井控设备无线远程集中控制系统设计

1、摘要近年来，随着钻并工艺的发展，现场并控装备配套u益复杂，现有井控装备和以此为 依托的关井操作模式在生产实践巾暴露出一些问题。特别是在发生溢流等紧急情况下关井时， 不但需要多名操作人员协同配合完成动作，还需要各操作环节之间依次传递手势信息对操作 情况进行逐一确认。这一操作模式流程复杂，配合繁琐，其屮任何一个环节出现差错都有可 能导致最佳关井时机的延误，给井控安全带来潜在隐患和风险。因此，为提高井控装备的自 动化程度，将目前的井控装备分散控制模式改进为集中控制，本文研制了并控设备无线远程 集中控制系统，并在此基础上提出了自动化关井流程。主要研宄工作如下：1）通过对现有井控装备及其控制系统的调研，

2、制定出井控设备无线远程集中控制系统 的控制方案:将防喷器组和节流管汇控制系统从液压、电控、操作界而三方而进行整合设计。2）完成井控设备无线远程集中控制系统的硬件设计。以fkq1280-12控制系统为基础， 完成液动节流阀自动控制回路、电磁换向气阀控制回路、测压回路设计与改造，最后完成液 压系统原理图；以ni的9073 pac控制器力主控制器，根据控制对象、控制器特点完成电气 控制系统硬件电路没计。3）建立液动节流阀自动控制系统的数学模型，得出系统的开环传递函数，通过系统开 环bode图得出：系统是稳定的。在amesim环境下，根据pid控制和基于遗传算法的pid 参数优化原理，建立节流阀自动控

3、制系统的仿真模型，对控制系统进行仿真分析，仿真结果 表明：遗传-pid控制策略达到了现场对节流阀开关快、准、稳的要求。4）在labview环境下，完成集中控制系统上位机、下位机，以及操作界面的软件设计，上位机是有线触摸屏和无线遥控触摸屏，下位机是pac控制器；有线触摸屏通过rs-422勺wfifl* ； 'h 二:人川工天/r处2人丄 ro-hz.z.-下位机通信，无线遥控台采用无线通信与下位机通信。5）在油田现场条件下完成井控设备无线远程集中控制系统硬件线路连接，软件程序加 载，现场功能验证试验，试验结果表明：该控制方案是可行的，控制系统各功能均能按设计 要求实现。探索性的以井校设备

4、无线远程集中校制系统为操作平台，提出针对不同钻井工况 在司钻控制台人机界而上实现自动化关井的控制流程。本文研制的井控设备无线远程集屮控制系统能够实现防喷器组及节流管汇平板阀和节 流阀的集中控制，且系统操作简便，易于现场技术人员控制，对提高现行井控安全程度具有 重大意义，也为下一步完全实现井口全自动、智能化控制打下了坚实的基础。关键词：自动化关井；井控设备；遗传-pid; pac； amesim第1章绪论本章主要介绍现有的井控装备及其控制系统，提出实现自动化关并的理念，阐述课题 研宂的目的和意义，并通过对研宄现状的分析提出本论文的研宄内容及研宄思路。1.1课题研究的目的和意义近年来，随着油田勘探

5、开发工作的深入，现有井控设备和以此为依托的应急关井操作 模式和控制系统在生产实践中暴露出了一些问题。特别是在紧急关井时，关并过程不但需要 多名操作人员协同配合完成动作，还耑要依次传递手势信息对操作动作进行确认。这一操作 模式流程复杂，配合繁琐，其中任何一个环节出现差错都有可能导致最佳关井时机的延误, 给井控安全带来巨大的潜在隐患和风险。钻井过程屮一旦发现溢流，必须迅速、准确无误的实行关井，以防止井喷事故的发生。 然而不同钻并工况实施的关并程序不同，钻并工况包括“钻进过程”、“起下钻杆”、“起下钻 铤”、“空井”，关井方式包括“硬关井”、“软关井”，以“起下钻作业过程中发生溢流”的防 喷演习流程

