一类油田注水节能系统的仿人智能控制
日期：2008-9-6 0:38:05 来源：中国自动化网
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摘 要(Abstract) 在油田开发过程中地层能量不断衰减，采用向地层注水以保持地层能量的平衡。油田是时变复杂对象，控制目标既要考虑节能又要保证控制品质，同时还要兼顾在恶劣环境下增强系统的鲁棒性。本文结合工程实践对系统实现中的相关问题作简要讨论。
It is continually damped to earth layer energy in the developing process of oil field. For keep balance of earth layer energy,it is usually necessary to inject water into earth layer. Because the oil field is a time-varying complicated object, therefore its control goal is that not only considers energy saving but also guarantees control quality in the control process, and at the same time it should be taken care of enhancing system robustness in the bad work condition. Combining project practice .the related problem in system realization are briefly discussed in this paper.
关键词(Keywords) 油田注水系统 节能控制系统 变频调速
Oil field injecting water system Control system of energy saving Frequency varying adjusting speed
1 引言
油田开发有其自身特点。油田是一个复杂对象，其中最重要的特性之一就是时变性，在开采过程中地层能量不断衰减，为保持地层能量平衡，常规方式是对油井注水。注水压力的高低是决定油田合理开发和地面管线及相关设备的重要参数。特别在后期开发中，注水井增多，注水工艺设计和机电设备配置比较宽裕，加之地质情况变化较大、开并井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力波动，注水量不均匀和稳定。其后果是在压力低时，注水量满足不了油井开发的需要，必然造成油层压力下降，注水压力过高，浪费能源，超注的结果导致水淹水窜。注水压力控制不当将给油田生产和管理带来许多麻烦，因此油田要求恒压注水。但是由于储油地层的压力及油气水分布在不断发生变化，其数值很难准确预测，因而也就难以控制。由于历史和技术等原因，为了满足油田开发的需要，采用保险系数大的方案，即在工艺和机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求设计，特别是在注水系统设备中尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电机，注水系统经常是在效率低下的“大马拉小车”状态运行，造成电能的极大浪费，电能损失高达50%以上.。此外，控制手段落后，注水压力靠泵出口闸门手动控制，泵与电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行。本文结合工程实践对油田注水节能控制系统中的有关问题作简要讨论。
2 系统控制目标与方案考虑
2.1 系统目标
根据前述，要解决的问题有两个:其一是注水压力的恒压控制，其二是最大限度节能。因此系统控制的目标可以概括为:在满足生产工艺对注水压力要求的前提下最大限度的节约电能。
2.2 方案考虑
(1) 控制系统结构
控制系统结构框图如图1所示。
(2) 传动装置
电气传动选变频器，通过改变电动机转速可以方便地改变水的流量，保证水压恒定。通过改变电动机转速，在降低水流量的同时也可有效地降低系统的电能损耗。之所以选变频器是因为它可以使注水系统有如下的优点:
a) 实现了电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0~50Hz作缓慢加速起动，可减少机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。
b) 提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。
c) 消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。
d) 实现了压力自动控制，被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。
(3) 计算机型的选择
鉴于现场工况较恶劣，为了提高可靠性和适应增强管理功能需要，选用工控机。
(4) 组态软件的选择
本系统选用美国Wonderware公司的InTouchHMI软件，它用于可视化和控制工业生产过程，提供了一种易用的开发环境，开发周期短，功能齐全，可靠性高。
3 被控对象特性与控制策略选取
3.1 被控对象特性
被控对象是一个复杂的水系统，水路管网复杂，涉及因素众多，可归纳为如下特性，系统参数的未知性、时变性、随机性;时滞的未知性和时变性;变量间的关联性;环境干扰的未知性、多样性和随机性。由上述特性可知，因其属于不确定性的复杂对象.，传统控制(如PID、现代控制理论中的最优控制、自适应控制等)是无能为力的，对于“未知”、不确定或者知之甚少的控制问题，用传统方法难于建立数学模型，因而也无法实现有效的控制，因此必须寻求新的控制策略。
3.2 控制策略选取
对具有上述特性的被控对象，可供选择的策略有神经网络控制、模糊控制、实时专家系统控制、仿人智能控制等，它们都无需对象的数学模型。这里选取仿人智能控制策略，因为它更贴近实际，其主要内容是总结人的控制经验，模仿人的控制经验和行为，以产生式规则描述其在控制方面的启发与直觉推理行为，迄今世界上最优秀的控制器还是人的大脑本身。由于仿人智能控制的基本特点是模仿控制专家的控制行为，因此它的控制算法是多模态的和多模态控制间的交替使用，正是由于这一特点使其控制算法能完美地协调控制系统中诸多相互矛盾的控制品质的要求，比如鲁棒性与精确性，快速性与平滑性等。
4 控制算法
在智能控制策略选取基础上，控制基本思路是对不同的系统误差特征模式采用不同的控制策略。这种控制策略构思来源于人-机学习系统，因此，它反映了人控制器的一些控制规则。其基本控制算法可以概括为:
(1) 若且，则比例-半微分控制(P-HD模式，Proportion and Half Derivation);
