張培志 侯勇俊 蔡科濤 龍 磊

(西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院1，四川 成都 610500;西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2，四川 成都 610500;青海油田天然氣開發(fā)公司3，青海 格爾木 816000)

0 引言

往復(fù)泵可在高壓下輸送高黏度、大密度和高含砂量的液體，具有效率高、排出壓力大等優(yōu)點(diǎn)，在石油鉆井、酸化壓裂、注水等石油礦場生產(chǎn)過程中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，其對往復(fù)泵的要求也越來越高。傳統(tǒng)的往復(fù)泵在技術(shù)日益成熟的同時(shí)也存在一些問題，如流量壓力波動大、易損件壽命短、質(zhì)量大等缺點(diǎn);為了使排量均勻，并提高泵的吸入性能，往復(fù)泵需要加裝排出、吸入空氣包等。針對傳統(tǒng)往復(fù)泵的上述缺點(diǎn)，國內(nèi)學(xué)者提出了一種三直線電機(jī)往復(fù)泵［2－3］。

研究表明，三直線電機(jī)往復(fù)泵具有輸出壓力大、制造維修方便、流量壓力脈動小等特點(diǎn);三直線電機(jī)往復(fù)泵不需設(shè)置排出空氣包，就可以使排量均勻度達(dá)到高性能水平［4］。為了驗(yàn)證理論研究的正確性，本文研制了一種以計(jì)算機(jī)為核心的雙作用三直線電機(jī)驅(qū)動往復(fù)泵試驗(yàn)裝置。

1 往復(fù)泵裝置工作原理

雙作用三直線電機(jī)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三直線電機(jī)往復(fù)泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the triple linear motor reciprocating pump

通過控制該裝置的閥門，不但可以進(jìn)行單直線電機(jī)和三直線電機(jī)驅(qū)動往復(fù)泵控制技術(shù)研究;同時(shí)也可以分別進(jìn)行單作用輸送和雙作用輸送穩(wěn)定性研究［4－5］。

通過改變直線電機(jī)工作電源的頻率，直線電機(jī)驅(qū)動往復(fù)泵可以調(diào)節(jié)直線運(yùn)動速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)往復(fù)泵沖次、調(diào)節(jié)排量的目的。

單作用是指直線電機(jī)只驅(qū)動1個往復(fù)泵。該試驗(yàn)裝置的每臺直線電機(jī)可以驅(qū)動2個左右的往復(fù)泵。當(dāng)直線電機(jī)的動子-活塞組件從左向右運(yùn)動時(shí)，左邊的往復(fù)泵工作于吸入狀態(tài)，而右邊的往復(fù)泵工作于排出狀態(tài);當(dāng)直線電機(jī)的動子-活塞組件從右向左運(yùn)動時(shí)，左邊的往復(fù)泵工作于排出狀態(tài)，而右邊的往復(fù)泵工作于吸入狀態(tài)。顯然，雙作用比單作用的效率更高、穩(wěn)定性更好。

三直線電機(jī)往復(fù)泵的三個直線電機(jī)都可以單獨(dú)控制，并進(jìn)行單電機(jī)試驗(yàn)。單電機(jī)試驗(yàn)的主要目的是為了測試系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的參數(shù)，建立動子-活塞組件沖程和沖次與直線電機(jī)速度控制的關(guān)系，從而為三直線電機(jī)協(xié)調(diào)控制打下基礎(chǔ)。

三直線電機(jī)動子-活塞組件的速度與位置呈一一對應(yīng)的關(guān)系［6］。設(shè)S為一個往復(fù)泵內(nèi)部活塞的沖程，控制3個電機(jī)之間的行程差各為S/3，以1號直線電機(jī)為參考，它超前2號直線電機(jī)和3號直線電機(jī)的行程分別為S/3行程和2S/3行程。因此，通過控制三個直線電機(jī)動子-活塞組件的位置，就可以實(shí)現(xiàn)三直線電機(jī)協(xié)調(diào)控制。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件

