CN208796077U - 一种应用于钻塞泵注的控制系统 - Google Patents

Abstract

一种应用于钻塞泵注的控制系统，电控装置包括：井场电网、1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器、干添变频器、液添变频器；井场电网用于对整个控制系统供电；控制装置包括：主CPU；主CPU用于接收外界指令，并控制1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，从而控制1#泵变频电机、2#泵变频电机的转速实现排量的控制，主CPU通过控制干添变频器、液添变频器，从而控制干添电机、液添电机的启动、停止和调速，实现对干添、液添加入料量的控制。本实用新型可实现从高压电网接入电能，通过控制系统电机运转，实现自动添料配比，自动泵注，同时实现本地控制箱、电控房、手持式可移动设备三种控制方式。

Description

一种应用于钻塞泵注的控制系统

技术领域

本实用新型涉及到石油机械和修井与完井作业设备领域，尤其涉及到一种钻塞泵注的自动控制系统。

背景技术

对于现在的配混系统配液存在如下问题：人工加入化学品计量不准确，作业条件恶劣，操作强度大，存在一定的环境污染，易导致人力物力浪费；配液和泵送环节单一分开，供水系统、搅拌系统、混浆系统和注入系统相对独立自动化程度低，无法实现联动协同调整、连续混配和即混即注功能。

随着页岩气开发规模的逐渐扩大和深入，各装备公司从设备的便捷性和集成性出发，通过对现有现场作业流程的分析优化，提出了一种可实现多种添加剂精确添加、钻塞液连续混配、钻塞液即混即注的钻塞液循环泵送的工作流程。为了实现以上工艺的要求，有必要设计一种控制方法和装置。

从环保、节能角度出发，立足于现在油田发达的电网结构，使用纯电动驱动设备已成为一种趋势。采用油田高压电网作为电源，去除了现场柴油机化石燃料燃烧的大气污染，同时，以成熟的交流变频驱动方式代替发动机+传动箱的传统方式，不但提高了能源效率，而且减低了噪音，提升了整体的设备控制性能。控制系统通过重量、流量、温度、液位等传感器反馈，加上程序算法的运行，实现对变频器、电磁阀等执行机构的调节。从而分别实现液体添加精确控制、干料添加精确控制、泵出系统的精确控制以及基于比例设定的全流程自动控制。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种应用于钻塞泵注的控制系统，其目的在于通过设计一套电控装置，实现从高压电网接入电能，通过配电、整流和逆变传动系统驱动两台主大泵电机运行，并通过控制系统电机运转，实现自动添料配比，自动泵注。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种应用于钻塞泵注的控制系统，其特征在于：该控制系统包括：电控装置和控制装置，其中电控装置包括：井场电网、1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器、干添变频器、液添变频器；井场电网用于对整个控制系统供电；控制装置包括：主CPU；主CPU用于接收外界指令，并控制1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，从而控制1#泵变频电机7、2#泵变频电机8的转速实现排量的控制，主CPU通过控制干添变频器、液添变频器，从而控制干添电机5、干添电机6的启动、停止和调速，实现对干添、液添加入料量的控制。

电控装置还包括：中压开关柜1、电力变压器2、温度控制器、低压开关柜3、发电机电源、发电机控制柜4、低压配电柜、PWM整流器；中压开关柜1与井场电网连接，用于接收中压电网电源，并对后端变压器提供保护；电力变压器2用于将中压电网电源降压到塞泵注设备所需要的600V低压电；温度控制器用于检测变压器在线温度并发出控制指令实现对变压器的保护；低压开关柜3与电力变压器2低压侧连接，用于接收变压器降压后的低压电，并对低压回路提供保护，同时在线监控低压母线各种参数；PWM整流器与低压开关柜3和发电机控制柜4互锁后输出的交流母线连接，实现网侧电流波形正弦化，同时实现变频电机在发电状态下把多余电能反馈回电网。

