摘 要
本发明公开了一体式变频压裂泵送设备控制系统。包括：高压电输入单元、一体化集装箱、变频一体机和外围设备。一体化集装箱包含：供配电单元、主界面、主控制器、辅助界面、辅助控制器；变频一体机包含；检测系统、温控系统、变频器、变频电机；外围设备包含：远控台、视频系统等。系统采用主、辅双CPU网络架构，内部控制器之间通过EtherCAT协议进行以太网通信。系统与其它压裂设备控制系统通过CAN总线进行实时通信，预留网络拓展接口模块，方便现场组网并灵活选择拓扑结构。一体化集装箱和变频一体机临近布局，两者之间通过Profibus-DP加一根数据线进行实时通信和信号传输，线路简单，方便排查、检修。本发明采用变频技术并进行了模块化设计，整个控制系统划分为两个独立模块，两个独立模块结构上都采用一体式设计，性能全面，安装空间紧凑，大幅降低了谐波噪声污染，车体重量大大减轻，便于运输、防护和检修。
1 背景技术
压裂泵送设备是页岩气开发的必备装备，传统压裂设备普遍采用柴油机经传动箱驱动压裂泵，通过改变柴油机的转速和传动箱的档位来调节压裂泵的转速，最终控制注入井下压裂液的排量。近年来随着页岩气开采规模的不断扩大，用电机代替柴油机和传动箱直接驱动压裂泵的方案成为发展趋势，而目前电驱压裂装备通常需要单独运输和布局配电房和VFD房，占地面积较大，输入柜、输出柜、整流滤波柜、电机、变频器等都独立存在，传统电驱的电机与变频器分开，各自处理各自的状态，不能融为一体，对施工场地要求较高，电缆敷设较为复杂，电磁谐波干扰较大，不便于进行高防护性处理，设备检修也较为复杂。
2 发明内容
本发明目的是提供一体式变频压裂泵送设备控制系统，解决目前电驱压裂装备通常需要单独运输和布局配电房和VFD房，占地面积较大，输入柜、输出柜、整流滤波柜、电机、变频器等都相对独立，对施工场地要求较高，电缆敷设较为复杂，电磁干扰较大，防护与检修不便等问题。本发明采用ARM Cortex A8高速数据处理芯片实现变频控制并进行了整体模块化设计，整个控制系统划分为两个独立模块，两个独立模块分别在结构上采用一体化设计，性能全面，安装空间紧凑，大幅降低谐波噪声污染，使车体重量大大减轻，便于运输、防护和检修。
本发明所采用的技术方案是：一体式变频压裂泵送设备控制系统包括高压电输入单元、一体化集装箱、变频一体机和外围设备。一体化集装箱包含：供配电单元、主界面、主控制器、辅助界面、辅助控制器；变频一体机包含；检测系统、温控系统、变频器、变频电机；外围设备包含：远控台、视频系统等。高压电输入单元将来自高压电网的电源导入压裂设备；一体化集装箱中的供配电单元包括输入柜、输出柜、整流滤波单元和变压器，将高压交流电转换为低压平稳直流电源供变频单元使用；主界面为触摸屏，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，主界面将自动切换窗口；主控制器基于高速计算处理芯片ARM Cortex A8作为CPU核心控制元件，保证系统的实时性，提升系统响应速度，有效解析信号和计算数据；辅助界面安装在变频一体机附近，用于就近显示或设置变频器状态参数；辅助控制器采用ARM9芯片嵌入式主板，控制变频器各项参数和功能；变频一体机集成了检测系统、温控系统、变频器和变频电机；远控台设置在仪表车上或其它远端操作场所；视频系统监视电机和压裂泵运转情况，便于远程操作和故障诊断。
系统采用主、辅双CPU网络架构，内部控制器之间通过EtherCAT协议进行以太网通信。系统与其它压裂设备控制系统通过CAN总线进行实时通信，预留网络拓展接口模块，方便现场组网并灵活选择拓扑结构。一体化集装箱和变频一体机临近布局，两者之间通过Profibus-DP加一根数据线进行实时通信和信号传输，线路简单，方便排查、检修。
本发明采用变频技术并进行了模块化设计，整个控制系统划分为两个独立模块，两个独立模块结构上都采用一体式设计，性能全面，安装空间紧凑，大幅降低了谐波噪声污染，车体重量大大减轻，便于运输、防护和检修。
本发明的作用是：本发明实现了压裂设备整体模块化设计，整个控制系统划分为两个独立模块，结构上采用一体化积木式设计，安装空间紧凑，可全部安装于压裂设备撬上，不需要额外运输配电房和VFD房，大幅降低了变频传动方式下造成的谐波干扰，有效提升了系统可靠性、维护便捷性、组装灵活性。
