专利名称：压裂机组的控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及油田压裂技术领域，具体的说是一种压裂机组的控制系统及其控制方法。
背景技术：
压裂作业是提高油气井采收率的有效措施之一，广泛用于油、气井增产和注水井 增注。由于压裂作业所需配备的设备包括泵车组、混砂车、仪表控制室和遥控箱等多个压裂
专用设备，如何将四类io余台设备连网并最终实现机组协同作业，满足特殊工艺要求，实
现统一、快捷的施工管理和指挥，成为技术研究要点。
发明内容
本发明就是针对上述背景技术中的不足之处，而提供一种压裂机组的控制系统及 其控制方法，它能够实现泵车组、混砂车、仪表控制室及遥控箱的数据共享和网络集中控 制，便于动态、精确地自动控制压裂作业过程，并为操作人员提供良好安全的操作环境。
本发明的目的是通过如下技术措施来实现的。
—种压裂机组的控制系统，它包括 中央级控制器，用来下达控制所述压裂机组操作的控制命令；
系统通信网络，用来发送中央级控制器下达的各项控制命令； 现场控制器，用来响应通过系统通信网络发送的控制命令，并通过输出模块控制 作业机组的执行机构执行控制命令的操作，所述现场控制器包括混砂车控制器和泵车控制 器； 其中，所述中央级控制器与各现场控制器之间通过网络通信线连接成一个环网。
在上述技术方案中，所述中央级控制器和各现场控制器均各自连接有一HMI操作屏。 在上述技术方案中，所述中央级控制器包括位于仪表控制室内的中央级控制器和 位于遥控箱内的中央级控制器中的至少一个。 在上述技术方案中，所述中央级控制器和各现场控制器中均还包含有用以采集作 业数据，生成数据报表和图形报表的数据管理模块。 本发明还提供了一种应用于上述压裂机组控制系统的控制方法，该方法包括如下 步骤 步骤5-l进行选择性网络连接，在中央级控制器中选择需要进行压裂作业的设 备，将其配备的现场控制器连接入系统通信网络，实现各现场控制器之间，以及现场控制器 与中央级控制器之间的通信连接； 步骤5-2在中央级控制器中输入控制压裂机组作业所需的数据； 步骤5-3中央级控制器通过访问现场控制器的网络地址对现场控制器进行访问，
并下达控制命令；
步骤5-4现场控制器根据接收的命令通过输出模块控制作业机组的执行机构执 行控制命令的操作。 在上述提供的压裂机组控制方法的技术方案中，根据该压裂机组中作业设备的不
同，该控制方法包括混砂车的控制方法和泵车组的控制方法。 按下列步骤实现混砂车的自动控制 步骤7-1将混砂车控制器通过系统通信网络与中央级控制器相连； 步骤7-2在中央级控制器中输入混砂车多个阶段的作业数据，从阶段1开始逐阶
段输入，最多预存20个阶段的作业数据，这些数据包括作业阶段号、吸入阶段体积、支撑
剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、液添起始浓度、液添结尾浓度、干添起始浓度、干添结尾浓
度、两绞龙之速比及液位高度，其中吸入阶段体积用来判别本阶段是否已经完成，当实际阶
段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积设置为0时，阶段停止，当实
际阶段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积不为0时，自动进入下一
个阶段； 步骤7-3设备上电，混砂作业开始，中央级控制器通过访问混砂车控制器的网络 地址对混砂车控制器进行访问并下达控制命令，混砂车控制器通过输出模块控制混砂车执 行机构 步骤7-3A根据步骤7-2中设定的液位高度采用传统PID算法来控制吸入泵转速 从而调节吸入流量； 步骤7-3B比较排出泵实际排出压力和设定排出压力上限及设定排出压力下限，
如果实际排出压力高于设定排出压力上限，减小排出泵的输出电压以减小排量，如果实际
排出压力低于设定排出压力下限，增加排出泵的输出电压以增加排量； 步骤7-3C根据实际清水流量、清水总量、支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、两绞
龙之速比及采集的绞龙实际转速，采用单神经元自适应PID控制算法来控制绞龙的转速从
而调节支撑剂的浓度； 步骤7-3D根据实际清水流量、清水总量、添加剂起始浓度、支撑剂浓度及采集的 添加剂实际添加速率，采用单神经元自适应PID控制算法来控制添加剂的添加速率从而调 节添加剂浓度； 步骤7-4检测混砂作业是否已经完成，即检测当前阶段的设定吸入阶段体积是否