控制装置还包括：交换机、DI/DO模块、AI/AO模块、集线分线器、DI/DO模块、远程站，主CPU通过背板数据总线连接DI/DO模块，接收控制信号，同时主CPU还与AI/AO模块实现总线连接，接收来自控制箱的手柄信号和现场的传感器信号，主CPU通过DP总线连接集线分线器并中转实现与远程站的数据通讯，同时远程控制站通过DP总线分别连接干添变频器和液添变频器，分别实现对两个电机的调速控制，从而完成对液体和干料添加量的流量控制。主CPU通过集线分线器与PWM整流器连接，PWM整流器通过DP通讯，分别连接1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，远程站通过背板总线连接DI/DO模块，实现与电气部分的数据交换。

主CPU通过以太网与交换机连接，分别与本地触摸屏连接，手持式操作屏通过无线WIFI与无线路由器相连，再通过以太网与交换机连接；主CPU通过集线分线器与电控房触摸屏连接，实现本地控制箱、电控房、手持式可移动设备三种控制方式。

本实用新型的积极效果为：

1、本实用新型的三种控制方式可以灵活选择，极大方便了操作者和监控者，全面覆盖的多流程控制，使整个系统控制精确便捷。

2、本实用新型通过对输出的清水、液添、干添和排出流量的数据采集反馈，以及对中间缓冲罐液位的信号采集整理运算，可实现只设定关键参数后的全流程自动控制作业功能。

3、实现了钻塞泵注系统的整个流程完整的数据采集、显示和报警功能，具备了作业数据的历史记录，便于用户查看。

4、基于良好的变频调速控制技术和电机驱动技术，实现了微小排量下的压力逼近测试保压功能。

5、利用油田高压网电接入，通过变频调速系统带动变频电机的驱动方式取代常规柴油机和变速箱的方式，提高效率、提升效益和控制性能、降低污染。

附图说明

图1为本实用新型控制结构图；

图2为控制系统控制逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体实施方式。

电控装置：中压开关柜1与井场电网连接，井场电网选择3.3KV以上中压电网，电力变压器2高压侧与中压电网连接，变压器低压侧将中压电网电源降压到橇装泵所需要的600V低压电后与低压开关柜连接，发电机控制柜4与发电机组连接，并与低压开关柜3进行电气互锁，低压回路提供过载、过压、短路等保护，也对低压母线的电压、电流、功率、电能等参数进行在线监控。PWM整流器与低压开关柜和发电机控制柜互锁后输出的交流母线连接，既可实现网侧电流波形正弦化，有效地抑制了电网的谐波污染，又可实现电动机在发电状态下把多余电能反馈回电网。1号泵逆变器和2号泵逆变器都与PWM整流器输出的直流母线侧连接，1#泵变频逆变器输出交流侧与1号泵电机连接，2#泵变频逆变器输出交流侧与2号泵电机连接。

控制系统：主CPU通过背板数据总线连接DI/DO模块，接收来自控制箱的开关量控制信号，输出电磁阀控制信号和报警显示信号。同时主CPU还与AI/AO模块实现总线连接，接收来自控制箱的手柄信号和现场的传感器信号，包括称重信号、清水流量信号、排出流量信号、混合罐真空度信号、中间罐液位信号、润滑压力信号、润滑温度信号、左右大泵压力信号。主CPU通过以太网与交换机相连，本地触摸屏同样通过以太网连接交换机，实现与主CPU之间的数据交换，无线路由器通过以太网连接交换机，发布无线信号，实现远程手持式设备与主CPU之间的数据交换。主CPU通过profibus-dp总线连接集线分线器并中转实现与远程控制站的数据通讯，主CPU通过profibus-dp总线连接集线分线器并中转与电控房触摸屏实现数据通讯，同时远程控制站通过profibus-dp总线分别连接干添变频器和液添变频器，分别实现对两个电机的调速控制，从而完成对液体和干料添加量的流量控制。主CPU通过集线分线器实现与1号大泵变频器和2号大泵变频器的profibus-dp总线通讯，通过对两台大泵变频电机的调速从而实现对1/2号大泵排量的控制。远程控制站通过背板总线连接DI/DO模块，实现与电气部分的数据交换，包括急停、维修、风机、油泵、风压、运行等信号。

