內的砂量計算可表示為時間積分法數學模型。2)積分法數學模型輸砂裝置在開始輸送時，輸砂裝置上長度為L1的一段有石英砂物料，L2和L3無石英砂。其砂量分布如圖3所示。

2連續輸砂裝置智能控制系統設計

2.1連續輸砂控制系統硬件連續輸砂裝置模糊控制系統由控制器(含有開發好的模糊控制算法軟件的計算機或由專用集成電路構成的模糊控制芯片)、輸入輸出接口(如A/D、D/A轉換裝置)、執行機構(如伺服電動機、閥門、開關等)、被控對象(如機械設備、機器人等)和測量裝置(例如溫度和壓力傳感器、數碼盤等)這五個環節組成。二維模糊控制器的兩個輸入變量基本上都選用受控變量和輸入給定的誤差量E和誤差變化量EC，由于它們能夠較嚴格地反映受控過程中輸出變量的動態特性，因此，在控制效果上要比一維模糊控制器好得多，也是目前采用較廣泛的一類模糊控制器。其控制流程如圖4所示。連續輸砂控制系統是采用模糊控制技術，在連續輸送過程中，輸砂總量、輸砂速度、砂比等輸砂參數通過人工從觸摸屏輸入到PLC中。PLC通過模糊控制算法計算出皮帶電機運行頻率數值，通過I/O模塊向輸砂裝置發出指令，同時接受電子稱量系統反饋信號，在線檢測整個系統的運行狀態和工作模式。輸送的砂粒在連續輸砂稱量裝置上，將現場顯示輸砂量，同時將4～20mA信號輸送到模擬采集模塊，PLC對比輸出數值和反饋接收數值，判別誤差大小，從而調整變頻器工作頻率，保證輸砂速度滿足設定要求。其模糊控制器采用PLC模糊控制模塊，工控機實現整個系統的數據存儲和分析。整個控制系統結構框圖如圖5所示。1)PLC控制系統硬件部分根據連續輸砂工藝的特點及計量要求，選用了日本歐姆龍CJ2M-CPU33PLC作為本控制系統的主控制器，采用模塊式結構和遠程I/O通訊技術，實現整個控制系統邏輯和數字運算。2)上位機硬件部分連續輸砂裝置上位機采用日本歐姆龍觸摸NS12-TV01-ECV2作為人機界面，數據庫管理采用研華工控機IPC-610H實現數據處理分析。

2.2組態設置系統組態主要包括:通信組態、數字量或模擬量輸入濾波設置、人機界面配置、設置密碼和后臺通信時間等內容，系統組態設置主要在引導條中的“系統塊”〔8-9〕中進行。1)模擬量輸入濾波在模擬量輸入信號變化緩慢的場合，可以對不同的模擬量輸入選擇軟件濾波。濾波后的值是預選采樣次數的各次模擬量輸入的平均值。系統默認參數為:模擬量輸入點全部濾波。模擬量濾波功能不能用于用模擬量字傳遞數字量或報警信息的模塊。2)人機界面配置人機界面采用組態軟件開發，實時顯示輸砂設備運轉狀況，實現打滑、跑偏等故障的報警。具備完善的生產監控管理功能，可對系統運輸設備進行控制，并對主要環節及輔助環節的生產過程進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示。連續輸砂裝置人機監控畫面如圖6所示。3)密碼的設置OMRON人機界面的密碼保護功能提供5等級限制存儲器操作功能。各等級均需密碼即可使用的某些功能。只要輸入正確的密碼，用戶即可使用所有的CPU功能。默認等級是1級，對存取沒有限制，相當于關閉了密碼功能。系統采用CX-DESIGNER組態軟件組建的人機交互信息平臺，完成了對連續輸砂裝置單元的數據采集、數據分析、數據存儲，設備狀態監控、設備運行控制等功能，同時形成各類數據報表。

2.3輸送系統程序設計皮帶本身是一個彈性體，帶有負載時具有極大的慣性，皮帶起制動時，加速度越大，則皮帶的儲能越大，釋放這些能量會對輸送機部件帶來極大的應力，特別是在發生諧波共振時，會帶來嚴重后果，因此對皮帶速度控制要求較高，矢量控制適用于異步電機的調速控制，其矢量控制的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。模糊控制尤其適合于非線性、時變及純滯后系統的控制。因此本系統采用模糊控制。模糊控制程序涉及模糊集建立、隸屬度的判斷、模糊控制查詢表的建立。其程序設計關鍵是模糊控制查詢表的編寫。控制程序采用梯形圖語言進行編寫，TCMP(85)是OMRONCP1H型PLC的表比較指令，將模糊控制表結果輸入到D100～D669中，通過量化后的數據分別與對應的控制量比較，相同后找到其單元的輸出量，乘以量化因子輸出。當模糊表容量不大時候，此方法簡單易行，當模糊表容量較大時，此方法設計的程序十分冗長，占用大量內存。因此此系統采用基地址+偏移地址尋址的設計方法。實現模糊控制查詢表程序如圖7所示。控制系統采用HostLink通信協議實現上位機與PLC的通信。上位機以觸摸屏為人機交互界面實現輸砂裝置數據的監控。觸摸屏與PLC的CPU單元通信，觸摸屏具有優先權，將命令傳遞到PLC，PLC控制電氣驅動元器件，實現對現場設備控制，達到連續輸砂工藝要求。觸摸屏與PLC采用多點通信協議，以數據幀為單元進行數據交互。上位機(觸摸屏)與PLCHostLink單元的多點通信協議如圖8所示。多點通信時，單幀發送的最大數據塊為131個字符，多幀發送時中間幀的格式為:正文、FCS、分界符〔10〕。起始幀、中間幀的長度為131，結束幀的長度最多為131個字符，多幀發送時中間幀的格式為:正文、FCS、分界符。上位機和PLC通信時，雙方的通信參數(如節點地址、通信波特率、數據格式)應設置一致。PLC使用哪一個通信口，就在PLC對應的該通信口的系統設定區進行設置。系統通信參數設置見表1。

3生產運行結果

通過建立連續輸砂裝置試驗線，利用模糊控制系統對現場試驗數據進行采集，先用稱量裝置稱量石英砂質量，記錄質量作為標準數據。將稱量后的石英砂添加到連續輸砂裝置儲料倉內，啟動連續輸砂裝置，通過在線電子稱量數據采集系統采集輸砂量，然后進行精度計算。計算結果見表2。試驗表明，該裝置的智能控制系統的計量精度達到5%以內，比傳統的計量方式具有更高的精度。4結論1)針對工廠化壓裂連續輸砂裝置輸砂精度要求高、電磁環境惡劣、設備啟動轉矩大等特點，設計了一種基于歐姆龍CJ2MPLC的智能控制系統。2)連續輸砂智能控制系統既滿足工廠化壓裂施工過程中輸砂裝置輸送砂量精度控制的要求，又實現了系統的連續性和自動化，提高了輸砂裝置的輸送效率，降低了能耗，減輕了操作人員和管理人員的工作強度。3)通過人機界面、工控機、通訊模塊和以太網等，利用組態軟件組建的監控平臺，實現了遠程網絡監控，日常數據處理、存儲，具有數據查詢、報表打印、故障報警等功能。

作者：臺廣鋒 潘社衛 舒峰 盧亞平 單位：北京礦冶研究總院