为0，如果为0，停止各泵，作业完成。 按下列步骤实现泵车组的自动控制 步骤8-1在中央级控制器中选择需要进行作业的泵车，将所选泵车的泵车控制器 连接入系统通信网络，实现各泵车控制器之间，以及泵车控制器与中央级控制器之间的通 信连接； 步骤8-2在中央级控制器中设置好作业压力极限值以及泵车每档的档位压力极 限值； 步骤8-3设备上电，启动选中作业的泵车发动机，选择每台泵车的控制模式
步骤8-3A单泵单独控制； 步骤8-3B分组控制，选择需要控制的组，保持该组内所有泵车的油门以及档位一 致；
步骤8-3C定排量控制，设置设定排量，根据设定排量，设置为定排量控制的泵车 自动计算每台泵车需要控制的排量而自动调节传动箱档位和发动机油门，维持机组内所有 泵车的瞬时排量之和为设定排量； 步骤8-3D定压力控制，设置设定作业压力，随后根据设定作业压力，设置为定压 力控制的泵车自动控制传动箱档位和发动机油门，让设置为定压力控制的泵车其实际压力 达到设定作业压力； 步骤8-4中央级控制器通过访问泵车控制器的网络地址对泵车控制器进行访问，
检测任意一台泵车是否超过档位压力极限值，若超过该值对应泵车档位将会下降到安全档
位；检测任意一台泵车是否超过作业压力极限值，若超过作业压力极限值对应泵车将会自
动回空档，怠速并处于刹车状态； 步骤8-5作业完成后，按键熄火停泵。 与传统的压裂作业过程相比，使用本压裂机组的控制系统及其方法进行压裂作业 具有如下优点 1)压裂机组设备间组网灵活、快捷。 2)设备间采用工业环网结构设计，增加了网络可靠性。 3)各泵车控制器、混砂车控制器、中央级控制器通过以太网实现设备间的数据交 换，数据传输、交换、共享以及远程访问容易、方便，数据处理速度快，动作响应速度快。
4)仪表控制室内设置中央级控制器用来集中控制各现场设备，为操作人员提供安 全、舒适的环境。
图1是本发明实施例的控制系统示意图。
图2是本发明实施例中混砂车的控制方法流程图。 图3是本发明实施例中泵车组的控制方法流程图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明压裂机组的控制系统，包括 中央级控制器l，用来下达控制所述作业机组操作的控制命令； 系统通信网络2，用来发送中央级控制器1下达的各项控制命令； 现场控制器3，用来响应通过系统通信网络2发送的控制命令，并通过输出模块控
制机组的执行机构执行控制命令的操作； 其中，本实施例采用工业以太网进行数据通信，各控制器可以直接上全线以太网， 通信速率达10Mbps，所述中央级控制器1与各现场控制器3之间通过网络通信线连接成一 个环网，能够容易、方便的实现数据传输、交换、共享以及远程访问，其数据处理速度快，动 作响应速度快。 上述中央级控制器1和各现场控制器3均各自连接有一 HMI操作屏4，操作人员通 过HMI操作屏4进行人机对话控制压裂机组作业所需的数据。 上述中央级控制器1包括位于仪表控制室内的中央级控制器1和位于遥控箱内的中央级控制器1 ，两者均可以用来下达控制命令，集中控制整个压裂机组。其中，遥控箱是便
于在仪表控制室之外或现场没有仪表控制室时，对现场设备进行集中控制和数据管理。 上述中央级控制器1和各现场控制器3还包含有用以采集作业数据，生成数据报
表和图形报表的数据管理模块，以便对机组的工作进行实时监督和作业评估。 在本实施例中所述现场控制器3包括混砂车控制器和泵车控制器，其工作原理如
下 混砂车控制器通过其数据管理模块采集数据；操作人员通过HMI操作屏4输入作 业所需的数据，并发出作业开始、停止等命令；控制器通过输出模块控制混砂车的执行机 构，其控制器通过以太网与其他各控制器通信并交换主要作业数据。混砂车可以通过本控 制器上连接的HMI操作屏4来控制，也可以通过仪表控制室内与中央级控制器1相连的HMI 操作屏4来控制，还可以通过遥控箱内与中央级控制器1相连的HMI操作屏4来控制。
各泵车控制器通过数据管理模块采集数据；配备网关模块来采集泵车发动机和传 动箱数据，并控制发动机油门和传动箱换档，泵车控制器与网关模块通过以太网通信，网关 模块通过J1939通讯方式与发动机控制模块和传动箱控制模块通信；泵车控制器通过输出 模块控制泵车的执行机构。泵车可以通过本控制器上连接的HMI操作屏4来控制，也可以 通过仪表控制室内与中央级控制器1相连的HMI操作屏4来控制，还可以通过遥控箱内与 中央级控制器1相连的HMI操作屏4来控制。操作人员取以上三种HMI操作屏4中任何一 个屏可对所有在线泵车进行操作和控制输入作业所需的数据。 本实施例提供的应用于上述压裂机组控制系统的控制方法，其具体程序流程如图 2、图3所示。 如图2所示，按下列步骤实现混砂车的自动控制 步骤7-1将混砂车控制器通过系统通信网络与中央级控制器相连； 步骤7-2在中央级控制器中输入混砂车多个阶段的作业数据，从阶段1开始逐阶
