基于S7-1200 的水力无杆排采装置的设计与应用

杜 业，刘学文，毕琳琳

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

水力无杆排采装置以高压水作为动力液驱动水力柱塞泵进行排采作业，可有效地解决煤层气大斜度定向井和水平井采用有杆举升方式存在的偏磨的弊端，为煤层气的生产作业提供了新的开采方式。

1 系统结构

水力无杆排采装置的系统结构如图1 所示。它主要由水力柱塞泵、同心管、水箱、换向系统、电磁流量计、压力计、变频器、电动机、PLC 和触摸屏等组成。

图1 中虚线表示装置的电气控制流程：PLC 作为电气控制的核心部件，采集并监测系统的压力、注入流量、采出流量等运行数据，通过控制变频器的输出频率改变电机转速，进而调节水力柱塞泵的排采冲次。触摸屏HMI 用于实现人机交互，具有本地/远程启停控制，可显示系统压力、注入水量、采出水量、运行频率、故障信息等数据，以及调节排采工作制度等。图1 中实线表示系统的水路控制流程：水箱内的水经过往复式注水泵加压后形成高压动力液，通过换向系统在中心管和同心管（中心管与油管）的环空内轮换注入，推动水力柱塞泵的上下往复运动完成井下液的排采。当高压动力液通过同心管的环形空间注入泵腔时，推动水力泵内柱塞下行，同时井下液进入泵腔。当驱动液由中心管注入中心管时，推动水力柱塞泵的泵筒上行，井下液与动力液形成的混合液通过同心管环形空间中排出。混合液经过滤后进入水箱，以补充水力柱塞泵往复运动进行循环吞吐的消耗。井下采出液则经流量计计量后排至地面储水池。

图1 系统结构

水力柱塞泵设计有洗井功能。在洗井时，高压水流持续注入中心管推动柱塞上行至泵组上死点，游动阀随之打开，高压水流冲洗泵内的煤灰排出至地面储水池，完成洗井作业。

2 硬件设计

排采装置以性能稳定的西门子S7-1200 PLC为控制核心，通过博途软件进行组态编程，控制电路如图2 所示。当PLC 控制单元CPU 接收到触摸屏HMI 发送的指令后，程序运算控制并完成相应的输出至固态继电器SR1～SR4。现场数据采集由流量计BQ1、BQ2，压力传感器BP，泵温传感器BT1 和水温传感器BT2 组成，传入模拟量采集模块AI。变频器VFD 和井下流压传感器通过RS-485 与PLC 进行通信，实现监控中心对现场各个控制点的调节和监控。当系统出现液位故障、变频故障、电机故障和超压故障时，PLC 立即停机并锁定故障，等待人为排除。当系统运行压力超过保护压力时立即停机保护，同时PLC 控制所有电磁阀打开泄压，水回流至水箱。如果电磁阀失效，由系统内的机械安全阀进行保护。

图2 控制电路

3 软件编程

排采装置的控制流程如图3 所示。系统上电初始化完成后，PLC 进行故障检测。若出现故障，相应报警指示灯闪烁，停机等待人为排除故障。若系统正常，按下启动后，系统主泵启动，高压动力液推动水力柱塞泵上行，上行过程中系统检测实时的运行压力和流量，当两者达到设定阈值时转至下行；同理下行达到设定阈值后，转至上行，如此循环往复完成自动控制。当系统的运行时间、洗井时间、停机时间设置不为零时，系统按上述设定时间进行间抽控制。排采装置的软件编程以控制变频器的频率为中心，以控制井底流压为核心，根据煤层气井的开采规律和井底流压变化规律，系统自动控制注水泵的转速和换向阀的换向频率，调节水力柱塞泵的排量，控制井底流压的变化，实现煤层气的开采作业。

图3 控制流程

4 RS-485 通信

设置PLC 通信模块串口为主站，用于读取/写入变频器数据，读取井下流压传感器数据。

通信接口功能块的编程实例如图4 所示。EN 保持通信使能。REQ 每接通一次就读写一次数据，可采用轮询的方式触发。MB_ADDR 是从站地址，与被读写设备保持一致，此处设定为3。MODE 是读写控制字，0 读取，1 写入，此处设定为1，即将设定频率写入到变频器。DATA_ADDR 是要写入的寄存器的起始地址。DATA_LEN 是读取的长度，根据实际情况设置。DATA_PIR 是一指针变量P#DB9.DBX2.0 INT 1。功能块实现了将DB9 数据块中地址为2.0 的INT 类型的存储区中的数据写入变频器的功能。需要注意的是在取消DB 块的属性中优化访问后，才能显示DB 数据地址。

图4 通信接口功能块编程示例

5 人机交互

排采装置的人机交互界面如图5 所示。系统上电后，自动显示其运行状态，如运行/停止/洗井时间、冲次、频率、阀的状态、压力、温度、流量和故障信息等。当按下“启动按钮”，系统启动运行；启动后首先洗井，洗井状态指示灯闪烁；60 s 后按设定冲次运行，此时“洗井状态指示灯”熄灭，“阀运行指示灯”闪烁，游动阀或固定阀开始计时。当按下“停机按钮”或“急停按钮”后，系统停止运行，所有阀打开，60 s 后自动关闭。在停机状态下，按下“洗井按钮”，系统开始洗井；再次按下“洗井按钮”或“停止按钮”后，系统系统停止运行。当系统出现故障时，系统立即停机保护，所有电磁阀打开，系统泄压将水回流至水箱。每次出现故障时，系统会进行故障自锁，相应红色指示灯闪烁，等待人为按动复位按钮排除故障。

图5 人机交互界面

6 现场应用

排采装置经山西煤层气L 形水平井现场实验验证，该装置能够在产水量0.2～20 m3/d 范围变化的井况下连续稳定运行，降压范围满足0.01～0.2 MPa/d 的工作制度要求。该装置能够与现场远控系统同步对接，能够现场显示并上传设备启停状态、井底流压、电流、驱动系统压力、产水量、频率等运行数据，能够很好地满足现场排采工艺要求。

7 结语

基于S7-1200 可编程控制系统的水力无杆排采装置运行平稳可靠，有效地解决煤层气大斜度定向井和水平井采用有杆举升方式存在的偏磨的弊端，为类似应用场景提供参考。