6、为例，其演习流程和操作人员站位关系见图1-1、1-2。同时，现有的防喷器组及节流管汇控制系统是分开独立控制的，在进行关井操作时需 要多名操作人员实时的向司钻反馈设备开关状态，因此，现有的控制方式在进行关井时暴露 出如下问题：1）操作繁琐容易导致误操作井口防喷器组和节流管汇分别由两套不同的系统进行控制，在操作时需要防喷器操作 人员和节流管汇操作人员协同完成，才能确保设备的正常工作与关井作业的顺利实施。椐调 研，在现场井控演习中就出现过由于操作人员配合不默契导致误操作，延误宝贵的事故处理 吋间的情况。2）设备布局复杂操作范围有限井口防喷器组采用气控液动方式，节流压井管汇采用液控方式，控制装置与被控

7、对象 间都采用气动、液动管线进行连接，传递控制信号。设备和管线布置比较复杂，同时受到设 备和管线布罝的限制，操作人员对于井口防喷器组和节流压井管汇的操作只能局限在司钻台， 远控房等几个固定的位置。如果一旦出现并喷、有害气体溢出等事故，操作人员无法操作司 钻控制台，节控箱等设备进行关闭防喷器，节流压井等操作。3）无法对设备状态进行监控和记录目前，防喷器组和节流管汇控制装貫，主要通过各种机械式仪表和操作人员肉眼观察 来了解系统的工作状态和关键的工作参数。设备运行相关的信息获取，记录和处理都比较困 难。综上所述，为提高井控设备的自动化程度，改进井控设备分散控制为集中控制，进而 对现场应急关井操作模式

8、进行优化，减少中间环节，变多人协同为单人独立操作，实现自动 化关井，是避免误动作，实现准确、快速、高效关井的有效解决途径。本文结合防喷器纟 11及节流管汇的配套装备，研究设计了防喷器组及节流管汇无线集中 控制系统，并重点研究基于遗传-pid的地ifif自动节流管汇节流阀的控制算法，设计节流管汇 节流阀的自动控制系统，提出各种钻井工况下的自动化关井流程，解决了现有并控方式的诸 多弊端，避免了井控作业诸多潜在的隐患和风险，同时为油田下一步完全实现井u智能化控 制打下了坚实的基础。1.2国内外井控装备及控制系统研究现状1.2.1井控装备研究现状我国石汕与天然气工业通过几代人的不懈努力、开拓进取，现己

9、获得了举世瞩r的巨 大发展。石油与天然气的钻井工艺技术通过不断改进和创新也日趋科学化。作为钻井工重要 工具的钻井设备，也在不断改进与完善。井控装备系统是指实施汕气井压力控制技术的所有 设备、专用工具、仪器仪表及管汇或者是为恢复一次并控所需的所有设备设施总称1*2。常规井控装备包括以下几类3:1）井口装置：液压防喷器、四通、套管头、法兰短节等；2）控制系统：远程控制台、司钻控制台、遥控装备；3）井控管汇：节流管汇、压井管汇和放喷管线等；4）内防喷工具：方钻杆上、下旋塞、钻具止回阀等；5）井控仪器仪表：液面监测仪、综合录井仪等；6）钻并液净化、灌注装置：钻并液净化系统、自动灌注装置、除气装置等；7

10、）专用设备及工具：旋转头、自封头、强行起下钻装置、清理障碍物专用工具及灭火 设备等。1.2.2关井、压井方式研究现状1、关井方式在钻井过程屮，溢流情况必须被及时发现，溢流征兆一旦出现，应针对不同钻井工况 迅速的采取相应的关井措施，防止井喷事故的发生，井喷、井喷失控等事故的发生大多都是 由于钻井工对溢流量小的疏忽，从而造成未及时采収井口控制措施4。目前，常用的关井方式主要分为三种：硬关井、软关井和半软关井5。1）硬关井“硬关井”也被称为快速关井，即当发生溢流或井喷情况时，在节流阀和四通等的旁 侧通道全部关闭时马上关闭闸板防喷器。硬关井时，因为关井动作快，地层流体流入井筒的 量少，因此关井套压低，

