【摘要】針對(duì)固井水泥車施工運(yùn)行過程中存在的問題，圍繞固井水泥車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造目標(biāo)，明確固井水泥車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)思路，以提高操作的可靠性，減少施工中的人為因素影響，提高施工效率。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)? 固井水泥車? 自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

固井水泥車是油田專門用于油水井作業(yè)施工的一種石油專用車輛設(shè)備，壓力等級(jí)有40Mpa、70Mpa等幾種。隨著油田開發(fā)程度進(jìn)入中后期，原油綜合含水已達(dá)到90%以上，油井措施工作量越來越多，施工工藝越來越復(fù)雜，對(duì)施工設(shè)備的技術(shù)要求也不斷提高，對(duì)設(shè)備操作人員的技術(shù)要求更加嚴(yán)格。在施工中常出現(xiàn)因?yàn)槟车拦ば虻膯栴}而影響施工質(zhì)量，有時(shí)因操作不當(dāng)，造成整個(gè)施工工藝失敗，甚至造成油井報(bào)廢，釀成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何減少施工過程中壓力設(shè)備的使用不當(dāng)對(duì)地下油層造成的物理破壞，大幅度降低設(shè)備操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，是應(yīng)當(dāng)解決的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。如果能夠通過技術(shù)改造，提高此類設(shè)備的自動(dòng)控制水平，從而提高操作的可靠性，減少施工中的人為因素影響，提高施工效率，將會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

一、固井水泥車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的監(jiān)控，即能夠監(jiān)控有關(guān)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，并附帶相關(guān)參數(shù)報(bào)警功能。監(jiān)控的參數(shù)主要有發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液（水）溫度、壓裂泵的潤滑壓力、壓裂泵的檔位、壓裂泵的工作泵壓、壓裂泵的工作排量及累計(jì)排量等9個(gè)設(shè)備相關(guān)運(yùn)行參數(shù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)施工過程的遠(yuǎn)距離控制。即在駕駛室實(shí)現(xiàn)固井水泥車上裝設(shè)備的控制，遠(yuǎn)距離切合離合器、控制發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停車、啟動(dòng)及油門升降的操作;實(shí)現(xiàn)壓力、排量的控制，從而切實(shí)保障施工質(zhì)量、降低設(shè)備操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高施工效率。針對(duì)不同的工況，將滿足壓力或排量需求的運(yùn)行參數(shù)，在不受人為因素影響情況下通過有效的發(fā)動(dòng)機(jī)油門控制來實(shí)現(xiàn)。即在運(yùn)行前的準(zhǔn)備中，根據(jù)需要設(shè)定運(yùn)行的上限或下限，保障設(shè)備運(yùn)行滿足施工要求，同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)、高效。提高操作的自動(dòng)化水平，減少施工過程中因操作不當(dāng)，或多臺(tái)設(shè)備配合不當(dāng)造成施工方案的失敗，確保施工的成功率。能夠完成對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和壓縮泵的工況檢測，當(dāng)檢測到系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行或有意外情況發(fā)生時(shí)，能夠自動(dòng)報(bào)警，并減小發(fā)動(dòng)機(jī)油門，發(fā)動(dòng)機(jī)與大泵動(dòng)力脫離，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車。

二、固井水泥車自動(dòng)控制系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)

根據(jù)油水井施工的特點(diǎn)，將使用固井水泥車的施工工況分為三種類型。壓力型施工一般工序時(shí)間較短（持續(xù)時(shí)間不超過20分鐘），工序要求相對(duì)壓力較高（15Mpa至35Mpa），對(duì)設(shè)備控制要求較低，一般情況下，由于作業(yè)持續(xù)時(shí)間短，只需手動(dòng)控制，即可方便完成。對(duì)改造后的控制，無需過多控制要求。排量型施工設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷較低（10Mpa以下），相對(duì)作業(yè)時(shí)間較長，需2小時(shí)至10多個(gè)小時(shí)作業(yè)時(shí)間，控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)距離切合離合器和油門升降滿足作業(yè)參數(shù)要求?；旌闲褪┕ざ鄬儆退拇胧┦┕?，設(shè)備運(yùn)行負(fù)荷大（18Mpa至35Mpa）、作業(yè)時(shí)間長，運(yùn)行時(shí)間在2至10小時(shí)之間，對(duì)設(shè)備的控制要求較高。