(2) 若或，则半开环控制(HO控制模式，Half Open-loop)。
由结构化英语描述法可归纳为如下的表达式:
IF THEN
IF THEN
IF THEN
IF THEN
IF THEN
ELSE
式中，;
P—输出(至被控对象);
e—输入(系统误差信号);
—e对时间的一阶导数;
emi—e的第i个极值点;
Kp—比例增益;
k—抑制系数;
PHD—P-HD模式P中的半微分分量;
—P-HD模式中的第i个极值点;
—P-HD模式中半微分输出分量PHD的第l次需要保持的常数值。定义(微分极值记忆);
i,l,n—自然数;
δ—控制器输入灵敏度限。
5 结束语
由于注水系统采用工控机控制，管理功能大大加强，系统中变频器的使用不仅节能，更重要的是提高了系统的控制品质，保证了稳流稳压提供注水。同时软起动软停车的功能代替了减压起动使电动机起停平稳，减少了对电网和机械设备的冲击，避免了管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。工程实践说明是一种值得推广的方案。
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It is continually damped to earth layer energy in the developing process of oil field. For keep balance of earth layer energy,it is usually necessary to inject water into earth layer. Because the oil field is a time-varying complicated object, therefore its control goal is that not only considers energy saving but also guarantees control quality in the control process, and at the same time it should be taken care of enhancing system robustness in the bad work condition. Combining project practice .the related problem in system realization are briefly discussed in this paper.
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关键词(Keywords) 油田注水系统 节能控制系统 变频调速
P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
Oil field injecting water system Control system of energy saving Frequency varying adjusting speed
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1 引言
P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
油田开发有其自身特点。油田是一个复杂对象，其中最重要的特性之一就是时变性，在开采过程中地层能量不断衰减，为保持地层能量平衡，常规方式是对油井注水。注水压力的高低是决定油田合理开发和地面管线及相关设备的重要参数。特别在后期开发中，注水井增多，注水工艺设计和机电设备配置比较宽裕，加之地质情况变化较大、开并井数的增减，洗井及供水不足的影响，经常引起注水压力波动，注水量不均匀和稳定。其后果是在压力低时，注水量满足不了油井开发的需要，必然造成油层压力下降，注水压力过高，浪费能源，超注的结果导致水淹水窜。注水压力控制不当将给油田生产和管理带来许多麻烦，因此油田要求恒压注水。但是由于储油地层的压力及油气水分布在不断发生变化，其数值很难准确预测，因而也就难以控制。由于历史和技术等原因，为了满足油田开发的需要，采用保险系数大的方案，即在工艺和机电设备的配置上都按照油田最大可能的需求设计，特别是在注水系统设备中尤为突出。油田注水设备多采用高压离心泵匹配高压电机，注水系统经常是在效率低下的“大马拉小车”状态运行，造成电能的极大浪费，电能损失高达50%以上.。此外，控制手段落后，注水压力靠泵出口闸门手动控制，泵与电机匹配难以达到在泵的最佳工况点运行。本文结合工程实践对油田注水节能控制系统中的有关问题作简要讨论。
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2 系统控制目标与方案考虑
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2.1 系统目标
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根据前述，要解决的问题有两个:其一是注水压力的恒压控制，其二是最大限度节能。因此系统控制的目标可以概括为:在满足生产工艺对注水压力要求的前提下最大限度的节约电能。
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2.2 方案考虑
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(1) 控制系统结构
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控制系统结构框图如图1所示。
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——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
(2) 传动装置
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电气传动选变频器，通过改变电动机转速可以方便地改变水的流量，保证水压恒定。通过改变电动机转速，在降低水流量的同时也可有效地降低系统的电能损耗。之所以选变频器是因为它可以使注水系统有如下的优点:
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a) 实现了电机软起动、自由停车。电机均通过变频器或软起动从0~50Hz作缓慢加速起动，可减少机泵因突然高速起动所带来的影响，减少了直接起动时起动电流对电网的冲击。
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b) 提高了功率因数，改善了电机电源质量，电机的功率与实际负荷相匹配，系统达到节能运行的目的。
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c) 消除了泵的喘振现象，使泵运行处于最佳工况状态。
