PLC智能自动混砂系统及其控制方法

1.一种PLC智能自动混砂系统，其特征在于：是由中央处理器（13）、A/D转换器（14）、D/A转换器（15）、液晶显示屏（16）组成的PLC，以及与其相连的进口电磁流量计（7）、出口电磁流量计（8）、超声波液位检测仪（9）、同位素砂比计（10）、压力变送器（11）、搅拌机（5）、石英砂进料口（3）、进水口（1）、进口泵（2）、出口泵（4）构成；其中，与混砂池（12）相连的超声波液位检测仪（9）与PLC的输入端连接；进口电磁流量计（7）和进口泵（2）连接后与PLC的输入端连接；出口电磁流量计（8）、同位素砂比计（10）和出口泵（4）连接后与PLC的输入端连接；压力变送器（11）和压裂车（6）连接后与PLC的输入端连接；进水口（1）、石英砂进料口（3）均通过电动调节阀（17a、17b）和PLC的输出端连接后开口于混砂池（12）；进口泵（2）、搅拌机（5）、出口泵（4）均通过电磁继电器（18a、18b、18c）和PLC的输出端连接。
2.一种应用权利要求1所述的PLC智能自动混砂系统进行混砂的控制方法，其特征在于：中央处理器（13）发出指令经过D/A转换器（15）转换成模拟量以后，通过电动调节阀（17a、17b）控制进水口（1）、石英砂进料口（3）的工作，同时，中央处理器（13）通过电磁继电器（18a、18b、18c）控制进口泵（2）、搅拌机（5）、出口泵（4）的开关状态；进口电磁流量计（7）、出口电磁流量计（8）、超声波液位检测仪（9）、同位素砂比计（10）、压力变送器（11）将采集到的数据经过A/D转换器（14）转换成数字量后进入中央处理器（13），经过中央处理器（13）运算后得出的数据显示在液晶显示屏（16）上；所述的进口电磁流量计（7）、出口电磁流量计（8）、超声波液位检测仪（9）、同位素砂比计（10）、压力变送器（11）发出的流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号进入PLC的输入端，PLC的输出端控制电动调节阀（17a、
17b）和电磁继电器（18a、18b、18c）的开关信号，并由组态软件操控；所述的进口电磁流量计（7）、出口电磁流量计（8）、超声波液位检测仪（9）、同位素砂比计（10）、压力变送器（11）传输到PLC的流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号以4-20mA的电流信号传输；所述的PLC以4-20mA的电流信号输出控制石英砂进料口（3）、进水口（1）、进口泵（2）、出口泵（4）、搅拌机（5）的工作。

PLC智能自动混砂系统及其控制方法\n一、技术领域\n[0001] 本发明涉及的是一种PLC自动控制系统及其控制方法，具体是一种PLC智能自动混砂系统及其控制方法。\n二、背景技术\n[0002] 水力割缝工艺技术是用水做介质，携带一定配比的石英砂(即携砂液)通过高压泵车，将携砂液送至井底管柱连接的高压耐磨喷嘴，将套管、水泥环、油层砂岩穿透，从而增加渗流面积，是油田增产增注非常有力的一项施工技术。自水力割缝工艺在油田逐步推广以来，现场的混砂系统一直延续比较陈旧的施工工艺，携砂液的砂比、进出口水的排量完全是靠感觉，比较模糊。现有的水力割缝工艺所使用的混砂车，虽加装了各种流量计及仪表，但未能真正实现智能供液及自动混砂。\n[0003] PLC即可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，是一种取代传统继电器控制装置专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械和生产过程。\n[0004] PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优点。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业，但还未见应用PLC控制系统自动混砂的报道。\n三、发明内容\n[0005] 本发明的目的是针对上述问题提供一种PLC智能自动混砂系统及其控制方法，可解决携砂液的人工，完全实现自动化。\n[0006] 本发明通过以下技术方案来实现：PLC智能自动混砂系统是由中央处理器、A/D转换器、D/A转换器、液晶显示屏组成的中央处理单元，以及与其相连的进口电磁流量计、出口电磁流量计、超声波液位检测仪、同位素砂比计、压力变送器、搅拌机、石英砂进料口、进水口、进口泵、出口泵构成；其中，与混砂池相连的超声波液位检测仪与PLC的输入端连接；\n进口电磁流量计和进口泵连接后与PLC的输入端连接；出口电磁流量计、同位素砂比计和出口泵连接后与PLC的输入端连接；压力变送器和压裂车连接后与PLC的输入端连接；进水口、石英砂进料口均通过电动调节阀和PLC的输出端连接后开口于混砂池；进口泵、搅拌机、出口泵均通过电磁继电器和PLC的输出端连接。