直線電機(jī)驅(qū)動往復(fù)泵控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

大數(shù)據(jù)的興起，使人們的生活發(fā)生著前所未有的變化，不僅表現(xiàn)在各行各業(yè)的發(fā)展上而且也對整個教育體系產(chǎn)生巨大的影響。它不斷推動著教育體系改革和創(chuàng)新，許多學(xué)者都探討了在大數(shù)據(jù)影響下教育體系變革的趨向和教育模式等

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware of the control system

根據(jù)直線電機(jī)往復(fù)泵試驗(yàn)裝置工作原理，設(shè)計(jì)了雙作用三直線電機(jī)往復(fù)泵試驗(yàn)裝置的計(jì)算機(jī)直接控制系統(tǒng)。

系統(tǒng)硬件部分主要由以下幾個部分組成:3個三相圓筒型直線異步電動機(jī)、3個位移傳感器、1個壓力傳感器、1個流量傳感器、3臺變頻器、1個PCI信號采集卡、1個RS-232/RS-485通信轉(zhuǎn)換器。

系統(tǒng)每臺電機(jī)的控制回路由檢測單元、運(yùn)算單元和控制單元組成，3臺電機(jī)共有3個控制回路。作為核心控制單元的計(jì)算機(jī)，負(fù)責(zé)采集位移信號。通過控制算法運(yùn)算后，再通過通信接口，把控制信號發(fā)送給變頻器;由變頻器控制直線電機(jī)驅(qū)動往復(fù)泵工作，從而實(shí)現(xiàn)對直線電機(jī)速度、位移等的協(xié)調(diào)控制;最終實(shí)現(xiàn)對往復(fù)泵沖程和沖次的控制，使匯管流量和壓力穩(wěn)定在一定的數(shù)值。

在系統(tǒng)匯管出口安裝有1只壓力變送器和1只流量變送器，負(fù)責(zé)采集各種控制模式下的液體輸送出口工況。

2.2 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用VB程序編寫，主程序流程框圖如圖3所示。

圖3 主程序框圖Fig.3 Main program

在測控系統(tǒng)硬件電路確定之后，其主要功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。

為了達(dá)到實(shí)時(shí)、靈活、可靠、有效等要求，將測控應(yīng)用軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要模塊及其相應(yīng)的功能分別介紹如下。

①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集及處理模塊。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集程序主要完成5路模擬信號的采樣、輸入變換、存儲等;數(shù)據(jù)處理程序主要完成標(biāo)度變換和實(shí)時(shí)曲線繪制。其中，標(biāo)度變換是把采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成操作人員熟悉的工程量，實(shí)時(shí)曲線繪制是把采集的數(shù)據(jù)通過曲線直觀地表達(dá)給操作者。

②控制模塊。控制模塊主要控制直線電機(jī)按照一定的速度曲線實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動，最終三直線電機(jī)按照給定的運(yùn)動規(guī)律實(shí)現(xiàn)主從同步協(xié)調(diào)控制。因此，對控制結(jié)構(gòu)的研究是該測控系統(tǒng)的重點(diǎn)。

③監(jiān)控報(bào)警模塊。該模塊針對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的毀壞情況進(jìn)行自動檢測，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，立刻報(bào)警并自動停止工作。

④系統(tǒng)管理模塊。該模塊首先將各個功能模塊組成一個程序系統(tǒng)，并管理調(diào)用各個功能模塊運(yùn)行;其次是管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。

⑤數(shù)據(jù)通信模塊。該模塊主要完成計(jì)算機(jī)與變頻器之間、計(jì)算機(jī)與PCI數(shù)據(jù)采集卡之間的信息傳遞和交換。其具體任務(wù)是設(shè)置數(shù)據(jù)傳送的波特率、向數(shù)據(jù)采集卡和變頻器發(fā)送機(jī)號、接收和判斷采集發(fā)回的機(jī)號、命令數(shù)據(jù)采集卡傳送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)采集卡傳來的數(shù)據(jù)以及發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)到變頻器等。

2.2.1 單直線電機(jī)試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

單直線電機(jī)試驗(yàn)程序主要由參數(shù)設(shè)定模塊、速度控制模塊、報(bào)警與數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊等組成。其程序框圖如圖 4 所示［7－10］。