段输入，最多预存20个阶段的作业数据，这些数据包括作业阶段号、吸入阶段体积、支撑
剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、液添起始浓度、液添结尾浓度、干添起始浓度、干添结尾浓
度、两绞龙之速比及液位高度，其中吸入阶段体积用来判别本阶段是否已经完成，当实际阶
段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积设置为0时，阶段停止，当实
际阶段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积不为0时，自动进入下一
个阶段； 步骤7-3设备上电，混砂作业开始，中央级控制器通过访问混砂车控制器的网络 地址对混砂车控制器进行访问并下达控制命令，混砂车控制器通过输出模块控制混砂车执 行机构 步骤7-3A根据步骤7-2中设定的液位高度采用传统PID算法来控制吸入泵转速 从而调节吸入流量； 步骤7-3B比较排出泵实际排出压力和设定排出压力上限及设定排出压力下限，
如果实际排出压力高于设定排出压力上限，减小排出泵的输出电压以减小排量，如果实际
排出压力低于设定排出压力下限，增加排出泵的输出电压以增加排量； 步骤7-3C根据实际清水流量、清水总量、支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、两绞
龙之速比及采集的绞龙实际转速，采用单神经元自适应PID控制算法来控制绞龙的转速从
7而调节支撑剂的浓度； 步骤7-3D根据实际清水流量、清水总量、添加剂起始浓度、支撑剂浓度及采集的 添加剂实际添加速率，采用单神经元自适应PID控制算法来控制添加剂的添加速率从而调 节添加剂浓度； 步骤7-4检测混砂作业是否已经完成，即检测当前阶段的设定吸入阶段体积是否 为0，如果为0，停止各泵，作业完成。 如图3所示，按下列步骤实现泵车组的自动控制 步骤8-1在中央级控制器中选择需要进行作业的泵车，将所选泵车的泵车控制器 连接入系统通信网络，实现各泵车控制器之间，以及泵车控制器与中央级控制器之间的通 信连接； 步骤8-2在中央级控制器中设置好作业压力极限值以及泵车每档的档位压力极 限值； 步骤8-3设备上电，启动选中作业的泵车发动机，选择每台泵车的控制模式
步骤8-3A单泵单独控制； 步骤8-3B分组控制，选择需要控制的组，保持该组内所有泵车的油门以及档位一 致； 步骤8-3C定排量控制，设置设定排量，根据设定排量，设置为定排量控制的泵车 自动计算每台泵车需要控制的排量而自动调节传动箱档位和发动机油门，维持机组内所有 泵车的瞬时排量之和为设定排量； 步骤8-3D定压力控制，设置设定作业压力，随后根据设定作业压力，设置为定压 力控制的泵车自动控制传动箱档位和发动机油门，让设置为定压力控制的泵车其实际压力 达到设定作业压力； 步骤8-4中央级控制器通过访问泵车控制器的网络地址对泵车控制器进行访问，
检测任意一台泵车是否超过档位压力极限值，若超过该值对应泵车档位将会下降到安全档
位；检测任意一台泵车是否超过作业压力极限值，若超过作业压力极限值对应泵车将会自
动回空档，怠速并处于刹车状态； 步骤8-5作业完成后，按键熄火停泵。
权利要求
一种压裂机组的控制系统，其特征是所述控制系统包括中央级控制器，用来下达控制所述压裂机组操作的控制命令；系统通信网络，用来发送中央级控制器下达的各项控制命令；现场控制器，用来响应通过系统通信网络发送的控制命令，并通过输出模块控制作业机组的执行机构执行控制命令的操作，所述现场控制器包括混砂车控制器和泵车控制器；其中，所述中央级控制器与各现场控制器之间通过网络通信线连接成一个环网。
2. 根据权利要求1所述的压裂机组的控制系统，其特征是所述中央级控制器和各现 场控制器均各自连接有一 HMI操作屏。
3. 根据权利要求1所述的压裂机组的控制系统，其特征是所述中央级控制器包括位 于仪表控制室内的中央级控制器和位于遥控箱内的中央级控制器中的至少一个。
4. 根据权利要求1所述的压裂机组的控制系统，其特征是所述中央级控制器和各现 场控制器中均还包含有用以采集作业数据，生成数据报表和图形报表的数据管理模块。