\n[0007] 应用PLC系统自动混砂的控制方法是：中央处理器发出指令经过D/A转换器转换成模拟量以后，通过电动调节阀控制进水口、石英砂进料口的工作，同时，中央处理器通过电磁继电器控制进口泵、搅拌机、出口泵的开关状态；进口电磁流量计、出口电磁流量计、超声波液位检测仪、同位素砂比计、压力变送器将采集到的数据经过A/D转换器转换成数字量后进入中央处理器，经过中央处理器运算后得出的数据显示在液晶显示屏上；所述的各种元件通过流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号与设备的开关信号相连，并由组态软件操控；所述的进口电磁流量计、出口电磁流量计、超声波液位检测仪、同位素砂比计、压力变送器传输到PLC控制系统的流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号以4-20mA的电流信号传输；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制石英砂进料口、进水口、进口泵、出口泵、搅拌机的工作。\n[0008] 采用上述技术方案的积极效果：本发明将PLC与混砂系统的各种仪器相连，通过PLC控制石英砂进料口、进水口、进口泵、出口泵、搅拌机的工作，同时进口电磁流量计、出口电磁流量计、超声波液位检测仪、同位素砂比计、压力变送器将采集到的数据及时反馈给PLC，解决了水力割缝施工现场的人工模糊配液问题，真正实现了自动加砂、自动补液、实时监测技术参数，根据实时监测到的技术参数自动配制水力割缝施工所需的携砂液，提高了水力割缝施工速度和技术等级，减少现场配液所需的人力物力，降低生产成本。\n四、附图说明\n[0009] 图1是本发明中PLC自动控制系统工作框图；\n[0010] 图2是本发明中的自动控制系统结构示意图；\n[0011] 图3是本发明的工艺流程框图。\n[0012] 图中：1进水口，2进口泵，3石英砂进料口，4出口泵，5搅拌机，6压裂车，7进口电磁流量计，8出口电磁流量计，9超声波液位检测仪，10同位素砂比计，11压力变送器，12混砂池，13中央处理器，14A/D转换器，15D/A转换器，16液晶显示屏，17a、17b电动调节阀，\n18a、18b、18c电磁继电器。\n[0013] 五、具体实施方式：下面结合附图对本发明作进一步说明：\n[0014] 图1是本发明中PLC自动控制系统工作框图，图2是本发明中的自动控制系统结构示意图，结合图1、图2所示，PLC智能自动混砂系统是由中央处理器13、A/D转换器14、D/A转换器15、液晶显示屏16组成的中央处理单元，以及与其相连的进口电磁流量计7、出口电磁流量计8、超声波液位检测仪9、同位素砂比计10、压力变送器11、搅拌机5、石英砂进料口3、进水口1、进口泵2、出口泵4构成；其中，与混砂池12相连的超声波液位检测仪9与PLC的输入端连接；进口电磁流量计7和进口泵2连接后与PLC的输入端连接；出口电磁流量计8、同位素砂比计10和出口泵4连接后与PLC的输入端连接；压力变送器11和压裂车\n6连接后与PLC的输入端连接；进水口1、石英砂进料口3均通过电动调节阀17a、电动调节阀17b和PLC的输出端连接后开口于混砂池12；进口泵2、搅拌机5、出口泵4均通过电磁继电器18a、电磁继电器18b、电磁继电器18c和PLC的输出端连接。其中，中央处理器采用CPU224中央处理器，数字量模块采用SM321数字量输入模块和SM322数字量输出模块，模拟量模块采用EM231模拟量输入模块和EM232模拟量输出模块。以上的CPU224中央处理器、SM321数字量输入模块、SM322数字量输出模块、EM231模拟量输入模块、EM232模拟量输出模块、进口电磁流量计7、出口电磁流量计8、超声波液位检测仪9、同位素砂比计10和压力变送器11在市面上均有销售。\n[0015] 图3是本发明的工艺流程框图，图中的虚线部分表示切断电流，如图所示，应用PLC系统自动混砂的控制方法是：首先将石英砂进料口3加满所需用料，然后运行PLC控制系统，中央处理器13发出指令经过D/A转换器15转换成模拟量以后，分别给定进水口1、石英砂进料口3的工作电流，进水口1、石英砂进料口3上的电动调节阀17a、电动调节阀17b接收电流后，通过调节电动调节阀17a、电动调节阀17b的开度来控制进水口1、石英砂进料口3的进料流量；同时，中央处理器13通过电磁继电器18b开启搅拌机5进行搅拌混砂。