在實(shí)現(xiàn)上述三種工況的自動(dòng)控制時(shí)，必須保留原系統(tǒng)的所有操作仍能正常進(jìn)行，即能夠進(jìn)行自動(dòng)與手動(dòng)的切換操作，以確保改造的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)檢測與控制框圖如圖1所示：系統(tǒng)在對(duì)特車作業(yè)實(shí)現(xiàn)可靠安全監(jiān)測的同時(shí)，根據(jù)作業(yè)類型對(duì)特車作業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制， 對(duì)油井維護(hù)作業(yè)施工實(shí)現(xiàn)精確控制。根據(jù)作業(yè)的性質(zhì)不同，控制方案可以分為兩大類。

（一）洗井等高排量作業(yè)

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由操作人員選擇洗井作業(yè)，系統(tǒng)提示操作人員選擇合適的檔位，控制系統(tǒng)檢測到操作人員檔位操作后（通過檢測泵轉(zhuǎn)速判斷離合是否穩(wěn)定結(jié)合），自動(dòng)控制油門大小，并根據(jù)泵出口排量和壓力實(shí)時(shí)控制發(fā)動(dòng)機(jī)油門的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的自動(dòng)控制。在這種工況下，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)油門的自動(dòng)控制外，還要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的安全檢測，使系統(tǒng)高效、安全運(yùn)行。

（二）防砂等高壓作業(yè)工況

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先由操作人員選擇高壓作業(yè)工況，系統(tǒng)提示操作人員選擇合適的檔位，操作人員選擇高檔位，控制系統(tǒng)檢測到操作人員檔位操作后（通過檢測泵轉(zhuǎn)速判斷離合是否穩(wěn)定結(jié)合），根據(jù)泵出口排量和壓力實(shí)時(shí)增大發(fā)動(dòng)機(jī)的油門，泵出口壓力逐步增加，當(dāng)系統(tǒng)判斷出該檔位已經(jīng)滿負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)提示操作人員減檔操作，并提示操作人員選擇合適的檔位。操作人員選擇低檔位后，系統(tǒng)控制油門逐步增加，實(shí)現(xiàn)泵出口壓力進(jìn)一步增加。經(jīng)過順序減檔，系統(tǒng)能夠控制泵出口壓力恒定，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效率作業(yè)。在這種工況下，除了實(shí)現(xiàn)對(duì)油門的自動(dòng)控制外，還要實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和泵的安全檢測，使系統(tǒng)高效、安全運(yùn)行。

為了系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行，系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)模式。當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)，原有系統(tǒng)可以運(yùn)行，控制系統(tǒng)只是實(shí)現(xiàn)安全檢測與報(bào)警，與原有系統(tǒng)安全報(bào)警系統(tǒng)同時(shí)工作，實(shí)現(xiàn)雙重報(bào)警，提高系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠性。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí)，為了進(jìn)一步提高安全可靠性，系統(tǒng)設(shè)置緊急停車人為干預(yù)裝置，當(dāng)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行，而傳感檢測系統(tǒng)出現(xiàn)故障，操作人員可以通過操作面板上緊急按鈕，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

整個(gè)系統(tǒng)采用PLC+嵌入式智能人機(jī)界面（包括工業(yè)平板電腦、嵌入式系統(tǒng)、嵌入式編程軟件）的結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)圖見圖1.2。PLC作為主控單元，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制。嵌入式智能人機(jī)界面作為操作員與計(jì)算機(jī)交互的接口，負(fù)責(zé)與PLC之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)顯示以及提供友好的操作員界面。嵌入式系統(tǒng)能夠滿足特定用戶的需求，能夠按照客戶需要對(duì)軟硬件進(jìn)行合理剪裁，剪裁后的系統(tǒng)具有集成度高、性價(jià)比高、功耗低、體積小等特點(diǎn)，滿足系統(tǒng)小型化的要求，系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度得到進(jìn)一步提高。

作者簡介：王小華（1980-），山東省安丘市人，大學(xué)本科，工程師。