11、压井作业时井门承受压力也较低。但硬关并吋可能会因产生的“水 击效应”造成井口装置损坏。2）软关井“软关井”是当发生溢流或井喷后，在节流阀通道开启、其它旁侧通道关闭时关防喷 器，然后再缓慢关闭节流阀，当压力恢复后再记录关井立管压力、套管压力。“软关井”方 式克服了“硬关井”的缺点，但因关井时间较长，进入并筒内的地层流体多，使得套压较高， 造成下一步的压井作困难。3）半软关井“半软关井”是节流阀在适当开度（约3/5圈）下关闭防喷器的操作程序。由于该种关井 程序打开节流阀幵度到适当位置，使得井口套压保持恒定值，因此可以减小水击作用，降低 井口压力，在很大程度上阻止地层流体进入井闪。2、压井程序“压井

12、程序”即关井后需要将一定密度的钻井液泵入井内，使得井底压力略大于或等 于地层压力，重新建立平衡的过程。压井方法有两种，其一是常规压井，通常适用于溢流量较小的情况，其二是非常规压 井，适用于溢流量较大的情况，比如发生空井井喷等情况。1.2.3井控装备控制系统研究现状井控装备控制系统包括防喷器组控制系统以及节流管汇控制系统，目前汕田使用的防 喷器组和节流管汇控制系统是分开控制的，主要通过各种机械式仪表和操作人员肉眼观察来 了解系统的工作状态和关键的工作参数，但随着科技不断发展，以及无线电控制技术在防喷 器控制系统上的运用，又派生出无线遥控防喷器控制系统6。1、防喷器组控制系统研宄现状防喷器组主要有

13、三种控制方式，液压控制、气一液控制和电一液控制。液压控制方式 成本低，工作可靠，防爆性能好，技术相对成熟，但只适合近距离和浅水钻井防喷器控制。 气一液控制是利用压缩空气和气动元件的控制形式，防火防爆性能好，适合中距离控制，但 经常因水气凝结引发压力变送器及主气管线气阻、冻堵，并且不适于水下钻井工况。电一液 控制采用电源、电气控制元件和电传感元件，控制时间短，进而缩短了防喷器开、关所需的时间，适合远距离控制。我国最初的防喷器控制系统是仿美国的shaffer防喷器控制系统，始于1970年。之后 重庆矿山机器厂、广东省广州石油机械厂和北京石油机械厂等相继研制成功并批量生产。通 过几十多年的努力，我国

14、己能够生产陆地井控设备及其控制系统，国内陆地井控装备仍以气 一液型防喷器控制系统为主，近儿年，电一液型防喷器控制系统以其控制时间短，适合远距 离控制的优点在各大油田投入使用。60至70年代初，我国主要引进罗马尼亚“五一”工厂生产的液一液型控制系统；从 70年代开始引进美国库美公司(koomeyinc)和卡麦隆公司(cameroninc)生产的气一液型控制 系统，其中主要是库美公司的产品；从90年代开始引进美国库美公司(koomeyinc)和卡麦隆 公司(cameroninc)的电一液型控制系统，但电一液型控制系统在国内广泛推广使用是从21 世纪开始的。通过以上儿种控制系统在现场多年的使用表明，

