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。