5. —种在如权利要求1所述的压裂机组的控制系统中使用的控制方法，该方法包括如 下步骤(5-1)进行选择性网络连接，在中央级控制器中选择需要进行压裂作业的设备，将其配 备的现场控制器连接入系统通信网络，实现各现场控制器之间，以及现场控制器与中央级 控制器之间的通信连接；(5-2)在中央级控制器中输入控制压裂机组作业所需的数据；(5-3)中央级控制器通过访问现场控制器的网络地址对现场控制器进行访问，并下达 控制命令；(5-4)现场控制器根据接收的命令通过输出模块控制作业机组的执行机构执行控制命 令的操作。
6. 根据权利要求5所述的控制方法，其特征是该压裂机组的控制方法包括混砂车的 控制方法和泵车组的控制方法。
7. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征是所述混砂车的控制方法步骤如下(7-1)将混砂车控制器通过系统通信网络与中央级控制器相连；(7-2)在中央级控制器中输入混砂车多个阶段的作业数据，从阶段1开始逐阶段输入，最多预存20个阶段的作业数据，这些数据包括作业阶段号、吸入阶段体积、支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、液添起始浓度、液添结尾浓度、干添起始浓度、干添结尾浓度、两绞龙 之速比及液位高度，其中吸入阶段体积用来判别本阶段是否已经完成，当实际阶段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积设置为o时，阶段停止，当实际阶段体积达到本阶段的设定体积且下一个阶段的吸入阶段体积不为0时，自动进入下一个阶段；(7-3)设备上电，混砂作业开始，中央级控制器通过访问混砂车控制器的网络地址对混砂车控制器进行访问并下达控制命令，混砂车控制器通过输出模块控制混砂车执行机构(7-3A)根据步骤(7-2)中设定的液位高度采用传统PID算法来控制吸入泵转速从而调 节吸入流量；(7-3B)比较排出泵实际排出压力和设定排出压力上限及设定排出压力下限，如果实际 排出压力高于设定排出压力上限，减小排出泵的输出电压以减小排量，如果实际排出压力 低于设定排出压力下限，增加排出泵的输出电压以增加排量；(7-3C)根据实际清水流量、清水总量、支撑剂起始浓度、支撑剂结尾浓度、两绞龙之速 比及采集的绞龙实际转速，采用单神经元自适应PID控制算法来控制绞龙的转速从而调节 支撑剂的浓度；(7-3D)根据实际清水流量、清水总量、添加剂起始浓度、支撑剂浓度及采集的添加剂实 际添加速率，采用单神经元自适应PID控制算法来控制添加剂的添加速率从而调节添加剂 浓度；(7-4)检测混砂作业是否已经完成，即检测当前阶段的设定吸入阶段体积是否为O，如果为0，停止各泵，作业完成。
8.根据权利要求6所述的控制方法，其特征是所述泵车组的控制方法步骤如下 (8-1)在中央级控制器中选择需要进行作业的泵车，将所选泵车的泵车控制器连接入系统通信网络，实现各泵车控制器之间，以及泵车控制器与中央级控制器之间的通信连接；(8-2)在中央级控制器中设置好作业压力极限值以及泵车每档的档位压力极限值； (8-3)设备上电，启动选中作业的泵车发动机，选择每台泵车的控制模式 (8-3A)单泵单独控制；(8-3B)分组控制，选择需要控制的组，保持该组内所有泵车的油门以及档位一致； (8-3C)定排量控制，设置设定排量，根据设定排量，设置为定排量控制的泵车自动计算每台泵车需要控制的排量而自动调节传动箱档位和发动机油门，维持机组内所有泵车的瞬时排量之和为设定排量；(8-3D)定压力控制，设置设定作业压力，随后根据设定作业压力，设置为定压力控制的泵车自动控制传动箱档位和发动机油门，让设置为定压力控制的泵车其实际压力达到设定作业压力；(8-4)中央级控制器通过访问泵车控制器的网络地址对泵车控制器进行访问，检测任 意一台泵车是否超过档位压力极限值，若超过该值对应泵车档位将会下降到安全档位；检 测任意一台泵车是否超过作业压力极限值，若超过作业压力极限值对应泵车将会自动回空 档，怠速并处于刹车状态；(8-5)作业完成后，按键熄火停泵。
全文摘要
本发明提供一种压裂机组的控制系统及其控制方法，包括中央级控制器和现场控制器，它将压裂机组中的各个设备连网，实现泵车组、混砂车、仪表控制室及遥控箱的数据共享和网络集中控制，便于动态、精确地自动控制压裂作业过程，并为操作人员提供良好安全的操作环境。
文档编号G05B19/418GK101706662SQ20091027260
公开日2010年5月12日 申请日期2009年10月30日 优先权日2009年10月30日
发明者丁晓珍, 刘艳容, 叶纪东, 唐军, 孙圣波, 李建新, 杨槿, 熊丹, 陈春霞, 骆竖星 申请人:四机赛瓦石油钻采设备有限公司