基于plc+高速開關(guān)閥的液動(dòng)節(jié)流壓力控制方法

基于plc+高速開關(guān)閥的液動(dòng)節(jié)流壓力控制方法

隨著油氣資源的勘探和開發(fā)，狹窄壓力窗口層開挖中的問題越來越嚴(yán)重。精細(xì)控壓鉆井技術(shù)是為有效解決傳統(tǒng)鉆井中常出現(xiàn)溢流或井漏等復(fù)雜情況而發(fā)展起來的一項(xiàng)鉆井技術(shù)。節(jié)流壓力控制系統(tǒng)是精細(xì)控壓鉆井技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一,可以通過控制節(jié)流閥開度來控制節(jié)流壓力,達(dá)到快速控制井筒壓力的目的。國外對控壓鉆井的研究較早,技術(shù)相對比較成熟,而國內(nèi)起步晚,控壓設(shè)備大都是在欠平衡壓力鉆井設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)過來的。目前,國內(nèi)正在大力提高控壓鉆井裝備和技術(shù)的自主研發(fā)能力。傳統(tǒng)的“PID+比例伺服閥”控制技術(shù)在控制過程中常出現(xiàn)過沖、定位困難和壓力波動(dòng)比較劇烈等技術(shù)問題,難以實(shí)現(xiàn)節(jié)流壓力的精確控制。針對以上問題,筆者提出了基于“PLC+高速開關(guān)閥”的液動(dòng)節(jié)流壓力控制方案,完成了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用勞斯判據(jù)理論、Matlab模擬仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證,對控制系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)模型1.1節(jié)流閥控制的實(shí)現(xiàn)為了滿足控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,結(jié)合PLC和高速開關(guān)閥的控制特點(diǎn),制定了液動(dòng)節(jié)流壓力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案(見圖1)。以液動(dòng)節(jié)流閥作為控制對象的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)包括傳感器模塊、PLC控制模塊、電液控制模塊以及顯示參數(shù)輸入模塊。節(jié)流閥控制可以自動(dòng)對所采集的真實(shí)壓力與設(shè)定壓力進(jìn)行比較。當(dāng)真實(shí)壓力大于設(shè)定壓力且壓差大于所設(shè)定的壓差時(shí),控制節(jié)流閥打開,從而降低井口回壓;當(dāng)真實(shí)壓力小于設(shè)定壓力且壓差大于所設(shè)定的壓差時(shí),進(jìn)行節(jié)流閥關(guān)閉控制,從而提高井口回壓。當(dāng)壓差小于設(shè)定的壓差時(shí),不對節(jié)流閥進(jìn)行控制(見圖2)。關(guān)健參數(shù)的實(shí)時(shí)采集是節(jié)流壓力控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題之一,關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括套壓、分離器出口壓力、氣液流量、節(jié)流閥開度和泵沖等。傳感器采集參數(shù)信號,并將模擬信號變送為4～20mA電流信號或0～5V電壓信號。所采集的各路傳感器電流信號通過擴(kuò)展模塊(選用EM231)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化后寫入PLC,PLC處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并將控制指令傳送到電液控制模塊。電液控制模塊包括液壓控制裝置、高速開關(guān)閥、換向閥和手動(dòng)控制裝置等(見圖3)。液壓裝置接收PLC控制指令,通過控制高速開關(guān)閥和換向閥控制液壓油的流向和流速,轉(zhuǎn)換成節(jié)流閥閥芯位移變化。PLC利用RS-232與工控機(jī)進(jìn)行交互操作,通過組態(tài)軟件將各路采集參數(shù)在控制系統(tǒng)顯示器上顯示,根據(jù)控壓鉆井現(xiàn)場施工對壓力的控制要求,操作人員將預(yù)設(shè)控制參數(shù)通過軟件寫入PLC。整個(gè)控制系統(tǒng)通過控制節(jié)流閥開度達(dá)到控制節(jié)流壓力的目的,滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。當(dāng)PLC控制電磁換向閥端1給電時(shí),銜鐵左移,使a與c連通,b與d連通,液壓油從高速開關(guān)閥B1后端進(jìn)入液動(dòng)節(jié)流閥,從B2流出液動(dòng)節(jié)流閥。反之,當(dāng)PLC控制電磁換向閥端2給電時(shí),銜鐵右移,使a與d連通,b與c連通,液壓油從高速開關(guān)閥B2后端進(jìn)入液動(dòng)節(jié)流閥,從B1流出液動(dòng)節(jié)流閥,推動(dòng)節(jié)流閥M內(nèi)部活塞左右移動(dòng)。