论文部分内容阅读
【摘 要】油田注水是油田开发过程中提升地层压力、提高油田采收率的重要手段之一。注水井管理技术水平的高低决定了油田开发效果的好坏，同时也决定了油田开发寿命的长短。目前，多数注水压力靠泵出口阀门或回流阀门手动控制来改变管网特性曲线进而调节泵的排量，这样的调节方式电能损失大，泵阀门磨损严重，泵维修频繁。文章提出将注水泵变频器接入现有的数字化系统，通过现场的RS485总线Moddbus协议采集管线压力数据和变频器工况数据，利用注水站点的PLC进行PID自动控制，实现自动稳压注水。降低了能耗、减轻了工人工作强度、稳定了管线压力、提高了注水质量及减少设备损耗。
【关键词】注水;自动稳压;Modbus协议;PID控制
【中图分类号】TE357.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0074-02
1 简介
1.1 注水概况
油田开发过程中地层能量不断衰减，常用的注水方式是保持地层能量进行开发的。通常，注水压力靠泵出口阀门或回流阀门手动控制来改变管网特性曲线，进而调节泵的排量，这种方式难以达到泵的最佳工况点，管网运行效率低，电能损失大，泵阀门磨损严重，泵维修频繁。
目前，长庆油田分公司第一采油厂已推广变频技术，通过数字化建设，采集了注水站点流量及压力数据，建设了SCADA平台。因此，本文提出利用现有的变频器、PLC控制器和SCADA平台开发一个平台，通过SCADA平台下发指令，PLC控制变频器，实现远程自动稳压控制，使管网压力保持稳定，延长设备使用寿命，减轻人工劳动强度，降低能耗。
1.2 PID控制
PID控制（比例—积分—微分控制器）是工业控制应用领域中应用最广泛、适应性最强的控制方法，它是一种闭环自动控制技术，通过测量、比较和执行3个部分对被控量进行控制。将被控变量的实际值与期望值相比较得出偏差，再利用偏差纠正系统的响应，执行调节控制。PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制;积分控制可消除稳态误差，但有可能增加超调;微分控制可加快大惯性系统响应速度及减弱超调趋势。
本文应用PID控制将管线压力作为被控对象，压力测量值作为反馈信号，通过自动调节变频器工作频率来达到自动稳压注水的目的。
2 设备硬件
2.1 注水站設备及工艺要求
以杏河作业区杏三撬注水站为例，现场由1台“蓝海华腾”E5-H变频器拖动2台315 kW三相异步电机的注水泵，将罐中的水泵出，为所辖50多个口井注水。为保证注水量，总汇管压力控制为18 MPa，压力波动不能超过±0.5 MPa。目前，通过人工开关回流阀控制总汇管压力，增加了人工，不能根据管线压力实时调节，管线压力波动较大，不能满足工艺要求。
2.2 数据采集及线路情况
目前，长庆油田分公司第一采油厂已开始数字化建设，杏三撬站内有“安控”E40PLC控制器1台，站内压力、流量数据已通过RS485总线Modbus协议采集，上传至SCADA平台。变频器数据未采集，也没有敷设控制线路，也就是说目前只采集了站内流量和压力数据，并未采集变频器运行数据，也没有对变频器进行控制。本文提出将变频器接入现有的SCADA平台，对变频器工况进行监控，同时接入控制线路，通过平台将注水泵变频器纳入SCADA控制。
3 方案制订
3.1 信号及控制线缆敷设
要实现对变频器的控制，需要敷信号及控制线缆。在变频器和PLC之间敷设2组信号线、2组控制线缆，要求都为地埋线。
3.2 控制方案
在注水站内工频运行的“蓝海华腾”E5-H变频器与站内已经安装的“安控”E40系列PLC设备之间敷设通信及控制电缆，编写PLC程序，采用闭环PID自动调节。在SCADA平台设定目标压力，现场压力变送器采集实时压力数据，将采集到的压力数据和控制目标相比较得出偏差，再由PID控制器计算得到输出值，将输出值发送给变频器控制频率，从而使现场压力达到目标压力。控制原理图如图1所示。
需要注意的是，本系统中管线压力数据通过RS485总线采集，不是常见的模拟量信号反馈方式，这就需要编写控制程序时，将压力数据进行格式处理，便于PID计算。
4 开发SCADA上位机控制界面
为了方便员工操作和监视系统运行情况，开发注水泵控制界面，实现压力设置、压力监测、变频器运行监测、故障报警等功能（如图2所示）。
5 编写控制程序及现场调试
5.1 编写控制程序