15、罗马尼亚“五一”工厂的液一 液型控制系统性能较差，目前基本已被淘汰：美国库美、卡麦隆公司的气一液型控制系统除 寒冷情况外，性能是可靠的；而电一液型控制系统以其方便快捷、安全可靠的优点也逐步开 始推广使用m。对于气一液型、电一液型控制系统，我国己能进行各种型号的系列化生产， 可满足国内各油田钻并生产的需要，其中的代表厂家有广州石汕机械厂、北京石油机械厂、 华北荣盛石油机械厂等。1) 气一液型防喷器控制系统气一液型防喷器控制系统是0前油田使用s为广泛的一种控制系统，电控液，无线遥 控功能也都是在气控液型防喷器控制系统的基础上发展起來的。气一液型控制系统是利用预 先制备与储存足量的液压油并控制液压油

16、的流动方向，使防喷器迅速完成开关动作。当液压 油因使用消耗，使得汕压降低到一定伉时，控制系统将为控制系统自动补充液压汕，使液压 油压力保持在一定的高压范围内。气一液型控制系统由蓄能器装置(远程控制台)、遥控装置(司钻控制台)以及辅助遥 控装置(辅助控制台)组成，如图1-4所示。蓄能器装置主要由汕箱、泵、阀、蓄能器、管线等元件组成，其功能是制备、储存与 控制液压油的装罝。通过操作换向阀使高压液压油进入防喷器油腔，然后使井口防喷器完成 开关动作。遥控装置见图1-6,是遥控蓄能器装置上的换向阀开关动作的系统。辅助遥拧装置作为 应急时使用的遥控装置，安放在值班房内。换叫阀可以通过三种方式遥控：液压遥控

17、，气压 遥控；电遥控。2) 电气遥控型防喷器控制系统电气遥控系统是在气一液控制系统的基础上发展起来的，其最®著的特点是在保留司 钻控制台的基础上增加了具备无线遥控功能的备用控制台。整个系统建立在plc控制技术和 冗线数据传输技术之上，通过控制系统上的plc控制器来采集现场参数发送控制指令，控制 相应的电磁阀动作，达到精准可靠地控制和操作控制对象的目的。尤其是在现场应急状态时， 便携式的无线遥控控制台可以在远离井ii危险区域的数百米的位置上对并口防喷器进行精 准操作，并对系统操作的曲线和时间进行实时跟踪记录，储存和打印，同时具备应急能力强、 反应速度快的优点。电气遥控型防喷器控制系统在

18、具备无线遥控的同时，保留了有线的司钻控制台，该控 制台与电一液型防喷器控制装置具有相同的工作原理，是将气滑阀控制及气动二次压力表的 司钻控制台改为电气遥控的和电子仪表司钻控制台；采用控制电缆替代气管缆连接司钻控制 台与远控台；为了实现plc控制在远控台上增加电磁阀箱，内装压力传感器及控制气缸的电 磁阀。电气遥控型防喷器控制系统是近年来才开始出现的一种新型防喷器控制系统，广州石 油机械厂，北京石油机械厂和美国国民油井公司都应经开发出了相关产品，如图1-7所示。2、节流管汇控制系统研宄现状节流管汇主要有两种控制形式，手动控制、电一液控制。手动控制方式由现场操作人 员读取立压、套压值，然后由操作人员

19、亲自调节节流阀的开度来平衡地层压力。该控制方式 由于操作者劳动强度大、效率低，并且不适于高压油气层的压井作业，现在己基本淘汰；电 一液控制方式通过钻台上的专用节控箱來操作液动节流阀的开度，同时也可用手动控制备用 节流阀。该控制方式司钻可直接在钻台上通过查看立压表、套压表、阀位开度表读取相应数 据，然后通过开关三位四通换向阀控制平板阀，同时通过对调速阀的调节来控制节流阀的开 度，从而完成压并作业。电一液控制方式劳动强度低，操作方便81。节流管汇有一级节流和多级节流两种节流方式（见图1-8）。常用的一级节流控制箱只 能对一个节流阀进行控制，同时耑要通过操作人员亲自调节节流阀开度来改变立管压力和套