3 附图说明
图1 本发明的系统组成框图
图中，1—高压电输入单元、2—供配电单元、3—主界面、4—主控制器、5—辅助界面、6—辅助控制器、7—检测系统、8—温控系统、9—变频器、10—变频电机、11—远控台、12—视频系统。
图2 本发明的模块化分布框图
图3 本发明的模块化结构示意图
图4 本发明的供配电单元原理示意图
图5 本发明的变频一体机结构示意图
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，本发明公开了一体式变频压裂泵送设备控制系统。包括：高压电输入单元（1）、供配电单元（2）、主界面（3）、主控制器（4）、辅助界面（5）、辅助控制器（6）、检测系统（7）、温控系统（8）、变频器（9）、变频电机（10）、远控台（11）、视频系统（12）。
本发明的系统组成和工作原理是：如图1和图2所示，高压电输入单元（1）设置在井场附近，与供配电单元（2）相连，包含高压断路器、高压开关、高压接触器等元件，将来自10kV高压电网的电源导入压裂设备；供配电单元（2）包括输入柜、输出柜、整流滤波单元和变压器，输入柜包括永磁真空断路器、隔离开关等元件，与变压器相连，输出柜包括熔断器和隔离开关，整流滤波单元包含整流电桥和滤波器，供配电单元（2）将高压交流电转换为低压平稳直流电源供变频单元使用；主界面（3）为触摸屏，与主控制器（4）相连，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，主界面将自动切换窗口；主控制器（4）基于高速计算处理芯片ARM Cortex A8作为CPU核心控制元件，保证系统的实时性，提升系统响应速度，有效解析信号和计算数据，主控制器（4）与辅助控制器（6）以及各子系统相连，并可与压裂设备A、B组成通讯环网，控制整个压裂系统正常运行；辅助界面（5）与辅助控制器（6）相连，安装在变频一体机附近，用于就近显示或设置变频一体机状态参数；辅助控制器（6）采用ARM9芯片嵌入式主板，控制变频器各项参数和功能；检测系统（7）、温控系统（8）、变频器（9）和变频电机（10）集成为模块化结构，封装为变频一体机模块，整体安装在压裂设备上，大幅降低了变频谐波干扰；远控台（11）设置在仪表车上或其它远端操作场所，极大保障了操作者人身安全；视频系统（12）监视电机和压裂泵等运转情况，便于远程操作和故障诊断，图像可以传送到远控台（11）集中显示。
5 实施流程
电网高压电通过高压电输入单元（1）输送到压裂设备上，由供配电单元（2）导入压裂设备控制系统，供配电单元（2）为压裂设备上的所有用电设备提供电源。如图2和图3所示，电流由输入柜进入变压器，随后进入整流滤波单元，再由输出柜流入到变频一体机。
上电后排查所有硬件，使之正常启动，确保指示元件显示正常，如果是联合作业，进行通讯调试，确保与压裂设备A、B网络通讯畅通。
系统正常启动后，由主界面（3）可以查看一体化集装箱和变频一体机内的设备状态，以及动力端、液力端的传感器信号状态，确认状态正常后，主控制器（4）授权辅助控制器（6）进行变频器初始化设置，由辅助界面（5）输入调试参数，经辅助控制器（6）处理数据并发送到变频器（9），同时，变频器（9）把反馈数据传送到辅助控制器（6）中，形成闭环控制，达到自动实时调节。变频器初始调试成功后，辅助控制器（6）将控制权限交还到主控制器（4），可以开启正常传动模式。
随后，通过主界面（3）的传感器校准画面进行压裂设备各传感器的校准，传感器包括动力端的吸入口、排出口压力传感器，润滑油压、油温传感器等，液力端的润滑油压、油位传感器等。
按照初始化的设定参数开启运行模式进行压裂作业，期间可分别在主界面（3）、辅助界面（5）、远控台（11）设置运行参数，三个监控地点各有侧重，主界面（3）着重监控本台压裂设备的整体运行状态，辅助界面（5）着重监控本台压裂设备变频一体机的运行，远控台（11）着重监控压裂环网状态以及远程操作，并可通过视频系统（12）实时查看设备运行状态。