根据已制订的方案，编写控制程序，程序主要分以下3个部分。①变频器参数据采集，实时监控变频器运行状态。②压力数据转化部分，将通过Modbus协议采集的汇管压力数据转化为可供PID计算的数据格式。③PID控制部分，分为手动和自动控制方式。手动为直接手动给定变频器工作频率。自动控制方式为将设定的控制目标和采集到的实际压力进行比较，再进行PID计算，得到应输出的控制量，用于控制变频器。由于压力反馈数据是通过RS845总线采集的，程序编写过程中压力数据采集周期需小于PID采样周期，只有这样，才能保证控制效果。将所编写的稳压控制程序作为子程序添加到油田公司PLC标准程序中。不影响主程序其他功能的运行，也方便后期维护。
5.2 现场调试整定PID参数
通过PID控制器参数的工程整定方法，整定PID参数已达到最佳控制效果，经现场调试最终选定比例（P）、微分（I）、积分（D）参数分别为0.05、10、0.02。
5.3 测试控制效果
经测定，当系统稳态运行时可保持管线压力18 MPa±0.03 MPa（如图3所示）。设定新的控制目标，测定重新达到稳态的响应速度：当设定压力从18.0 MPa重新设置到17.5 MPa时，重新达到稳态只需要64 s（如图4所示）。由此可以看出，开发的自动稳压控制程序具有良好的系统稳定性和响应速度，达到了之前提出的控制效果。
6 结语
综上，本系统将通过RS485总线采集的压力数据作为反馈信号，利用PID调节，实现了对注水站注水泵压力的远程自动稳压控制，系统具有良好的稳定性及抗干扰能力。
本系统在杏河作业区杏三撬站已经投入使用，现场工作人员反映大大降低了工作强度，只需要在值班房就可以对管线压力进行检测和控制。系统投入运行以来，管线压力波动小，已实现自动稳压运行。杏河作业区可以通过SCADA平台对注水站情况远程监控，也可以远程设定压力。
长庆油田分公司第一采油厂在现有的数字化建设基础上，不用加装模拟量输出的压力变送器进行压力反馈采集，而利用PID控制，实现注水自动稳压，具有一定的推广性。
参 考 文 献
[1]何春红.基于PLC的自整定PID算法在废水回收装置的应用[J].现代工业经济和信息化，2017（20）：31-33.
[2]韩亮，宋坤鹏.基于S7-200正压型防爆分析小屋PID调节的设计[J].智慧工厂，2017（3）：77-78，101.
[3]沈言夫.PID控制在乳化炸药井下装药车上的应用[J].世界有色金属，2018（9）：282-283.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】注水;自动稳压;Modbus协议;PID控制
【中图分类号】TE357.6 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）05-0074-02
1 简介
1.1 注水概况
油田开发过程中地层能量不断衰减，常用的注水方式是保持地层能量进行开发的。通常，注水压力靠泵出口阀门或回流阀门手动控制来改变管网特性曲线，进而调节泵的排量，这种方式难以达到泵的最佳工况点，管网运行效率低，电能损失大，泵阀门磨损严重，泵维修频繁。
目前，长庆油田分公司第一采油厂已推广变频技术，通过数字化建设，采集了注水站点流量及压力数据，建设了SCADA平台。因此，本文提出利用现有的变频器、PLC控制器和SCADA平台开发一个平台，通过SCADA平台下发指令，PLC控制变频器，实现远程自动稳压控制，使管网压力保持稳定，延长设备使用寿命，减轻人工劳动强度，降低能耗。
1.2 PID控制
PID控制（比例—积分—微分控制器）是工业控制应用领域中应用最广泛、适应性最强的控制方法，它是一种闭环自动控制技术，通过测量、比较和执行3个部分对被控量进行控制。将被控变量的实际值与期望值相比较得出偏差，再利用偏差纠正系统的响应，执行调节控制。PID控制器由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制;积分控制可消除稳态误差，但有可能增加超调;微分控制可加快大惯性系统响应速度及减弱超调趋势。
本文应用PID控制将管线压力作为被控对象，压力测量值作为反馈信号，通过自动调节变频器工作频率来达到自动稳压注水的目的。
2 设备硬件
2.1 注水站設备及工艺要求