1.2節(jié)流閥壓降的數(shù)學(xué)模型依據(jù)液壓控制的傳遞關(guān)系,利用PLC輸出脈沖控制高速電磁開關(guān)閥的開閉,控制液壓油流量發(fā)生變化,使液壓缸兩腔體產(chǎn)生壓差,推動(dòng)活塞移動(dòng),帶動(dòng)液動(dòng)節(jié)流閥閥桿運(yùn)動(dòng),從而改變流經(jīng)節(jié)流閥的鉆井液流速,達(dá)到改變節(jié)流壓力的目的。高速電磁開關(guān)閥導(dǎo)通時(shí)間與液壓油流量,導(dǎo)通時(shí)間與液壓缸活塞位移以及液壓缸推力的函數(shù)關(guān)系式為:ΔQ=ΔtΤC1Μ(1)Δl=ΔtΤC1ΜΔtS(2)F=π4(d20-d2m)pm+π4d21pn+C2(pm-pn)(3)ΔQ=ΔtTC1M(1)Δl=ΔtTC1MΔtS(2)F=π4(d20?d2m)pm+π4d21pn+C2(pm?pn)(3)其中C1=CdAp(4)C2=CqCvπΔlsin2α(5)Μ=√2Δpsp(6)dm=d1+d22(7)C2=CqCvπΔlsin2α(5)M=2Δpsp????√(6)dm=d1+d22(7)根據(jù)式(1)、(2)和(3)推導(dǎo)出節(jié)流壓降的數(shù)學(xué)關(guān)系式為:Δp=pm-[p3-(C1ΜΔtCdASAΤ)2]SAΚ-[p6+(C1ΜΔt2CdASBΤS)2]SBΚ+π4(d20-d2m)pm+C2pmπ4d21-C2(8)Δp=pm?[p3?(C1MΔtCdASAT)2]SAK?[p6+(C1MΔt2CdASBTS)2]SBK+π4(d20?d2m)pm+C2pmπ4d21?C2(8)式中:ΔQ為導(dǎo)通時(shí)間注入的液壓油流量,m3/s;Δl為液壓缸活塞位移,m;p為液壓油源壓力,MPa;Δps為液壓油源壓力變化值,MPa;F為節(jié)流閥軸向作用力,N;Δt為導(dǎo)通時(shí)間,s;T為電磁開關(guān)閥在Δt時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通的運(yùn)行周期,s;p3為三位四通電磁換向閥入口壓力,MPa;p6為液壓源油箱壓力,MPa;pm為節(jié)流閥入口壓力,MPa;pn為節(jié)流閥出口壓力,MPa;Ap為流通面積,m2;ASA為三位四通電磁換向閥m→n路全開時(shí)的面積,m2;ASB為三位四通電磁換向閥o→p全開時(shí)的面積,m2;SA為液壓缸A腔壓力作用面積,m2;SB為液壓缸B腔壓力作用面積,m2;S為節(jié)流閥閥芯截面面積,m2;d0為液壓缸活塞直徑,m;d1為節(jié)流閥出口直徑,m;d2為閥芯最大直徑,m;dm為節(jié)流閥流道平均內(nèi)徑,m;Cd為開關(guān)閥的流量系數(shù);Cq為節(jié)流閥流量系數(shù);Cv為返出鉆井液流量系數(shù);α為錐形角弧度,rad;K取1.1～1.2。從式(8)可以看出,該式包含液壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)(液壓油源壓力p、三位四通電磁換向閥入口壓力p3、電磁換向閥截面面積ASB等)以及節(jié)流閥相關(guān)參數(shù)(液壓缸活塞直徑d0、節(jié)流閥出口直徑d1等),給出液壓系統(tǒng)和節(jié)流閥的參數(shù),就能計(jì)算出相應(yīng)的節(jié)流閥壓降。由此從理論上證明,用液壓控制系統(tǒng)控制節(jié)流閥開度達(dá)到調(diào)節(jié)節(jié)流壓降的設(shè)計(jì)思想是可行的。2系統(tǒng)仿真分析2.1傳遞函數(shù)關(guān)系依據(jù)液壓控制的傳遞關(guān)系分析,系統(tǒng)利用PLC對由傳感器采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較,根據(jù)其差異大小來控制高速開關(guān)閥與換向閥的動(dòng)作以控制液壓回路中液壓油的流向與流量,并由液壓油的流向和流速控制節(jié)流閥的開度,傳感器采集到節(jié)流閥的開度信號,輸入PLC進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。基于上述傳遞關(guān)系可推理得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)關(guān)系(見圖4)。圖4中,U0為預(yù)設(shè)電壓;Uf為傳感器采集的電壓;電壓比較值ΔU=Uf-U0;W1(S)=ΚQτS+1W1(S)=KQτS+1;W2(S)=ΚqAW2(S)=KqA;W3(S)=1(1w2nS3+2ξwnS2+S)W3(S)=1(1w2nS3+2ξwnS2+S);W4(S)=Kf。由圖4可知,系統(tǒng)及閉環(huán)傳遞函數(shù)為:φ(S)=W1(S)W2(S)W3(S)1+W1(S)W2(S)W3(S)W4(S)(9)φ(S)=W1(S)W2(S)W3(S)1+W1(S)W2(S)W3(S)W4(S)(9)即:φ(S)=ΚQΚqA(τS+1)(1w2nS3+2ξwnS2+S)+ΚQΚqΚf(10)φ(S)=KQKqA(τS+1)(1w2nS3+2ξwnS2+S)+KQKqKf(10)式中:KQ為高速開關(guān)閥流量增益;τ為時(shí)間常數(shù);Kq為液壓缸的流量增益;A為液壓缸工作面積,m2;wn為無阻尼振蕩頻率,Hz;ξ為液壓阻尼比;Kf為閉環(huán)系統(tǒng)中傳感器增益。