20、管压力的值，从而改变井底压力。一级节流控制方式的控制精度低，操作不便，人为影响因 素大，不迠合压力的连续、精确控制；多级节流方式可以实现通道多路选择、降压分级节流、 压井远程操作、实时监测设备状态、压力自动化控制等五大功能，同时安全性、可靠性和可 操作性均优于一级节流方式91。3、防喷器组及节流管汇集中控制系统国内外研宄现状目前还没有厂家提出将防喷器组及节流管汇集中控制的理念，因此，本文将以fkq1280 控制装貫为基础，设计一套采用电一液控制和多级节流形式的防喷器组及节流管汇集屮控制 系统，该集屮控制系统带有无线远程和有线控制功能，由带集屮控制功能的远控台，有线触 摸屏司钻控制台和无线遥控台

21、构成，进而在该集中控制系统的基础上提岀实现自动化关并的 控制流程。1.3主要研究内容本文针对防喷器纟 11及节流管汇控制原理、控制原则及配套装备进行了系统研究，提出 一套切实可行的并控设备集中控制系统自动控制方案，并设计出集中控制系统的液压回路和 电气控制电路，通过建立节流阀自动控制系统的数学模型并利川amesim软件对控制算法进 行仿真，利用labview软件进行软件编写，实现井控设备的自动化控制以及钻井数据采集、 显示及监测，进而提岀岀现溢流时的ft动化一键关井控制流程。该系统的工业化应用能够进 一步提高井控装备的安全程度，具体完成的研究工作如下：1）调研国内外防喷器控制系统和节流管汇控制

22、系统现状、控制方式，收集国内外防喷 器控制系统和节流管汇控制系统的液压控制、电气控制方法，根据油m现场作业现场的实际 需要，提出井控设备集中控制系统的控制方案；2）完成节流阀自动控制系统的液压回路设计，关键元件选型，进而完成井控设备集屮 控制系统液压系统的设计；完成井控设备集中控制系统的电气控制方法、控制原理介绍以及 控制通道和控制电路的设计。3）通过对液动节流阀自动控制系统的组成进行详细的分析，建立其数学模型，并分析 其模型的特性。利用amesim软件建立液动节流阀自动校制系统的仿真模型，对pid控制算 法、遗传-pid控制算法进行控制仿真，根裾仿真结果对比分析其动态性能，并验证设计出的 节

23、流阀自动控制系统的可行性，优选出适合于现场要求的控制算法。4）利用labview图形化编程语言完成并控设备集中控制系统上位机、下位机及控制界面的软件设计，通过软件设计在控制界面上实现钻井数据的实吋采集与监测。5）完成集中控制系统现场功能实验，验证控制系统能实时控制防喷器组开关动作，液 动节流阀和平板阀开关动作，蓄能器压力、管汇压力、环形压力、气源压力的实时显示，立 管压力、套管压力的实时显示等功能。6）提出各种钻井工况下的自动化关井控制流程。1.4本文研究思路本文研究的自动化关井控制系统是在重点研究防喷器组控制系统和节流管汇控制系统 相关资料的基础上，对井控设备集中控制系统的控制原理、装备、关

24、键工艺控制流程、节流 阀自动控制系统等方面进行研宂。首先通过调研m内外防喷器控制系统和节流管汇控制系统现状、控制方式，收集国内 外防喷器控制系统和节流管汇控制系统的液压控制、电气控制方法，然后结合现场需要，进 行资料收集，找到防喷器控制系统和节流管汇控制系统集中控制的结合点：运用液压控制技 术，设计集中控制系统的液压回路，其中重点设计节流阀自动控制系统的液压回路，建立节 流阀控制系统数学模型，分析模型特性并选取适合于节流阀的控制算法，在amesim环境下 对节流阀控制系统进行动态仿真研宄，通过对仿真结果的分析比较，确定出可满足现场井控 设备控制系统要求的控制算法;根据集屮控制系统配罝和功能要求

