基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)研究＊

何志敏，梅大成，鄭 巧

(西南石油大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610500)

在高壓油氣井的鉆井過程中，當(dāng)?shù)貙訅毫Υ笥阢@井液液柱壓力時(shí)，地層流體有可能進(jìn)入井眼環(huán)空中，導(dǎo)致溢流，甚至井噴等事故，所以需要及時(shí)進(jìn)行壓井控制。目前，國內(nèi)外大多采用單級(jí)節(jié)流管匯，這種管匯結(jié)構(gòu)簡單，但在使用中存在一些問題：一是節(jié)流閥的壓降大，閥芯、閥座損壞嚴(yán)重，壽命極短；二是節(jié)流閥都是手動(dòng)操作，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，壓力控制精度低，容易誘發(fā)潛在的不安全因素。因此本系統(tǒng)采用了多級(jí)節(jié)流管匯，在其中，有2個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥，5個(gè)液動(dòng)平板閥[1-2]。常用的節(jié)控箱只能控制1個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥，而且需要手動(dòng)調(diào)節(jié)液動(dòng)節(jié)流閥的開度，這顯然已不能滿足多級(jí)節(jié)流控制的要求，必須設(shè)計(jì)一個(gè)全新的控制系統(tǒng)。壓井遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)正是為了解決上述問題而研制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括井控施工、施工過程監(jiān)測及計(jì)算機(jī)控制、關(guān)井決策3個(gè)部分。其中施工過程監(jiān)測及計(jì)算機(jī)控制部分能夠?qū)μ坠軌毫Α⒘⒐軌毫Α⒐?jié)流閥開度和排量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并根據(jù)計(jì)算得到的理想壓力，參考節(jié)流閥的開度，對(duì)節(jié)流閥實(shí)施自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而使實(shí)際壓力和要求的壓力保持一致。本文論述的基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓井遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)節(jié)流閥和平板閥的控制功能[3]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

在基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)中，選用了FPGA芯片EP2C35F672C8N作為控制核心，并在其中嵌入了NIOS II軟核CPU，這種軟硬結(jié)合的方式，使得用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)NIOS II及其外圍設(shè)備進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求[4]。采用SoPC技術(shù)，可以極大地提高系統(tǒng)的性能。基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)上電后，先由靜態(tài)存儲(chǔ)器EPCS4自動(dòng)將配置數(shù)據(jù)載入FPGA的SRAM之中，即將固化在其中的數(shù)字邏輯電路映射到FPGA器件中，完成系統(tǒng)的初始化。上位機(jī)通過前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)相關(guān)物理量進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后由無線數(shù)傳模塊發(fā)送給SoPC。SoPC接收到上位機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)后，先將其存入片外SRAM中，再從SRAM中取出，經(jīng)PIO口送出。PIO送出的一部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)自制的控制板處理后，用于控制液動(dòng)平板閥和節(jié)流閥的打開和關(guān)閉；另一部分經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大電路放大后，用于控制比例閥，再由比例閥控制液動(dòng)節(jié)流閥的開度。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在SoPC Builder中添加整個(gè)系統(tǒng)需要用到的各個(gè)模塊，最后生成整個(gè)SoPC系統(tǒng)。在Quartus II中的頂層模塊如圖2所示。

圖2 SoPC頂層模塊圖

2 液動(dòng)平板閥的控制

液動(dòng)平板閥由電動(dòng)換向閥改變液控油的流向來實(shí)現(xiàn)打開和關(guān)閉。電動(dòng)換向閥由左右3個(gè)電磁鐵的通斷電控制，圖3為液動(dòng)平板閥的控制原理圖。

當(dāng)磁鐵A通電而磁鐵B斷電時(shí)，電動(dòng)換向閥右移，左側(cè)接通，液動(dòng)平板閥的一側(cè)流入液體后，推動(dòng)活塞由D到C移動(dòng)，液動(dòng)平板閥打開。當(dāng)磁鐵A斷電，磁鐵B通電時(shí)，電動(dòng)換向閥左移，右側(cè)接通，液控油流向改變，活塞由C向D移動(dòng)，平板閥關(guān)閉。