本实用新型的系统设置有三地控制方式，分别为本地控制、电控房远程控制、手持式可移动设备控制，并且每种控制方式均可设置三种控制模式分别为：自动控制模式、手动控制模式和测试模式，按照设备流程划分为四种控制流程：干添控制流程、液添控制流程、1/2号大泵控制流程、自动控制流程和试压控制流程。自动控制流程界面，有干添比例输入、液添比例输入、给定排量输入，布置有各个变频调速系统的启动和停止按钮。试压流程界面，有试压压力设定、试压时间设定、保压时间显示，具备一键启动试压功能，并具有实时的压力显示。

以下结合附图1-2对本实用新型的控制流程具体说明，由于篇幅有限仅以本地控制箱操作为例，电控房远程控制、手持式可移动设备控制只是指令输入方式有差别，其具体的的控制原理和控制过程是一致的。

干添控制：在本地控制箱操作面板设置屏控命令信号，传输到DI/DO模块，并通过背板总线输入主CPU，本地触摸屏控制有效，通过触摸屏参数设置界面设定干添比例，称重传感器通过AI/AO模块将重量数据输入主CPU，进行比较后做判断是否允许进行下一步操作。清水流量传感器通过AI/AO模块将清水流量数据输入主CPU，主CPU经过程序计算得到需要的干添流量，主CPU通过profibus-dp总线通讯把电机启动命令和速度主设定值给电控装置内干添变频器，控制干添变频器的启动使能和停止，通过对干添变频器内功率模块的调节来调节干添电机5从而带动干添泵运行。主CPU把AI/AO模块采集到的称重传感器信号计算，并与理论流量进行比较，设置死区范围，通过闭环控制，实现对干添精确的添加控制。

液添控制：通过触摸屏参数设置界面设定液添比例，清水流量传感器通过AI/AO模块将清水流量数据输入主CPU，主CPU经过程序计算得到需要的液添流量，进而转换为电机转速给定值。主CPU通过profibus-dp总线通讯把电机启动命令和速度主设定值给电控装置内的液添变频器，控制液添变频器的启动使能和停止，通过对液添变频器内功率模块的调节来调节液添电机6从而带动干液添泵运行。主CPU把AI/AO模块采集到的液添流量传感器信号计算，并与理论流量进行比较，设置死区范围，通过闭环控制，实现对液添精确的添加控制。

大泵控制：选择触摸屏手动控制界面，按下灌注泵启动按钮，启动信号通过以太网输入主CPU,经过程序判断，主CPU将启动命令通过profibus-dp总线通讯传输至远程站，远程站通过DI/DO模块将启动命令传输至电控装置内的电气控制回路完成灌注泵启动。同时主CPU通过profibus-dp总线通讯采集远程站的灌注泵运行命令。按下1、2号大泵启动按钮，大泵启动信号通过以太网输入主CPU,经程序判断（与在电控装置内采集的风压、急停、检修、超压比较），主CPU通过profibus-dp总线通讯传输风机和润滑油泵启动命令给远程站，远程站通过DI/DO模块输出命令到电控装置内各电气回路完成风机、润滑油泵启动。通过触摸屏设定输出排量，排量数据通过以太网传输给主CPU，经过程序计算，主CPU将大泵启动命令和主给定值通过profibus-dp总线通讯传输给电控装置内的PWM整流器和1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，实现对大泵电机的启动和调速。同时，1、2号大泵压力传感器实时监测压力信号通过AI/AO模块输入主CPU在程序中进行比较，实现超压保护功能。主CPU把AI/AO模块采集到的大泵排量传感器信号计算，并与理论流量进行比较，设置死区范围，通过闭环控制，实现对排量精确控制。