25、，运用电气控制技术、pac、 现场总线技术、无线遥控技术，完成驱动、控制、传感系统的硬件选型，设计集中控制系统 的主电路和控制电路；针对集屮控制系统软件技术要求，确定控制系统软件各主要功能模块 的没计方案，利用labview图形化编程语言编写相应的软件程序：根据实际情况，充分利 用现场有效资源，完成防喷器及节流管汇无线遥控集屮控制系统现场功能试验。最后以设计 出的井控设备集屮控制系统为平台，在此基础上提出各种钻井工况下的自动化关井控制流程 本文的技术路线如图1-9所示。第3章井控设备无线远程集中控制系统硬件设计本章主要进行井控设备无线远程集屮控制系统的硬件设计，即液压系统设计和电气控 制系统设

26、计，液压系统设计主要包括液动节流阀自动控制冋路设计、主要元件选型；电气控 制系统设计主要包括控制器控制通道设计、硬件电路设计等。3.1井控设备无线远程集中控制液压系统设计巾于fkq1280-12控制系统的控制对象较多，能满足实现对防喷器组和节流管汇集屮控 制的要求，因此本文选用fkq1280-12控制系统作为设计基础。fkq1280-12控制系统可以控 制12个对象，控制系统液压油总容积为1280l,理论可用液量为640l，实际可用液量为496l， 经改造设计后的集中控制系统将控制1个环形防喷器，1个闸板全封防喷器，3个闸板半封 防喷器，2个放喷阀，4个液动平板阀，剩余一个备用油u为液动节流阀

27、自动控制冋路提供 油源。集中控制系统液压冋路设计包括液动节流阀自动控制冋路设计、电磁换向气阀控制m 路和测压回路的改造。其中液动节流阀自动控制回路是用该控制系统的备用油n作为节流压 井管汇的油源，添加电液比例阀、手动换向阀、减压阀实现对节流阀开度的自动调节；电磁 换向气阀控制回路改造主要用电磁换向气阀代替原來司钻台的手动换向阀实现对防喷器组 的电气控制；测压回路的改造足用压力传感器替换原来的压力变送器，将所测得的压力模拟 量信号直接输送到pac控制器中。因此，在fkq1280-12的基础上，集屮控制系统的液压系 统的设计计算主要是对液动节流阀自动控制回路的相关计算，其余未改变的液压回路均采用

28、原fkq1280-12控制系统的液压冋路。3.1.2电磁换向气阀控制回路设计原fkq1280-12控制系统是采用手动挽向阀接通相应气路实现对防喷器组的开关控制, 而新型的集屮控制系统采用电磁换向气阀取代手动换向阀实现对防喷器组及液动平板阀的 电气控制，其控制回路原理图见图3-2。3.1.3测压控制回路设计原fkq1280-12控制系统的测压回路是采用压力变送器获取管汇压力、环形压力、气源 压力、蓄能器压力，而新沏的集屮控制系统的测压冋路是用压力传感器替换原来的压力变送 器，将所测得的压力模拟量信号直接输送到pac控制器中，然后在有线触摸屏司钻控制台、 无线遥控台、远程控制台上显示。集中控制系统

29、的测压回路还增加了套管压力、立管压力、 节流阀控制压力的检测，压力传感器的具体安装位置分别见集中控制系统液压原理图3-2。3.1.5集中控制系统液压回路综上所述，根据原fkq1280-12控制系统的液压回路以及设计与改造的三大控制回路， 本文设计的井控设备无线远程集中控制系统液压回路原理图见图3-6,采用电控气，气控液 的方式，能同时控制防喷器组及节流管汇。如阁3-6所示，集屮控制系统配备有两台主电动泵、一台试压泵，并配有一组气动汕 泵作为辅助油泵，油箱里而的液压油经球阀、滤淸器进入电泵，电泵运行将液压油升压通过 单向阀输入蓄能器组存储，一旦蓄能器中的油压升至21mpa,电泵停止运行；一旦蓄能