圖3 液動(dòng)平板閥控制原理圖

電磁鐵的通斷電由固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)。一般在驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備時(shí)，需要利用繼電器作為測控系統(tǒng)的第一級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過第一級(jí)繼電器的輸出，可完成從低壓直流到高壓交流的承接控制。在本系統(tǒng)中，選用的是陽明繼電器廠生產(chǎn)的直流固態(tài)繼電器JGX-1FA。為了便于更好地控制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了1塊控制電路板，用于連接SoPC與平板閥。該電路板包括總線隔離、信號(hào)鎖存和繼電器控制。其電路如圖4所示。

每個(gè)繼電器控制1個(gè)電磁鐵的通斷，本系統(tǒng)的多級(jí)節(jié)流管匯有5個(gè)平板閥和2個(gè)節(jié)流閥，每個(gè)平板閥由2個(gè)電磁鐵控制，因此需要14個(gè)繼電器，圖4只給出了部分電路。SoPC從PIO口輸出控制信號(hào)，當(dāng)輸出1個(gè)高電位信號(hào)時(shí)，固態(tài)繼電器接通，將1個(gè)+24 V的電壓加在電磁鐵上，電磁鐵吸合；當(dāng)輸出1個(gè)低電位信號(hào)時(shí)，固態(tài)繼電器斷開，電磁鐵斷電。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，該電路板控制開關(guān)速度快，抗干擾能力強(qiáng)。

圖4 控制板電路圖

3 液動(dòng)節(jié)流閥的控制

液動(dòng)節(jié)流閥的控制包括其開、關(guān)以及開度的調(diào)節(jié)。圖5為液動(dòng)節(jié)流閥的控制原理圖。當(dāng)需要調(diào)節(jié)節(jié)流閥J1時(shí)，首先令電磁鐵 C1、C2接通，C3、C4斷開，形成左路液控油通路。當(dāng)需要調(diào)節(jié)節(jié)流閥J4b時(shí)，則需令電磁鐵C3、C4接通，1C、2C斷開，形成右路液控油通路。而液控油的流向和流量則由比例閥控制。

圖5 液動(dòng)節(jié)流閥控制原理圖

電磁鐵的接通和斷開由前面所述的繼電器控制板控制，在此不再累述。而比例閥則由SoPC輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成-10 V～+10 V的電壓。控制。當(dāng)輸出電壓為 0 V～+10 V時(shí)，節(jié)流閥打開；輸出電壓為-10 V～0 V時(shí)，節(jié)流閥關(guān)閉。開度改變的多少與電壓大小成正比。從圖5可知，需要控制的節(jié)流閥共有2個(gè)，但每次只控制其中1個(gè)，所以只需要1路D/A。本系統(tǒng)選用了12位串行數(shù)模轉(zhuǎn)換器MAX5312作為D/A轉(zhuǎn)換芯片，使用它的雙極性方式，雙電源電壓為+15 V，使其能提供-10 V～+10 V的輸出。D/A轉(zhuǎn)換的電路圖如圖6所示，為了獲得精確穩(wěn)定的+5 V參考電壓，選用MAX6005作為基準(zhǔn)電壓源。

本系統(tǒng)采用的比例閥為帶閥芯位置反饋的直動(dòng)式比例方向控制閥4 WRE 6，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥的控制，在D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓Vo之后，還選用了北京華德液壓工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司的VT5005電氣放大器來控制比例閥。

基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過了在自制的SoPC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的調(diào)試，還分別進(jìn)行了固態(tài)繼電器過載實(shí)驗(yàn)、輸出控制模擬實(shí)驗(yàn)和液動(dòng)閥的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)工作正常，控制可靠。該系統(tǒng)已用于壓井遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)中。經(jīng)過反復(fù)的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)，壓井遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)已在塔里木油田康村二井投入使用。運(yùn)用情況表明，基于SoPC的節(jié)流控制系統(tǒng)與以往的控制系統(tǒng)相比，體積更小、功耗更低、運(yùn)行可靠、控制靈敏，具有較好的應(yīng)用前景。

圖6 D/A轉(zhuǎn)換電路圖

[1]梅大成，王德玉，謝沖，等.多級(jí)節(jié)流計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2007(9).

[2]劉繪新，孟英峰，唐繼平，等.油氣井多級(jí)節(jié)流壓井系統(tǒng)研究[J].天然氣工業(yè)，2007(8).

[3]潘松，黃繼業(yè).SoPC技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]周立功.SoPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2006.