电气自动化技术增压稠化仪中的应用

电气自动化技术增压稠化仪中的应用

董亚超

（天津科力奥尔工程材料技术有限公司，天津市 300000 ）

摘要：随着我国工业的不断发展进步, 石油固井检测仪器制造已从初期的仿制，发展到关键技术引进、自主开发创新。电气自动化技术在固井检测仪器增压稠化仪中应用,有利于实现固井仪器的便捷化、可视化、智能化。在电气自动化控制之中，运用PLC（可编程逻辑控制器）和HMI（人机交互界面）技术，能够使仪器的自动化水平得到良好提升，更好的发挥仪器性能。PLC和HMI在增压稠化仪的应用方法, 希望对促进我国石油固井检测仪器可持续发展做出积极贡献。

关键词：电气自动化; PLC和HMI；石油固井检测仪器;增压稠化仪；应用;

1 引言

我国属于发展中国家，对于石油检测检测仪器的开发较晚，仪器整体自动化水平低，实验效率低。电气自动化在增压稠化仪中的应用，提升了我国的工业自动化水平，极大提高了实验效率和实验的准确性。

2 增压稠化仪的概述

2.1增压稠化仪的作用

增压稠化仪是用于模拟井下高温、高压环境并连续测量油井水泥稠度变化及稠化时间的仪器。稠化时间是从给水泥浆加温加压时起至水泥浆稠度达到不能泵送时（ 如70或100Bc，Bc为稠度单位）所经历的时间^[1]。在整个固井作业中，注入水泥需要在稠化时间内完成，以保证施工的安全性。

2.2增压稠化仪的组成及使用

增压稠化仪主要由可以承受高温高压的反应釜、圆筒式的旋转浆杯、电位计、加热器、温度控制和测量系统、压力控制和测量系统、稠度测量系统、电机传动系统组成。实验时将搅拌好的水泥倒入浆杯中，浆杯内装有一个静止的搅拌叶总成，用于传动水泥浆的阻力，之后将浆杯放入反应釜的驱动盘上。启动搅拌电机，保证浆杯以150±15RPM旋转，放入电位计，使电位计与搅拌叶轴的驱动板咬合，此时电位计的指针会随着水泥稠度的变化而摆动。之后密闭反应釜，向反应釜内注满烃类油并锁紧热电偶螺母。开始实验，温度控制系统按设定温度控温，压力控制系统按设定压力控压，模拟井下高温高压环境，测量水泥浆的稠度变化，得出水泥浆的稠化时间。

2.3 增压稠化仪的现状

目前增压稠化仪控制部分多以控制仪表和手动阀门为主，该方法存在以下缺点：（1）实验员需在控制仪表设置实验参数，仪表参数较多，按键操作不方便，参数设置容易出错，造成实验失败。（2）实验时由于忽视油箱液位，经常出现反应釜不能正常住满现象，影响实验的正常进行。（3）压力控制过程中，需要人为干预，控制泵和泄压阀，操作不便且存在误差（4）实验过程中温度、压力、稠度信息在三个仪表分别显示，数据不够直观且不便于保存。（5）仪器只有报警指示灯，报警原因不够明确，实验员需要自行查找报警原因，不利于仪器的检修。

3 PLC概述

PLC是一种专为在工业环境下应用而设计的的数字运算操作的电子系统。它采用一种可编程序的存储器，可以在其内部存储并执行逻辑运算、计数、定时、顺序控制、和算术运算等操作指令，通过数字式和模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备，并且相关的外围设备易于集成扩充，便于与工业系统连成一个整体。

PLC技术主要具有以下几方面特点：（1）实用性强，应用简单。PLC的硬件端口简单实用，接线方便美观。在编辑用户程序是可以使用图形符号、梯形图语言和表达方式等，容易理解和接受，便于使用。工程技术人员可以通过编译程序，检查是否有基本的语法错误。程序完成后，可以离线模拟仿真，缩短开发周期（2）维护和改造方便。PLC采用了存储逻辑的设计方法，大大减少了设备外设接线数量，降低了接线的复杂程度和接线错误的概率，便于设备的调试和后期维护维修（3）抗干扰能力强，可靠性高。PLC应用了大规模的集成电路，内部电路采用屏蔽、滤波、隔离、接地等措施，提高了系统的抗干扰的能力和可靠性。^[2]

4 电气自动化在增压稠化仪的应用

电气自动化在增压稠化仪的应用，主要是通过PLC和HMI组成控制系统，来提升仪器的自动化水平，以实现增压稠化仪便于操作，实验数据便于观察存储，异常便于解决。PLC通过通讯模块和模拟量模块，集中采集增压稠化仪温度、压力、稠度及其他开关量信号，根据用户程序，控制加热器、搅拌电机、增压泵、电磁阀协调工作，保证实验正常运行。仪器的实验数据、设备状态在HMI显示，便于实验员查看。

