三直線電機往復泵控制系統的設計思路

張恒云

ZHANG Heng-yun

（昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650093）

0 引言

往復泵是一種利用柱塞（活塞）在泵缸內做往復運動來改變工作室的容積而輸送介質的泵，具有排出壓力高、單排量較小的特點。效率高、排出壓力高等優點，使往復泵在石油礦場中得到廣泛應用，常用在高壓下輸送高粘度、大密度和高含砂量的液體。如用于向井底輸送和循環鉆井液的鉆井泵，用于向井底注入高壓水泥漿固化井壁的固井泵，用于向井底注入含大量固體顆粒的液體或酸堿液體制造油層人工裂縫而提高原油產量和采收率的壓裂泵，用于在井內抽汲原油的抽油泵等等。隨著石油工業對往復泵的要求越來越高，往復泵向著輸出壓力高、流量大、制造和維修方便、流量壓力脈動小、體積和重量小等方向發展。

1 總體設計

直線電機的監測控制裝置由上位機、RS-232/RS-485隔離轉換器、A/D轉換控制電路、變頻器控制系統、位移檢測裝置、流量檢測裝置、壓力檢測裝置等部分組成，如圖1所示。直線電機運行過程的模糊調節控制計算由上位機系統完成，同時，上位機肩負著顯示、記錄和提供操作界面的任務。RS-232/RS-485隔離轉換器的功能是實現串行通信數據格式轉換。各個傳感器用于采集運行中信號，直觀的顯示系統運行情況。位移檢測裝置、流量傳感器、壓力變送器將實時檢測到的直線電機位移量、流量值、壓力值通過A/D模塊ADAM-4017，送給上位機系統。變頻器控制系統用于直線電機的控制。A/D轉換控制電路將RS-232串行接口從各傳感器送入的信號從模擬信號轉換為數字信號。由于RS-232/RS-485隔離轉換器的存在，程序可以實現從上位機直接向變頻器輸出信號，進行變頻器參數設置，電機運行控制等。位移檢測裝置、流量檢測裝置和壓力檢測裝置構成整個信號輸入系統，采集整個系統的實時信號。

本系統具備同時控制單臺、兩臺或三臺直線電機的功能。可以通過上位機的程序選擇確定采取單泵工作方式、兩泵同時運行或三泵同時運行。單作用直線電機三缸往復泵工作原理如圖如圖1所示。主要由直線電機、缸套、活塞-電機次級組件（簡稱活塞組件）、排出閥、吸入閥、底座、傳感器、上位機等部分組成，直線電機直接驅動活塞組件在缸套中作直線往復運動，利用傳感器采集每個電機位移信號、流量信號、壓力信號，采集信號到的信號通過A/D模塊，送入上位機進行處理，上位機中運行監測控制軟件，采用模糊控制算法，其結果以ModBus傳輸協議形式給變頻器發送指令，控制每個直線電機按一定的運動規律運動，并保證各個電機具有規定的相位差，實現運動速度和電機之間相位差的協調控制。

圖1 控制系統的組成

2 軟件設計

直線電機的控制系統是一個閉環系統。在直線電機運動時，拉線式位移傳感器不斷地檢測直線電機的位移，產生的模擬量電壓信號作為位置反饋通過A/D模塊ADAM-4017送入到上位機中，通過上位機監測程序界面顯示。上位機讀入流量、壓力數據，記錄數據庫，比較報警。上位機讀入測到的直線電機當前實際位移，計算獲得電機速度和理論位移，以便比較、報警和曲線繪制，由模糊控制算法來給出反饋以驅動直線電機運動。每一采樣周期采集到的位移值與數據庫中的經驗數據值作比較，比較后，按照規則庫的設定對變頻器輸出進行適當調整。當實際位移小于給定位移時，則變頻器輸出頻率升高，電機速度加快；反之，實際實際位移大于給定位移時，則變頻器頻率降低，電機速度減小，如此多次調整，使得定義的誤差率值圍繞零輕微上下波動，最好能達到零。這就是電機的控制方案。

在直線電機的控制過程中，需要實現直線電機的精確定位和一定范圍內的響應頻率。對前者而言，需要選擇采樣頻率高的模塊和合適的控制算法。采樣頻率高的模塊在硬件選擇時考慮。對控制算法，由于往復泵驅動系統數學模型較為復雜，且直線電機的參數也并非恒定，摩擦力、推力會隨運行時間、濕度及溫度的變化而變化，因而采用常規PID控制方法難以獲得好的效果，采用模糊控制方法，可以在不需要研究其復雜的數學模型的情況下，實現其有效控制。需要選擇適當的采樣周期。采樣周期短，控制就能更加精確，但同時會使直線電機的響應頻率變小。一定范圍內的響應頻率，在軟件通訊模塊中討論。

軟件主體是在VB 6.0中完成，包括各個操作界面和簡單操作，實現對直線電機驅動、往復泵系統的監控、傳感器數據采集、命令發布、系統參數設置、系統性能直觀顯示等功能。軟件設計在軟件設計按照圖2所示主程序流程圖的順序進行設計。

3 結束語

圖2 主程序流程圖

本文根據多直線電機驅動往復泵的思路，為直線電機往復泵系統設計了一個監測控制系統。系統硬件采用直線感應電機代替旋轉電機作為為動力源，減少了傳統往復泵中把電機的旋轉運動轉化直線運動時必須經過的中間環節，簡化了機械結構，提高系統效率。利用拉線式電阻尺位移傳感器、流量傳感器、壓力變送器、通用變頻器、研華ADAM-4000系列工控模塊以及VB程序構建了直線電機驅動往復泵的監測控制系統。本系統使用直線感應電機代替旋轉電機作為為動力源，減少了傳統往復泵中把電機的旋轉運動轉化直線運動時必須經過的中間環節，利用模糊控制方法，向變頻器發出指令，實現對直線電機的運動速度、電機間相位差的協調控制。與此同時，上位機監測控制系統實時顯示、采集傳感器參數，在數據庫中記錄運行情況，并根據系統運行情況進行調整。本監測控制系統為下一步的研究提供實驗數據和控制經驗，具有重要的意義和應用價值。

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