摘 要
本发明公开了一种固井装备自动混合控制系统。包括：人机界面、主控制器、电磁阀、旋转油缸、角位移传感器、密度计、雷达液位计、流量计。人机界面实时显示监控数据，并可进行相关操作，当进入相应作业模式时，人机界面将自动切换窗口；主控制器采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，保证系统的实时性，提升系统响应速度，有效的解析信号和计算数据；电磁阀控制旋转油缸，从而带动水阀和灰阀阀芯动作，实时精准定位；密度计反馈二次混浆回路中的液体密度，从而测量高能混合器中的流体密度；高频雷达液位计以脉冲信号检测混浆罐液面变化；流量计检测固井泵出口流量，传送模拟信号到主控制器。自动混合模式激活后，控制系统自动采集各数据并进行计算，提示用户最佳阀芯开度并启用二次自动整定进一步精准调节，用户据此高效作业，或可以随时进行手动操作。本发明采用高速数据处理芯片，实现双闭环控制策略，高频雷达检测及二次整定自动调节技术，极大提升了固井装备功能的自动化水平，控制系统自动调节控制参数，信号处理响应快、准确性高。
1 背景技术
固井车（或撬）是提高油气采收率的重要装备，在油气钻采开发中具有重要作用。自动控制系统是固井车（或撬）的关键组成部分，现有技术易导致响应速度慢、控制精度较低等问题。目前，混浆控制主要依靠操作者人工目测和凭经验判断最佳阀角开度，自动化水平低，系统运行不稳定，劳动效率低且作业效果不佳。
2 发明内容
本发明目的是提供一种固井装备自动混合控制系统，解决目前固井混浆功能响应速度慢、控制精度低、主要依靠人工判断最佳阀角开度，人为调节混合速度，控制系统自动化、智能化水平低等问题。本发明采用高速数据处理芯片，实现双闭环控制策略，高频雷达检测及二次自动整定技术，极大提升了固井作业装备的自动化水平，控制系统自动调节控制参数，信号处理响应快、准确性高。
本发明所采用的技术方案是：包括：人机界面、主控制器、电磁阀、旋转油缸、角位移传感器、密度计、雷达液位计、流量计。人机界面实时显示监控数据，并可进行相关操作，当进入相应作业模式时，人机界面将自动切换窗口；主控制器采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为控制元件，保证系统的实时性，提升系统响应速度，有效的解析信号和计算数据；电磁阀控制旋转油缸，从而带动水阀和灰阀阀芯动作，实时精准定位；密度计反馈二次混浆回路中的液体密度，从而测量高能混合器中的流体密度；高频雷达液位计以脉冲信号检测混浆罐液面变化；流量计检测固井泵出口流量，传送模拟信号到主控制器。自动混合模式激活后，控制系统自动采集各数据并进行计算，提示用户最佳阀芯开度并启用二次自动整定进一步精准调节，用户据此高效作业，或可以随时进行手动操作。
控制系统实现双闭环控制策略，包括：1）液位自动闭环控制：控制器根据雷达液位计测得的实际液位和设定液位偏差以及水阀角位移反馈信号，经程序计算自动调节清水阀输出，维持液位平稳。2）密度自动闭环控制：控制系统对三种变化做出自动响应：清水流量、设定密度及干灰传输能力；控制器根据以上数据和灰阀角位移计算增益，使泥浆密度保持在需求范围之内。
本发明的作用是：一种固井装备自动混合控制系统采用高速数据处理芯片，高频雷达检测及全自动控制技术，系统二次自动调节控制参数，信号处理响应快、准确性高，可以快速建立作业模式并自动计算出灰阀的最佳开启角度，从而有效提高作业效率。本发明提高了固井作业时的安全可靠性和劳动效率，切实提升了固压装备控制系统的自动化、智能化水平。
3 附图说明
图1 本发明的系统组成框图
图2 本发明的传感器布局示意图
图中，1—人机界面、2—硬件测控操作盘、3—发动机液压系统、4—变速箱液压系统、5—水阀角位移传感器、6—水电磁阀、7—水旋转油缸、8—水阀、9—密度计、10—灰阀、11—灰旋转油缸、12—灰电磁阀、13—灰阀角位移传感器、14—雷达液位计、15—流量计、16—主控制器。