4.1 PLC在温度控制的应用分析

温控器的热电偶插入水泥浆中，实时测定水泥浆温度。PLC与温控器通过Modbus RTU通讯，读取温控器温度、加热功率信息，并显示在HMI。实验员可在HMI上设置实验的目标温度和升温时间，PLC将设置好的参数自动下发至温控器，简单方便，不容易出错。实验开始后，温控器通过PID算法，控制固态继电器，从而加热器功率，实现水泥浆按照设定的温度时间参数升温、保温。

4.2 PLC在压力控制的应用分析

压力传感器为4-20ma模拟量信号， PLC通过模拟量模块读取该信号，通过AD转换，将模拟量转换为数字量，通过换算计算出实际压力。PLC输出端通过开关量控制增压泵和泄压阀交替工作，以实现压力的自动控制。当反应釜内压力低于设定压力减补压偏差时，启动增压泵，到达理论压力后泵停止工作；当反应釜内压力超过设定压力加泄压偏差后，通过气控针阀泄压至理论压力，从而使反应釜压力控制在理论压力的±1MPa以内。压力偏差的设置可有效避免泵的频繁启停，延长泵的使用寿命。

4.3 PLC在稠度检测的应用分析

水泥浆的稠度用伯登（Bc）表示，稠度值的测量由电位计装置和电位计电压测量电路组成。水泥浆在搅拌工程中，电位计会产生不同的角度，即不同的电压值。使用典型的电位计测量稠度前需要校准，校准通常挂砝码方式实现，50g时产生的转矩对应稠度为9Bc，PLC记录此时电位计的电压值V1，400g时产生的转矩对应稠度为100Bc，记录此时电位计电压值V2^[3]。 实验过程中，搅拌水泥浆电位计转过的角度产生的电压值V，对应的稠度值为

4.4 HMI在图形显示和保存的应用分析

应用PLC和HMI自动化控制，可以灵活的在HMI展示更多图形信息和数据，做好增压稠化仪整体状态展示。PLC和HMI的自动化图形显示，主要包括电磁阀状态、电机状态、温度信息、压力信息、稠度信息、液位信息等。。利用HMI趋势图控件，实验过程中记录温度、压力、稠度曲线，实验员可直观查看实验数据和实验的整体趋势，从而对实验有一个整体的评估。通过USB延长线，将触摸屏的USB口延长至操作面板，以便于U盘的插入和拔出。通过截屏至U盘操作方法，便于实验数据存储。

4.5 PLC在故障诊断的应用

仪器在使用过程中，会遇到各种故障，利用PLC和HMI可以快速的发现故障解决故障。当故障发生时，蜂鸣器报警提示并在HMI提示报警信息：（1）仪器定义了油箱液位液位低和油箱液位高报警，当油箱液位不在正常范围时，提醒实验员补油、排油。（2）仪器定义了气源压力低报警和气源压力高报警，当压力不在正常范围时报警提示，以保证电磁阀和增压泵可以正常工作。（3）仪器定义了稠度报警。当测量稠度大于设定值时，仪器报警提醒实验员，防止实验时间过长，水泥凝固在浆杯，难以拆卸和冲洗。（4）仪器定义了压力保护值报警，当压力达到极限值时，仪器报警，停止加热和补压，保证仪器的安全性。（图1）

5 应用效果

1. 通过PLC和HMI的系统，实验员可在触摸屏输入实验编号、起始压力、目标压力、目标温度和升温时间（图2），操作方便简洁，极大提高了实验效率和实验的准确性。

2. 通过PLC自动控制增压泵和泄压阀交替工作，保证实验压力在理论压力范围，不需要人为干预，手动控制阀门，极大提高了实验效率和实验的准确性、重复性。

3. HMI实时显示温度、压力、稠度数据，并通过曲线的方式显示整体趋势。实验员可直观的看到温度、压力、稠度数据以及实验的整体趋势。实验画面会记录水泥浆初稠，30Bc，40Bc，70Bc，100Bc的时间。HMI可通过设置实验编号并截图保存，将曲线和数据存储至U盘，操作简单。截图保存后，图片以实验编号命名保存至U盘，便于根据文件名称，查找实验数据（图3）。

4. HMI显示报警信息，当仪器出现故障或异常时，蜂鸣器报警并显示报警信息，方便故障分析和问题查找。实验员能够结合反馈结果，第一时间解决问题，确保仪器安全稳定运行。

6 未来仪器的发展趋势

仪器运用PLC和HMI，极大提高了自动化水平，随着科学技术的发展，未来仪器将不再局限于实验室。通过物联网技术，可以通过微信或其他App远程访问仪器，读取仪器的实验数据。实验数据自动存储至云端，方便保存和查询。未来仪器会更加集成化、智能化、信息化。

7 结束语

　　通过合理利用电气自动化控制系统，PLC和HMI在增压稠化仪进行有效的应用，能够实现仪器的便捷化、可视化、智能化。工作效率得到稳步的提升，同时，实验的准确性、可重复性也在不断地加强，这样能够极大的减少实验过程中造成的浪费，降低企业和国家生产成本。

图1

图2

图3

参考文献

1[]. GB/T 19139—2012, 油井水泥试验方法[S].

2[].王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008：99-107.

3[].GB12038-2005.油井水泥[S].