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d) 实现了压力自动控制，被调节量得到更平稳的调节，增强了系统的稳定性和可靠性。
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(3) 计算机型的选择
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鉴于现场工况较恶劣，为了提高可靠性和适应增强管理功能需要，选用工控机。
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(4) 组态软件的选择
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本系统选用美国Wonderware公司的InTouchHMI软件，它用于可视化和控制工业生产过程，提供了一种易用的开发环境，开发周期短，功能齐全，可靠性高。
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3 被控对象特性与控制策略选取
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3.1 被控对象特性
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被控对象是一个复杂的水系统，水路管网复杂，涉及因素众多，可归纳为如下特性，系统参数的未知性、时变性、随机性;时滞的未知性和时变性;变量间的关联性;环境干扰的未知性、多样性和随机性。由上述特性可知，因其属于不确定性的复杂对象.，传统控制(如PID、现代控制理论中的最优控制、自适应控制等)是无能为力的，对于“未知”、不确定或者知之甚少的控制问题，用传统方法难于建立数学模型，因而也无法实现有效的控制，因此必须寻求新的控制策略。
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3.2 控制策略选取
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对具有上述特性的被控对象，可供选择的策略有神经网络控制、模糊控制、实时专家系统控制、仿人智能控制等，它们都无需对象的数学模型。这里选取仿人智能控制策略，因为它更贴近实际，其主要内容是总结人的控制经验，模仿人的控制经验和行为，以产生式规则描述其在控制方面的启发与直觉推理行为，迄今世界上最优秀的控制器还是人的大脑本身。由于仿人智能控制的基本特点是模仿控制专家的控制行为，因此它的控制算法是多模态的和多模态控制间的交替使用，正是由于这一特点使其控制算法能完美地协调控制系统中诸多相互矛盾的控制品质的要求，比如鲁棒性与精确性，快速性与平滑性等。
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4 控制算法
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在智能控制策略选取基础上，控制基本思路是对不同的系统误差特征模式采用不同的控制策略。这种控制策略构思来源于人-机学习系统，因此，它反映了人控制器的一些控制规则。其基本控制算法可以概括为:
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(1) 若且，则比例-半微分控制(P-HD模式，Proportion and Half Derivation);
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(2) 若或，则半开环控制(HO控制模式，Half Open-loop)。
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由结构化英语描述法可归纳为如下的表达式:
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IF THEN
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IF THEN
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IF THEN
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ELSE
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式中，;
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P—输出(至被控对象);
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e—输入(系统误差信号);
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—e对时间的一阶导数;
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emi—e的第i个极值点;
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Kp—比例增益;
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k—抑制系数;
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PHD—P-HD模式P中的半微分分量;
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—P-HD模式中的第i个极值点;
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i,l,n—自然数;
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δ—控制器输入灵敏度限。
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5 结束语
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由于注水系统采用工控机控制，管理功能大大加强，系统中变频器的使用不仅节能，更重要的是提高了系统的控制品质，保证了稳流稳压提供注水。同时软起动软停车的功能代替了减压起动使电动机起停平稳，减少了对电网和机械设备的冲击，避免了管网压力、流量、流速的剧烈变化，不需要阀门截流，因此对防止汽蚀、水击、喘振极为有利，可以延长管网、泵、阀门的维修周期和使用寿命。工程实践说明是一种值得推广的方案。
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