30、器 中的油压降至19mpa,电泵自动运行往蓄能器里补充液压油，这样蓄能器将始终维持有所 需压力的液压油，电泵的自动运行和停止通过压力控制器來控制1q1。控制系统在没电或者不能用电的情况下，可以通过辅助气泵自动为蓄能器充压，其原 理是当蓄能器p、j液压油压力低于设定值时，液气开关会自动打开，压缩空气进入气泵，驱动 其运行，气泵排岀的液压油经过单向阀进入蓄能器：当蓄能器液压油压力高于设定值吋，液 气开关会自动关闭，气泵停止运行。在特殊情况下（如进行系统静压试验、剪切闸板防喷器 不能剪断钻柱时），需要使用高于21mpa的液压油进行超压工作，此时只能由气泵供油。即 通过关闭蓄能器组上的隔离阀，使液压油

31、不能进入蓄能器组，同时将控制管汇上的旁通阀从 "关位扳至"开位，打开液气开关的旁通阀，压缩空气直接进入气动汕泵使其运行，气泵排 岀的高压液压油直接进入管汇。蓄能器组中存储的液压油通过隔离阀、滤油器，再通过减压溢流阀减压后，进入控制 管汇，并到各个防喷器组或液动平板阀的三位四通转阀进汕口。当电控面板上发出遥校指令 后，控制信号经过通讯电缆进入远程控制台的pac控制器，pac控制器发出指令信号进入 到电控箱，控制相应的三位五通电磁换向气阀的"开、"关，从而使相应的三位五通电磁挽 向气阀的气缸通气，使远控台上相应的三位四通阀换向，从而接通相应的液压回路，实现防

32、 喷器组、以及节流管汇上液动平板阀的"开"、"关操作。控制管汇上的减压溢流阀的出l1压 力的调整范围一般在014mpa，通常采用手动调整为10.5mpa。环形防喷器配有调压阀，它 的出口压力一般在014mpa间调节，环形减压阀可手动调节，也可通过电控箱上的相关按钮来调节。节流管汇上的液动节流阀的控制油路是从管汇引入油源，在控制油路上增加节流阀控 制阀板，阀板上安装减压阀，电液比例换向阀，手动换向阀。当电控面板上发出遥控指令后， 控制信号经过通讯电缆进入远程控制台的pac控制器，pac控制器输出模拟量信号校制电 液比例换向阀的开度，从而对节流管汇上的液动节流阀的开度

33、进行控制，液动节流阀也可以 直接通过手动换向阀进行控制。3.2井控设备无线远程集中电气控制系统设计3.2.1电气控制系统结构及原理1、电气控制系统结构防喷器组和节流管汇无线远程集中控制系统主要由远程台主站和两个司钻台组成，pac 控制器部分主要川于与无线遥控司钻台和有线触摸屏（hmd司钻台通信并实现控制和数据 的采集，其电气控制系统硬件结构简图见图3-7。2、电气控制系统原理电气控制系统原理见图3-8,采用压力传感器将节流管汇系统的套管压力、立管压力、 比例阀控制输出压力和采用位移传感器将两套液动阀开度转换成与其对应的标准信号土 10v模拟量信号，pac控制器的adc模块（16位）将该信号转换

34、成与实际对应的数字量信 号，然后巾pac控制器采集并将该数据通过无线局域网（wlan）以及串口 rs422上传至无 线接收端（无线遥控台）的工业平板电脑以及有线司钻台的工业防爆型平板电脑，并实时显 示在用户操作界曲该为司钻人员提供准确、直观的节流管汇系统以及防喷器开关位置的信 息，并且根据现场工程师预设的节流方式，以动态方式显示出来，提示司钻指挥现场操作人 员准确的操作相应的阀门，避免因事态紧急时指挥上发生错误。司钻川根据现场实际情况, 可在必要时在工业平板电脑上控制液动阀的开度，当司钻人员操作触摸屏上的操作按钮时, 其实质是通过pac控制器的dac模块，将开度设定信息转换成±10v