4 具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明公开了一种固井装备自动混合控制系统。包括：人机界面（1），硬件测控操作盘（2），发动机液压系统（3），变速箱液压系统（4），水阀角位移传感器（5），水电磁阀（6），水旋转油缸（7），水阀（8），密度计（9），灰阀（10），灰旋转油缸（11），灰电磁阀（12），灰阀角位移传感器（13），雷达液位计（14），流量计（15），主控制器（16）。
本发明的系统组成和工作原理是：人机界面（1）包括触摸屏以及混合泥浆的控制手柄、旋钮开关等，显示或操作固井车（或撬）的各项参数；主控制器（16）采用具有高速周期处理速度的数字信号处理器DSP作为核心元件，通过网络通信接口与其它压裂设备的主控制器进行数据交换，充分确保信号采集、处理和传输的高速性；发动机液压系统（3）、变速箱液压系统（4）与主控制器（16）相连，角位移传感器（5、13）与旋转油缸（7、11）相连，水电磁阀（6、12）接收主控制器（16）指令驱动旋转油缸（7、11）运动，角位移传感器（5、13）采集信号反馈给主控制器（16），形成闭环控制；高频雷达液位计（14）以脉冲信号检测液位变化，并将信号实时传送给与主控制器（16）；密度计（9）安装于二次混浆循环回路中，与主控制器（16）相连，检测高能混合器中的液体密度并实时反馈；流量计（15）安装于固井泵出口处，与主控制器（16）相连，检测固井液流量。
5 实施流程
第一步，启动系统。系统上电，由硬件测控操作盘（2）和人机界面（1）操作发动机液压系统（3）和变速箱液压系统（4），使阀组打开，进而启动发动机、变速箱、固井泵等设备。监测各仪表和传感器数值，确保系统正常。
第二步，作业模式选择。作业过程主要控制灰阀开度进而调整进灰量完成泥浆混合，泥浆密度值可以无限接近密度期望值。根据实际工况在人机界面中选择泥浆混合作业模式，分为手动混合模式和自动混合模式。
手动模式下，通过操作盘2上的手柄直接控制水电磁阀YV1和灰电磁阀YV2，按照手柄输入信号直接控制旋转油缸开度，主控制器（16）中的软件不经过PID算法程序块。手柄输入（4~20）mA信号，4mA表示电磁阀正向（打开）最快，20mA表示电磁阀反向（关闭）最快。需要增加灰量，则正向推手柄，施加（12~20）mA电流，需要减少灰量，则反向拉手柄，产生（4~12）mA电流，保持稳定时自动施加12mA加减一个幅值1mA的正弦信号或者噪声信号。
自动模式下，通过主控制器（16）中的软件经过PID算法程序块得到输出的电流信号，将密度计（9）检测到的实际密度值d与预知的密度期望值D进行实时比较，附加一个系数k，得出电流：I=k*(D-d)。随着灰罐车送灰能力的不同，系数k是不同的，通过多次试验得到。
第三步，监测各类实时信号。令高频雷达液位计（14）信号发射端口垂直向下对准测量表面，水量根据混合容器中的液位调节，保持初始标定值，当雷达液位计（14）检测到液位不在作业范围内，自动打开水阀注水。流量计（15）反馈固井泵出口处泥浆流量。水阀角位移传感器（5）和灰阀角位移传感器（13）分别反馈水旋转油缸（7）和灰旋转油缸（11）的开度。
第四步，寻找最佳开度角。自动模式完成参数整定后，保存水阀角位移传感器（5）和灰阀角位移传感器（13）数值，当配合同种送灰车时，系统启动后自动调用此数值，使水旋转油缸（7）和灰旋转油缸（11）的开度直接达到这个预设值，从而节省了重新整定的时间，提高了作业效率。
第五步，二次自动整定。上一步记录的最佳灰阀开度角设为A，实时开度用a表示，将阀角开度作为整定量加入自动控制算法，则关系方程为：I=k*(D-d) /(A-a)。由此进一步精准调节进灰量。
第六步，记录过程。不同的送灰车对应不同的整定参数，建立数据库记录每种送入能力下的各项数据。