2.2kvkf的確定穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo),常采用勞斯判據(jù)來判斷閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由式(10)可推知,系統(tǒng)的特征方程為:τw2nS4+2τξ+1w2nS3+2ξ+τwnwnS2+S+ΚvΚf=0(11)τw2nS4+2τξ+1w2nS3+2ξ+τwnwnS2+S+KvKf=0(11)根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料,可知wn為80;計(jì)算得出液壓阻尼比ξ為0.2;τ常取0～1.0;位移傳感器的動(dòng)態(tài)特性較弱,可以忽略不計(jì),傳感器增益Kf常取100。經(jīng)推導(dǎo)計(jì)算可知,式(11)中各系數(shù)都大于0,且a1a2-a0a3>0,a1a2a3-a0a2323-a2121a4>0(其中各項(xiàng)系數(shù)a0=τw2n?a1=2τξ+1w2n?a2=2ξ+τwnwn?a3=1?a4=ΚvΚf),根據(jù)勞斯判據(jù)中四階系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件可知,該系統(tǒng)是穩(wěn)定的。2.3系統(tǒng)性能分析利用Matlab軟件對控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行模擬仿真,分別給予單位脈沖信號和單位階躍信號進(jìn)行激勵(lì),仿真得出振幅與時(shí)間變化的響應(yīng)曲線(見圖5)。根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定、快速的設(shè)計(jì)原則,對控制系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。從圖5可以看出,在單位脈沖信號的激勵(lì)下,信號出現(xiàn)震蕩,隨著激勵(lì)信號的消失,系統(tǒng)快速恢復(fù)到自身平衡狀態(tài)(恢復(fù)時(shí)間1s),說明該系統(tǒng)具有抗外界干擾信號能力強(qiáng)的特性。該系統(tǒng)在階躍信號的激勵(lì)下出現(xiàn)大幅度的變化,振幅快速到達(dá)一個(gè)位置波動(dòng),并在短時(shí)間內(nèi)維持到某個(gè)位置。模擬計(jì)算出其超調(diào)量20%,延遲時(shí)間0.2s,調(diào)節(jié)時(shí)間0.6s,根據(jù)這3個(gè)技術(shù)參數(shù)可判斷出該控制系統(tǒng)滿足工程設(shè)計(jì)要求,能夠?qū)崿F(xiàn)對控制量的精確測控。對該系統(tǒng)進(jìn)行頻域分析,可以看出幅值裕度為41.8db,相位裕度為84°,都大于0且相位裕角大于45°,說明該系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。3控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性在室內(nèi)和現(xiàn)場對該液動(dòng)節(jié)流壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行控壓鉆井試驗(yàn),根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,參考試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳細(xì)分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性(響應(yīng)時(shí)間)和準(zhǔn)確性等3個(gè)性能指標(biāo)。將控制壓力從0MPa順次升至7MPa,控制初始階段控制壓力從0MPa變?yōu)?MPa,節(jié)流閥從初始開度40mm調(diào)節(jié)至控制位置的時(shí)間是17s,控制執(zhí)行迅速,滿足工程要求(見圖6)。當(dāng)控制壓力穩(wěn)定在某值時(shí),節(jié)流閥停止動(dòng)作,隨著控制壓力的依次變化,節(jié)流閥開度相應(yīng)地發(fā)生變化,說明控制壓力的跟隨性比較好,并且沒有出現(xiàn)過沖現(xiàn)象,說明控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速,穩(wěn)定性較好。由現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)對比曲線(見圖7)可知,理論計(jì)算數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)的曲線形狀相似。經(jīng)計(jì)算可知,相對誤差平均為4.0%,滿足現(xiàn)場對控壓鉆井的工程要求。這說明該控制系統(tǒng)的控制精度較高,控制效果良好,系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確性。4