压裂车控制系统方案设计

1、整体设计思想

     压裂车控制系统是基于CAN总线通信为核心的控制系统，该系统采用车辆级PLUS+1控制器，自带模拟采集端口及模拟量输出端口，模拟量采集精度是硬件12位，可以直接采集电压信号、电阻信号、电流信号、频率信号；模拟量输出端口也是硬件12位，可以输出电流值、占空比值、电压值，其驱动能力可以达到3A，并自带闭环反馈，控制精度很高，电流可控制精度为0.1mA，电压控制精度为0.01%，这些优异的特性，可以直接适配现场各种传感器可以适配各个品牌的液压系统，其-40~70℃的工作温度范围，远远高于现有的控制系工作温度范围，基于PLUS+1设计的控制系统，更简洁、更合理，指标更高，具有很高的灵活性、可靠性，是压裂车控制器系统未来发展方向。

    PLUS+1控制系统具有丰富的控制指令，通过对系统的实时数据采集及控制，可以完成数据校验、数据管理、报警监控及数据传输等功能。   

2、系统简介

压裂作业是指用多台压裂车, 将混砂车混合好的合液由井口注入井底, 形成或拓展裂缝, 以提高油气采收率。施工中的每台压裂泵车通过多芯连接电缆将控制和显示信号传输到仪表车, 通过设在仪表车内的集中控制面板来启动和控制多台压裂泵车的油门、档位的变换、压力和排量显示、超压复位等。混砂车和管汇车的密度、排量、各种添加剂用量和压力等信号通过连接电缆传送到仪表车进行数据采集和监测显示, 为达到施工工艺要求，尤其是在大砂比作业时，多车协同作业，数据共享，合理有效的自动控制系统尤其重要。在仪表车内可以控制混砂车、压裂车的各执行机构，可以保证达到施工工艺要求。

压裂机组控制流程如图1所示。

使用丹佛斯丹佛斯PLUS +1控制器，可以高效共享各车数据，同时与车辆的发动机总线、变速箱总线兼容，很大的提高了控制的实时性、可靠性。

3  CAN总线技术

CAN 是Controller Area Network 的缩写（以下称为CAN），是ISO标准化的串行通信协议。在汽车产业中，出于对舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN 通信协议。此后，CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。是市面上应用广泛的现场总线之一。 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备、特种车辆控制等方面。CAN总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。

    本压裂车控制系统通信方式采用CAN总线方式，满足严格的车辆级的、实时性、环境适应性等严酷等级要求，同时，与发动机通信总线兼容，获取发动机信息及控制发动机转速等，不需要二次转换。

4、丹佛斯PLUS+1控制器

     丹佛斯PLUS＋1控制器是一款车辆级控制器，该控制器采用基于CAN总线的通讯网络，这个灵活的开发系统可以让生产商实现真正的专业化和智能的电气控制系统。从而提高了他们的产品性能，延长设备的使用寿命，并降低了新产品的开发成本。汇集30年的在行走设备电气部件上的开发经验。Sauer－Danfoss公司致力于满足工业应用领域严格的标准。该模块集成的模拟量输入、模拟量输出端口，各端口均带过流、过压保护，输出端口驱动电流3A，过载自动关闭，可以免除后级继电器、放大板等驱动附件，使整个系统更简洁、可靠。

  系统优势 ：

TMS320F2810 DSP (32位数字信号处理器)150Mhz 工作频率，目前业界属于领头羊。

工作电压：9 to 36VDC，用在车辆上，无需单独的稳压系统，可以直接与蓄电池相连。

工作温度     ：-40°C to +70°C，满足严格的汽车级要求。

防护等级：IP67，防尘、防水、防盐雾。

      程序扫描周期 小于1ms，目前业界属于领头羊。

      A/D精度   12位，可以直接采集模拟量。

D/A精度   12位，3A可以直接驱动电磁阀。

5、压裂控制系统硬件设计

      整个压裂系统构成拓扑结构如图2，系统中，以仪表车为控制核心，通过CAN总线与混砂车、压裂车相连，各车需要共享的数据都放到CAN总线上；每个车都有自己的PLC系统输入端口采集现场传感器参数、与现场的控制面板相连，可以完成单车手动操作；现场PLC均带模拟量、开关量输出端口，可以直接驱动现场的开关阀、比例阀、比例泵等；现场PLC均带CAN总线，具有J1939协议，可以与现场发动机直接通信：读取发动机参数、控制发动机转速等。

6、压裂车软件设计

压裂作业软件系统主要用于监测酸化、压裂、固井过程中的有关压力、套管压力、排量、阶段液量、总液量、密度、水功率、施工时间等参数，实时显示、打印曲线，记录、存储并可随时回放再现和分析施工过程的参数，仪表车可对多台压裂车组进行控制，实现多车组启停、换挡、油门控制、故障报警。对各压裂车组启动、换档、油门、超压保护进行各方位控制。

控制系统主要由本地控制系统和远程控制系统组成， 本地控制系统主要用于控制本机设备，远程控制系统既可以控制本地设备，同时也可控制整个车组内设备， 控制系统采用了CAN总线接口，便于车组作业时的数据采集和实时监控，为保障控制系统的有效性和稳定性，本地控制系统和远程控制系统设计时考虑了采用2路CAN总线，实现两路的互为冗余，互为备用。控制系统未来可以提供有中文和英文操作界面、公制和英制切换功能，操作者可根据使用习惯进行操作控制系统。

每台车辆都可以采集的实时施工数据和曲线，可以远传到仪表车，在仪表车可以完成对工作车辆的数据监测和远程控制。