自动控制：选择触摸屏自动控制界面，设定输出排量、干添比例、液添比例，数据通过以太网传输给主CPU。主CPU同时收集来自于AI/AO模块采集的清水流量、液添流量、干添流程、排除流量、液位高度和混合真空度数据，在程序内进行计算，并由主CPU根据各参数计算结果。分别实现通过AI/AO模块调节清水比例阀，通过profibus-dp总线通讯分别控制电控装置内的干添、液添、1或2#泵变频逆变器和PWM整流器的主回路动作和调速，控制1#泵变频电机7、2#泵变频电机8，从而实现综合中间缓冲罐液位、输出排量、输入流量的全面自动控制。

试压控制：选择触摸屏测试界面，设定测试压力，数据通过以太网传输给主CPU，经过程序计算，点下测试开始按钮，主CPU通过AI/AO模块传输给清水电磁阀比例信号开启，并通过profibus-dp总线通讯把启动命令和速度主设定值传输给点控制装置内的1或2号大泵变频器运行。1或2号大泵压力信号经AI/AO模块输入主CPU，经过与设定测试压力的不断比较，设定程序通过profibus-dp总线通讯不断调节电控装置内的1或2#泵变频逆变器设定值来逼近测试压力，并保压规定时间。

Claims (4)

1.一种应用于钻塞泵注的控制系统，其特征在于：该控制系统包括：电控装置和控制装置，其中电控装置包括：井场电网、1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器、干添变频器、液添变频器；井场电网用于对整个控制系统供电；控制装置包括：主CPU；主CPU用于接收外界指令，并控制1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，从而控制1#泵变频电机、2#泵变频电机的转速实现排量的控制，主CPU通过控制干添变频器、液添变频器，从而控制干添电机、液添电机的启动、停止和调速，实现对干添、液添加入料量的控制。

2.根据权利要求1所述的一种应用于钻塞泵注的控制系统，其特征在于：电控装置还包括：中压开关柜、电力变压器、温度控制器、低压开关柜、发电机电源、发电机控制柜、低压配电柜、PWM整流器；中压开关柜与井场电网连接，用于接收中压电网电源，并对后端变压器提供保护；电力变压器用于将中压电网电源降压到塞泵注设备所需要的600V低压电；温度控制器用于检测变压器在线温度并发出控制指令实现对变压器的保护；低压开关柜与电力变压器低压侧连接，用于接收变压器降压后的低压电，并对低压回路提供保护，同时在线监控低压母线；PWM整流器与低压开关柜和发电机控制柜互锁后输出的交流母线连接，实现网侧电流波形正弦化，同时实现变频电机在发电状态下把多余电能反馈回电网。

3.根据权利要求1或2所述的一种应用于钻塞泵注的控制系统，其特征在于：控制装置还包括：交换机、DI/DO模块、AI/AO模块、集线分线器、DI/DO模块、远程站，主CPU通过背板数据总线连接DI/DO模块，接收控制信号，同时主CPU还与AI/AO模块实现总线连接，接收来自控制箱的手柄信号和现场的传感器信号，主CPU通过DP总线连接集线分线器并中转实现与远程站的数据通讯，同时远程控制站通过DP总线分别连接干添变频器和液添变频器，分别实现对两个电机的调速控制，从而完成对液体和干料添加量的流量控制，主CPU通过集线分线器与PWM整流器连接，PWM整流器通过DP通讯，分别连接1#泵变频逆变器、2#泵变频逆变器，远程站通过背板总线连接DI/DO模块，实现与电气部分的数据交换。

4.根据权利要求3所述的一种应用于钻塞泵注的控制系统，其特征在于：主CPU通过以太网与交换机连接，分别与本地触摸屏连接，手持式操作屏通过无线WIFI与无线路由器相连，再通过以太网与交换机连接；主CPU通过集线分线器与电控房触摸屏连接，实现本地控制箱、电控房、手持式可移动设备三种控制方式。