以杏河作业区杏三撬注水站为例，现场由1台“蓝海华腾”E5-H变频器拖动2台315 kW三相异步电机的注水泵，将罐中的水泵出，为所辖50多个口井注水。为保证注水量，总汇管压力控制为18 MPa，压力波动不能超过±0.5 MPa。目前，通过人工开关回流阀控制总汇管压力，增加了人工，不能根据管线压力实时调节，管线压力波动较大，不能满足工艺要求。
2.2 数据采集及线路情况
目前，长庆油田分公司第一采油厂已开始数字化建设，杏三撬站内有“安控”E40PLC控制器1台，站内压力、流量数据已通过RS485总线Modbus协议采集，上传至SCADA平台。变频器数据未采集，也没有敷设控制线路，也就是说目前只采集了站内流量和压力数据，并未采集变频器运行数据，也没有对变频器进行控制。本文提出将变频器接入现有的SCADA平台，对变频器工况进行监控，同时接入控制线路，通过平台将注水泵变频器纳入SCADA控制。
3 方案制订
3.1 信号及控制线缆敷设
要实现对变频器的控制，需要敷信号及控制线缆。在变频器和PLC之间敷设2组信号线、2组控制线缆，要求都为地埋线。
3.2 控制方案
在注水站内工频运行的“蓝海华腾”E5-H变频器与站内已经安装的“安控”E40系列PLC设备之间敷设通信及控制电缆，编写PLC程序，采用闭环PID自动调节。在SCADA平台设定目标压力，现场压力变送器采集实时压力数据，将采集到的压力数据和控制目标相比较得出偏差，再由PID控制器计算得到输出值，将输出值发送给变频器控制频率，从而使现场压力达到目标压力。控制原理图如图1所示。
需要注意的是，本系统中管线压力数据通过RS485总线采集，不是常见的模拟量信号反馈方式，这就需要编写控制程序时，将压力数据进行格式处理，便于PID计算。
4 开发SCADA上位机控制界面
为了方便员工操作和监视系统运行情况，开发注水泵控制界面，实现压力设置、压力监测、变频器运行监测、故障报警等功能（如图2所示）。
5 编写控制程序及现场调试
5.1 编写控制程序
根据已制订的方案，编写控制程序，程序主要分以下3个部分。①变频器参数据采集，实时监控变频器运行状态。②压力数据转化部分，将通过Modbus协议采集的汇管压力数据转化为可供PID计算的数据格式。③PID控制部分，分为手动和自动控制方式。手动为直接手动给定变频器工作频率。自动控制方式为将设定的控制目标和采集到的实际压力进行比较，再进行PID计算，得到应输出的控制量，用于控制变频器。由于压力反馈数据是通过RS845总线采集的，程序编写过程中压力数据采集周期需小于PID采样周期，只有这样，才能保证控制效果。将所编写的稳压控制程序作为子程序添加到油田公司PLC标准程序中。不影响主程序其他功能的运行，也方便后期维护。
5.2 现场调试整定PID参数
通过PID控制器参数的工程整定方法，整定PID参数已达到最佳控制效果，经现场调试最终选定比例（P）、微分（I）、积分（D）参数分别为0.05、10、0.02。
5.3 测试控制效果
经测定，当系统稳态运行时可保持管线压力18 MPa±0.03 MPa（如图3所示）。设定新的控制目标，测定重新达到稳态的响应速度：当设定压力从18.0 MPa重新设置到17.5 MPa时，重新达到稳态只需要64 s（如图4所示）。由此可以看出，开发的自动稳压控制程序具有良好的系统稳定性和响应速度，达到了之前提出的控制效果。
6 结语
综上，本系统将通过RS485总线采集的压力数据作为反馈信号，利用PID调节，实现了对注水站注水泵压力的远程自动稳压控制，系统具有良好的稳定性及抗干扰能力。
本系统在杏河作业区杏三撬站已经投入使用，现场工作人员反映大大降低了工作强度，只需要在值班房就可以对管线压力进行检测和控制。系统投入运行以来，管线压力波动小，已实现自动稳压运行。杏河作业区可以通过SCADA平台对注水站情况远程监控，也可以远程设定压力。
长庆油田分公司第一采油厂在现有的数字化建设基础上，不用加装模拟量输出的压力变送器进行压力反馈采集，而利用PID控制，实现注水自动稳压，具有一定的推广性。
参 考 文 献
[1]何春红.基于PLC的自整定PID算法在废水回收装置的应用[J].现代工业经济和信息化，2017（20）：31-33.
[2]韩亮，宋坤鹏.基于S7-200正压型防爆分析小屋PID调节的设计[J].智慧工厂，2017（3）：77-78，101.
[3]沈言夫.PID控制在乳化炸药井下装药车上的应用[J].世界有色金属，2018（9）：282-283.
[责任编辑：钟声贤]