玉门油田压裂泵车和混砂车控制系统升级改造

毕恩梓，曹卫东，陈全柱

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州 730000）

1 设备概况

压裂车组是玉门油田作业公司购进的主要设备之一，主要包括压裂泵车、混砂车和仪表车，广泛用于油、气、水井的压裂、酸化作业。压裂车组功能是向井内注入大排量的高压液体，使地层形成高导流裂缝，沟通油气储集区，扩大供油面积，改变井筒周围渗流特征，降低渗流阻力，达到提高产量的目的。

2 存在的问题及改造目标

2.1 YLC105-1490 型压裂泵车控制系统存在的问题

目前YLC105-1490 型压裂泵车的SJ 500 控制系统不稳定，SLC500 型CPU 存在丢程序缺陷，易引起压裂车组控制系统瘫痪，对现场压裂施工带来很大安全隐患。该型号CPU 国外厂家已停止生产，无法保证供货，给系统维修带来极大不便。现有SJ 500 控制系统无法实现全过程自动化作业，不具备远程控制功能。因此对YLC105-1490 型压裂车的控制系统进行升级十分必要。

2.2 SJX5301THS 型混砂车AB 500 控制系统存在的问题

（1）液位控制不够精确，当施工排量发生变化时容易出现抽空或漫罐。

（2）砂比响应速度无法满足复杂施工响应速度的需要。

（3）控制系统覆盖不全面，无法完全满足压裂作业的工艺要求。

3 改造内容

3.1 YLC105-1490 型压裂泵车改造

更换YLC105-1490 型压裂泵车控制箱内的电源模块、CPU模块、模拟输入模块、模拟输出模块、继电器输出模块、直流输入模块和网关。根据电路图重新接线，用扎带扎紧固定（图1）；更换控制箱显示屏，升级操作软件（图2）；设置CPU、网关的IP 地址（图3）；将控制箱侧面的六芯网线接头，全部更换为五芯网线接头（图4），配备一套五芯线辊（图5）。

图1 YLC105-1490 型压裂泵车控制箱

3.2 SJX5301THS 型混砂车改造

3.2.1 SJX5301THS 型混砂车控制箱改造

更换SJX5301THS 型混砂车控制箱内的所有PLC 模块，控制箱内原有12 个输入/输出信号模块，由于空间有限，只安装7 个输入/输出信号模块（图6）；另增加15 个信号变送器（图7），将信号转换成PLC 模块可以接收的信号，根据电路图重新接线，用扎带扎紧固定；更换显示屏，升级操控软件；加装1个24 V 转10 V 的直流变换器（图8），使控制系统能够区分当前处于自动/手动状态，并在显示屏显示（图9）；调整混砂车控制系统参数，使其符合施工要求。

3.2.2 SJX5301THS 型混砂车传感器改造

将SJX5301THS 型混砂车原有的超声波液位计更换为雷达液位计（图10），加装紧急开阀控制器，若液位计出现故障，可以关闭报警装置，手动开阀。

3.3 SEV5112TYB 型仪表车改造

为使仪表车的控制系统能够和改造后的混砂车、压裂泵车的控制系统匹配，需要对仪表车的控制系统进行升级改造。升级仪表车控制箱内的CPU 模块软件，重设IP地址（图11）；升级车内电脑上的泵车操作软件、压裂数据采集软件，调试软件参数，使其符合施工要求（图12 和图13）；由于混砂车、压裂泵车的控制系统变化，更换显示屏顺序，方便员工操作（图14）；给仪表车配备一套五芯信号线辊（图15）。

图2 更新显示屏软件

图3 设置网关、CPU 的IP 地址

图4 五芯接线头

图5 新的五芯信号线辊

图6 混砂车PLC 模块

图7 加装的15 个信号变送器

4 改造效果

4.1 YLC105-1490 型压裂泵车改造效果

（1）本次改造采用美国AB 公司的1756 系列PLC 模块性能稳定，不存在程序丢失问题。PLC 模块均处于生产状态，不存在供货难的问题。

（2）将Logix 1100 模块更换为CAN 总线网关模块，采用SAE J1939 协议进行通信，该协议的通信速率可达250 kbps，具有抗干扰能力强、性能稳定、成本低等优点。

（3）经现场调试，YLC105-1490 型压裂泵车控制系统可以与改造后的混砂车、仪表车控制系统兼容，进行编组配套使用。

4.2 SJX5301THS 型混砂车改造效果

（1）混砂车安装的新显示屏与旧显示屏相比，新增砂比显示参数，新显示屏反应更迅速，启动时间只需1 min，而旧显示屏启动时间需要3 min。

（2）原先的控制箱内PLC 有12 个输入/输出信号的模块，现在只安装7 个输入/输出信号的模块。同时加装15 个信号变送器来接收信号，经现场操作，控制系统使用正常。

（3）改造后的混砂车控制系统能够区分当前处于自动/手动状态，并在显示屏显示。

图8 加装的24 V 转10 V 直流变换器（小）

图9 新显示屏

图10 加装的雷达液位计

（4）升级改造后的混砂车自动控制系统，采用自适应模糊控制算法，能够实时精确控制各项施工参数和施工作业阶段，并及时应对和处理作业过程中发生的各种调整和变化。

（5）新安装的雷达液位计相较于原有的超声波液位计，其工作性能不会受到水蒸汽、粉尘影响，且测量范围更广、更能适应复杂工况、精度更高。给雷达液位计加装手动开阀装置，若液位计出现故障，可以关闭报警装置，紧急开阀。经现场试用，雷达液位计工作正常。

（6）经现场操作验证，改造后的混砂车，成功与改造后的压裂泵车和仪表车进行编组配套使用。

4.3 SEV5112TYB 型仪表车改造效果

（1）升级后的CPU 软件和显示屏操作软件，响应速度更快、性能更稳定。

（2）经现场使用，压裂、酸化的数据采集软件和压裂泵车操控软件使用正常，能够满足压裂队施工要求。

图11 远程升级CPU 软件

图12 更新显示屏软件

图13 调试采集软件参数

图14 仪表车内操作屏

（3）经现场操作验证，改造后的仪表车，可以与改造后的压裂泵车、混砂车进行编组配套使用。

5 结语

（1）此次控制系统升级改造，有效提高了压裂车组控制系统的自动化、智能化程度，控制系统性能更稳定、响应速度更快、精确度更高。为压裂施工提供了更加安全可靠的设备保障，能够更好地满足压裂施工的需求。

（2）解决了往年压裂设备控制系统存在的问题，有效降低设备故障率，保证压裂施工的高质量、安全性。

图15 新换的五芯信号线辊