固井水泥车自控系统设计

【摘要】针对固井水泥车施工运行过程中存在的问题，围绕固井水泥车自动控制系统改造目标，明确固井水泥车自动控制系统改造设计思路，以提高操作的可靠性，减少施工中的人为因素影响，提高施工效率。

【关键词】机械设计  固井水泥车  自控系统设计

固井水泥车是油田专门用于油水井作业施工的一种石油专用车辆设备，压力等级有40Mpa、70Mpa等几种。随着油田开发程度进入中后期，原油综合含水已达到90%以上，油井措施工作量越来越多，施工工艺越来越复杂，对施工设备的技术要求也不断提高，对设备操作人员的技术要求更加严格。在施工中常出现因为某道工序的问题而影响施工质量，有时因操作不当，造成整个施工工艺失败，甚至造成油井报废，酿成巨大的经济损失。因此，如何减少施工过程中压力设备的使用不当对地下油层造成的物理破坏，大幅度降低设备操作人员的劳动强度，是应当解决的一个现实问题。如果能够通过技术改造，提高此类设备的自动控制水平，从而提高操作的可靠性，减少施工中的人为因素影响，提高施工效率，将会带来巨大的经济效益。

一、固井水泥车自动控制系统改造目标

实现对设备运行状态和参数的监控，即能够监控有关设备运行参数，并附带相关参数报警功能。监控的参数主要有发动机的转速、发动机的机油压力、发动机的机油温度、发动机的冷却液（水）温度、压裂泵的润滑压力、压裂泵的档位、压裂泵的工作泵压、压裂泵的工作排量及累計排量等9个设备相关运行参数。实现对施工过程的远距离控制。即在驾驶室实现固井水泥车上装设备的控制，远距离切合离合器、控制发动机的运转与停车、启动及油门升降的操作;实现压力、排量的控制，从而切实保障施工质量、降低设备操作人员的劳动强度，提高施工效率。针对不同的工况，将满足压力或排量需求的运行参数，在不受人为因素影响情况下通过有效的发动机油门控制来实现。即在运行前的准备中，根据需要设定运行的上限或下限，保障设备运行满足施工要求，同时达到经济、高效。提高操作的自动化水平，减少施工过程中因操作不当，或多台设备配合不当造成施工方案的失败，确保施工的成功率。能够完成对发动机和压缩泵的工况检测，当检测到系统超负荷运行或有意外情况发生时，能够自动报警，并减小发动机油门，发动机与大泵动力脱离，实现自动停车。

二、固井水泥车自动控制系统改造设计

根据油水井施工的特点，将使用固井水泥车的施工工况分为三种类型。压力型施工一般工序时间较短（持续时间不超过20分钟），工序要求相对压力较高（15Mpa至35Mpa），对设备控制要求较低，一般情况下，由于作业持续时间短，只需手动控制，即可方便完成。对改造后的控制，无需过多控制要求。排量型施工设备运行负荷较低（10Mpa以下），相对作业时间较长，需2小时至10多个小时作业时间，控制系统通过远距离切合离合器和油门升降满足作业参数要求。混合型施工多属油水井的措施施工，设备运行负荷大（18Mpa至35Mpa）、作业时间长，运行时间在2至10小时之间，对设备的控制要求较高。

在实现上述三种工况的自动控制时，必须保留原系统的所有操作仍能正常进行，即能够进行自动与手动的切换操作，以确保改造的可靠性。根据系统功能要求，系统检测与控制框图如图1所示：系统在对特车作业实现可靠安全监测的同时，根据作业类型对特车作业实现自动控制， 对油井维护作业施工实现精确控制。根据作业的性质不同，控制方案可以分为两大类。

（一）洗井等高排量作业

系统运行时，首先由操作人员选择洗井作业，系统提示操作人员选择合适的档位，控制系统检测到操作人员档位操作后（通过检测泵转速判断离合是否稳定结合），自动控制油门大小，并根据泵出口排量和压力实时控制发动机油门的大小，从而实现对作业的自动控制。在这种工况下，除了实现对油门的自动控制外，还要实现发动机和泵的安全检测，使系统高效、安全运行。

（二）防砂等高压作业工况

系统运行时，首先由操作人员选择高压作业工况，系统提示操作人员选择合适的档位，操作人员选择高档位，控制系统检测到操作人员档位操作后（通过检测泵转速判断离合是否稳定结合），根据泵出口排量和压力实时增大发动机的油门，泵出口压力逐步增加，当系统判断出该档位已经满负荷时，系统提示操作人员减档操作，并提示操作人员选择合适的档位。操作人员选择低档位后，系统控制油门逐步增加，实现泵出口压力进一步增加。经过顺序减档，系统能够控制泵出口压力恒定，实现高质量、高效率作业。在这种工况下，除了实现对油门的自动控制外，还要实现发动机和泵的安全检测，使系统高效、安全运行。

为了系统可靠安全运行，系统设置自动和手动模式。当处于手动模式时，原有系统可以运行，控制系统只是实现安全检测与报警，与原有系统安全报警系统同时工作，实现双重报警，提高系统运行安全可靠性。当系统处于自动模式时，为了进一步提高安全可靠性，系统设置紧急停车人为干预装置，当系统超负荷运行，而传感检测系统出现故障，操作人员可以通过操作面板上紧急按钮，实现紧急停机。

整个系统采用PLC+嵌入式智能人机界面（包括工业平板电脑、嵌入式系统、嵌入式编程软件）的结构，其总体结构图见图1.2。PLC作为主控单元，负责整个系统的数据采集和控制。嵌入式智能人机界面作为操作员与计算机交互的接口，负责与PLC之间进行数据交换、数据显示以及提供友好的操作员界面。嵌入式系统能够满足特定用户的需求，能够按照客户需要对软硬件进行合理剪裁，剪裁后的系统具有集成度高、性价比高、功耗低、体积小等特点，满足系统小型化的要求，系统的智能化和网络化程度得到进一步提高。

作者简介：王小华（1980-），山东省安丘市人，大学本科，工程师。