圖4 試驗(yàn)程序框圖Fig.4 Test programs

單電機(jī)動子-活塞組件的沖程S與某一速度之間的實(shí)測速度曲線如圖5所示。在一個吸入沖程S或排出沖程S內(nèi)，電機(jī)都有一個速度上升階段、速度恒定階段和速度下降階段。通過控制直線電機(jī)的速度，就可以得到需要的動子-活塞組件沖次。需要注意的是，在吸入沖程與排出沖程之間，需預(yù)留有一定的死區(qū)，以克服電機(jī)反向時(shí)的慣性。

圖5 單直線電機(jī)試驗(yàn)實(shí)測速度曲線Fig.5 The measured speed curve of single linear motor test

2.2.2 三直線電機(jī)試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

三直線電機(jī)試驗(yàn)程序框圖與單直線電機(jī)試驗(yàn)程序框圖類似。它與單直線電機(jī)控制的主要區(qū)別在于虛框內(nèi)的速度控制器不同，單直線電機(jī)只有1個速度控制器，而三直線電機(jī)需要3個速度控制器。為了實(shí)現(xiàn)三直線電機(jī)協(xié)調(diào)控制往復(fù)泵，三直線電機(jī)速度控制器軟件編程采用了主從同步結(jié)構(gòu)。速度控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示。只需設(shè)定1號直線電機(jī)的給定信號，2號和3號直線電機(jī)的給定信號程序按主從同步規(guī)律自動生成。該速度控制器結(jié)構(gòu)還可以補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差以及反饋回路的系統(tǒng)誤差。速度控制器結(jié)構(gòu)既控制了速度，又控制了相位，達(dá)到了速度相位協(xié)調(diào)控制的目的。

圖6 速度控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of the speed controller

三直線電機(jī)動子-活塞組件的實(shí)測速度曲線如圖7所示［6］。

圖7 三直線試驗(yàn)實(shí)測速度曲線Fig.7 The measured speed curves of triple linear motor test

3 結(jié)束語

本文所研制的雙作用三直線電機(jī)往復(fù)泵試驗(yàn)裝置可減少中間過程中的能量損耗，克服傳統(tǒng)往復(fù)泵傳動鏈長、系統(tǒng)柔性差、效率低、壓力波動大、沖程不便調(diào)節(jié)以及維修不方便等缺點(diǎn)。各缸間無機(jī)械耦合，完全依靠控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求的運(yùn)動相位和運(yùn)動速度，可方便實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)。因此，該裝置的成功研制對直線電機(jī)在往復(fù)泵中的應(yīng)用具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

［1］朱俊華.往復(fù)泵及其它類型泵［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:1－64.

［2］侯勇俊，閆國興，劉金生.直線電機(jī)驅(qū)動的往復(fù)泵:中國CN200420061662.1［P］.2005－11－16.

［3］周小稀.直線電機(jī)驅(qū)動的往復(fù)泵:中國，CN200410030847.0［P］.2005－01－12.

［4］侯勇俊，李蓓蓓，張培志，等.單作用直線電機(jī)三缸往復(fù)泵運(yùn)動特性研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，31(5):163－166.

［5］侯勇俊.直線電機(jī)驅(qū)動雙作用多缸往復(fù)泵:中國，實(shí)用新型，200620033246［P］.2007－05－09.

［6］侯勇俊，蔡科濤，張培志.雙作用直線電機(jī)三缸往復(fù)泵運(yùn)動特性研究［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38(8):12－16.

［7］黃培.電動機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動化儀表，2010，31(4):30－33.

［8］張恒云.三直線電機(jī)往復(fù)泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路［J］.制造業(yè)自動化，2010，33(12):48－49.

［9］黎虎，游有鵬.基于PLC和變頻器的直線電機(jī)驅(qū)動門控制系統(tǒng)［J］.電機(jī)技術(shù)，2008(4):22－28.

［10］祝淑萍，劉德君.單神經(jīng)元PID雙直線電機(jī)同步控制［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(6):84－86.