海上智能电潜泵专用变频控制系统研究

    李占彪 李志鹏 苗杰

    摘 要：针对现有的潜油电泵变频控制系统进行技术升级，实现变频控制系统的电潜泵专用化、智能化。根据油层压力、井况参数的改变，油井工作状态会发生相应的改变，这就要求采用潜油电泵的机采井的运行参数作相应的调整，以适应油井的变化，使油井生产处于最佳的工作状态。主要升级技术为：井下压力反馈智能控制技术。

    关键词：变频系统;潜油电泵;智能控制;压力反馈

    1 概述

    海上平台控制潜油电泵所采用的工频控制柜，近年来的发展趋势为单一功能拓展为多功能。潜油电泵采油的生产形式在变频控制系统的控制下，具有以下几条明显的优点：（1）可以节省整个平台上与潜油电泵驱动控制相关的能耗;（2）可以最大限度的保证油井的出油率及产量;（3）提高电潜泵机组的可监控性及其平均使用寿命。变频器除了在海上平台使用外，在其余的工业生产、变频调速控制方面也有相关的应用，故海上平台变频器对于海上平台的采油工况并没有相关的定制化程序及功能，专用性专业性较差。而目前我们通过对油井压力计反馈技术的研究，通过对变频器技术升级，使其功能专业化、智能化，提高潜油电泵的生产效率，从而提高整个平台的产量。

    2 智能控制系统简介

    把一个系统的正向通路及反馈通路进行串联，使其一向的输入成为另一向的输出，则可以实现系统的智能控制，我们也称具有该特征的系统为反馈控制系统。

    以反馈原理为理论依据的系统，我们称之为智能控制系统，即实时或定时根据系统输出端得到的变化数据作为信息，来实现对整个系统的控制，通过比对整个系统的输出与我们对系统输出期望值之间的偏差，并且通过一系列的措施消除该偏差，以期获得预期的系统性能。在智能控制系统中，信号通路一般有两条，即：（1）前向信号通路为输入端至输出端;（2）信号反馈通路为输出端至输入端，其两者相辅相成，组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统也叫做闭环控制系统，而我们在工业中经常使用的自动控制系统，其系统结构及数据处理方式也为该模式。

    能使输出值与期望值保持一致的反馈控制系统，我们称为自动调节系统，能精确跟随指定过程或复现指定过程的反馈控制系统，我们称之为伺服控制系统。

    左侧图标表示将输入值与输出值的差值，通过偏差信号表现出来，该图标表示比较环节，在工程应用中，我们经常把比较环节同控制器一起作为系统内的调节器。海上平台的采油作业中，现场的井下压力由井下压力计或泵工况设备测量，井下压力与给定压力相比较，两者的差值电经过功率放大后用来驱动变频器进行频率调节控制，最终达到稳定的运行频率。

    闭环控制系统同常规系统（指开环系统）比，存在一系列的优点。由于整个系统收到外部因素影响时，或系统内部出现不稳定因素时，导致输出量偏移设定的期望值，整个系统的相关组成部分会相互作用，采取措施，消去偏差量。所以，同開环控制系统比，闭环控制系统可以降低外部干扰的影响，部分元件发生变化，对整个系统的影响不大，改善整个系统的响应特性。

    3 压力反馈智能控制系统设计举例

    3.1 设计目的

    利用油井布置压力计，来采集潜油电泵工作时的相关数据，控制变频器的运行频率;通过改变变频器的运行频率，使得油井内的压力按照甲方的要求在规定范围内波动，实现井上井下一体化的闭环智能控制。

    3.2 硬件及软件组成

    变频器（ATV柜式装置，带有CI编程卡）、井下测试数据采集模块、数据转换模块、CoDeSys编程软件。

    3.3 详细设计方案

    给定变频器一个压力值，通过把接收的实际测量的压力值与变频器给定压力值进行比对，接收的实际测量的压力值高于该给定值时，变频器会根据比对的结果自动提升频率，并且差值越大，变频器频率上升越快，反之亦然，当实际测量的压力值与变频器给定压力值一致时，变频器频率停止变化，并稳定在该频率运行。

    设计方案：利用变频器编程卡的程序设计实现闭环控制。ATV变频器模块上的编程卡又被称为“Controller Inside”（CI）卡，是一个将可编程控制器嵌入变频器的选件。通过利用CoDeSys编程软件进行程序设计并下装到CI卡中，实现对变频器的功能控制。

    CoDeSys 支持完整版本的IEC61131标准的编程环境和六种编程语言可编程超过150家OEM生产的自动装置。CoDeSys提供了许多组合产品的扩充，诸如各种不同领域的总线配置程序、完全的目测化和运动控制系统。除了支持PLC编程，还支持总线接口、驱动设备（特别是伺服，数控）、显示设备、IO设备等的编程。在实际设计中，压力测试模块通过Modbus协议与变频器进行数据通讯，变频器将所收到的数据写入CI卡，通过已下装的CoDeSys控制程序实现闭环控制功能，此种方案可以接收和显示更多的测试数据并可利用触摸屏进

    行数据显示和参数设置。而且频率控制曲线可以通过程序设计任意设置。如图3压力与频率变化曲线。

    4 结论

    经过对现有变频控制系统的技术升级，实现变频控制系统的电潜泵专用化、智能化。压力反馈闭环控制技术实现了油井生产可根据井下情况的自动调产，使油井生产（地层供液和电泵排液）处于合理的平衡状态的油井生产智能控制系统，从而可实现提高生产效率和采收率，延长电机使用寿命，减轻平台操作人员的劳动强度，满足油井高效生产要求。通过专业化设计升级，使整个系统成为海上机械采油设备的智能专用变频控制系统。

    参考文献：

    [1]廖谟圣，杨本灵.世界石油设备发展的新特点及机遇与挑战[J].石油矿场机械，2007，36（09）：1-6.

    [2]王锦标，方崇智.过程计算机控制[M].北京：清华大学出版社，1994.

    [3]威廉斯RI.油气工业监控与数据采集（SCADA）系统[M].北京：石油工业出版社，1995.

    作者简介：李占彪（1983-），男，河北沧州人，本科，工程师，从事电气自动化及通信技术。