\n进口电磁流量计7、出口电磁流量计8、超声波液位检测仪9、同位素砂比计10将采集到的数据经过A/D转换器14转换成数字量后进入中央处理器13，经过中央处理器13运算后得出的数据显示在液晶显示屏16上。携砂液经过出口泵4进入压裂车6，经过压裂车6加压后即可进行水力割缝，同时，与压裂车6相连接的压力变送器11将采集到的压力信号传入A/D转换器14。\n[0016] 方案中所涉及的进口电磁流量计7、出口电磁流量计8、超声波液位检测仪9、同位素砂比计10、压力变送器11通过流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号与设备的开关信号相连，并由组态软件操控，组态软件为市场上已经开发的成熟软件。所述的进口电磁流量计7、出口电磁流量计8、超声波液位检测仪9、同位素砂比计10、压力变送器11传输到PLC控制系统的流量信号、液位信号、砂比信号、压力信号以4-20mA的电流信号传输；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制石英砂进料口3、进水口1、进口泵2、出口泵\n4、搅拌机5的工作。\n[0017] 所述的进口电磁流量计7传输到PLC控制系统的流量信号以4-20mA的电流信号\n3\n传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-240m/h的流量值；所述的出口电磁流量计8传输到PLC控制系统的流量信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流\n3\n信号等比例由低到高对应0-180m/h的流量值；所述的超声波液位检测仪9传输到PLC控制系统的液位信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-1.5m的液位值；所述的同位素砂比计10传输到PLC控制系统的砂比信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-60％的砂比值；所述的压力变送器11传输到PLC控制系统的压力信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-60MPa的压力值；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信\n3\n号输出控制石英砂进料口3的工作，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-5m/h的石英砂用量；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制进水口1的工作，其\n3\n中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-150m/h的水量；所述的搅拌机5转速恒定为\n110rpm，PLC控制系统通过电磁继电器18b控制搅拌机5的开关状态。\n[0018] 设计配制体积百分比为4％的携砂液，具体操作如下：先将石英砂进料口3的料斗加满石英砂，然后接通电源，启动电脑，运行组态软件，输入携砂液的期望性能指标，即体积百分比为4％，点击自动配液按钮，打开进水口1和石英砂进料口3，同时开启进口泵2供\n3\n水，通过控制电动调节阀17a调节进水口1的流量为96m/h，控制电动调节阀17b调节石英\n3\n砂进料口3的流量为4m/h，开启搅拌机5进行搅拌混砂。同时，观察超声波液位检测仪9、同位素砂比计10、压力变送器11反馈的技术参数，当携砂液的砂比值小于4％时，通过控制石英砂进料口3上的电动调节阀17b的开度，加大石英砂进料口3的流量，当携砂液的砂比值大于4％时，通过控制石英砂进料口3上的电动调节阀17b的开度，减小石英砂进料口3的流量。另外，系统设置有自动断电的功能，当携砂液的压力反馈大于40MPa时，自动切断电流，使PLC控制系统的所有组件停止工作，保护系统。\n[0019] 刚开始混料的时候，混砂池12为空，因此液位反馈高于0.6m的时候，并且携砂液达到预期目标时，再打开出口泵4，并且要保证混砂池12不能溢出；当液位反馈高于0.8m时，关闭所有石英砂进料口3以及进水口1，停止加料；等到液位反馈下降到0.8m以下的时候，再重新开启进水口1以及石英砂进料口3的电动调节阀17a和电动调节阀17b。