35、的控制信号，由该信 号控制一带阀芯位置反馈的直动式三位卩q通比例方向阀的开/关的比例，用户可根据相关行 业或者油m标准，按照钻井实际的控制液动节流阀速度的要求，操作该阀0%-100%的开度， 从而控制液动节流阀的控制液压油的流量，最终实现液动节流阀开关速度的控制。3.2.2电气控制系统控制器3.2.2.1pac 控制器pac控制器被定义为控制引擎的集中，涵盖plc用户的多种需要，以及制造业厂商对信 息的需求。pac包括plc的主要功能和扩大的控制能力，以及pc-based控制屮基于对象的、 开放数据格式和m络连接等功能。pac可以完成杂的功能，并且系统的硬件和软件无缝集 成，提高了控制系统的性

36、能。而要完成这些功能，plc需要额外的扩展卡才能完成。pac编 程时，集成的硬件和软件也是一个优势，用于pac编程的集成开发环境（ide）包括一个所 有开发工具共享的标签名数据库。pac使用同一个软件包來满足现行的和未來的自动化要求,而不是使用来自不同供应商的多个软件包111。pac结合了 pc的处理器、内存及软件，并且拥有plc的稳定性、坚固性和分布式本质， pac采取开放式结构，使用cots （commercial of the shelt）,也就是它是选用市面上已经成 熟可川的产品组合成pac平台，pac控制器在以下方面更具优势12。1）人机接口pac系统可以使用l0所用的同一个控制器，

37、因此不需要额外的内嵌控制器,即可在hmi 中显示图形，与大部分控制系统需要连接至控制系统的人机界面（hmd相比，更具竞争优 势。2）更佳的控制运算在控制方面，pac提供了较传统plc更佳的控制运算，plc使用的pid控制算法在某些 程序下并未最佳化。商级控制算法不但需要强大的浮点运算处理器，也需要大w:的p、j存，pac 平台可以同时提供这两项资源。3）实吋分析能力在机器监视应用巾，來自模拟和数字l0线路的数据必须实时进行撷取和分析，以便有 效地侦测到错误情况。复杂的例程用来有效地监督机器的状况，pac提供了高效率平台，让 此类应用环境可进行实时分析。4）安全性更胜一筹pac目前的最大应用领域

38、是工控，而工厂的实吋数据可以让管理阶层具有更丰富的信 息资源，以便借此进行决策，但是要安装能够提供工厂数据的系统可能相当w难。力获得最 高的安全性，许多厂商选择不要将a动化系统与企业连接，但是大致上来说，连接的优点远 超过安全问题，虽然plc可以保护它不被工厂的人侵者偷窃，但是plc难以对抗以以太网络 连接端口未受保护封包为目标的黑客。pac可以在利用网络传输数据之际进行编码，从而保 护资料。里然这在今天可能不是关注的焦点，但是在将来，它可能会是影响pac进驻工厂的 主要因素13'14。5）数据反馈通过opc来取得数据，并且使用odbc、ado和xml之类的标准将数椐反馈给企业， 同时

39、pac可以有效地将工；*数据整合至erp系统中，让控制系统能够直接和外部数据库通 信。6）机多用节省成本对于小型的数字控制应用，控制器的价格可能比l0模块的价格更高，同时一个仅控制 数字l0线路的微型plc便以足够。但足，如果系统需要视觉或仪器控制，就必须为这些功 能另外购置独立的控制器，plc没有视觉或仪器控制模块，必须为这些应用配罝独立的控制 器，从而提高成本。而pac控制器就可以处理数字及模拟l0、动作、视觉及仪器，因此节 省多部控制器的费用，每当控制系统需要多重功能时，pac相比之下成本最低。7）储存能力与数字模拟能力传统plc仅有控制器的功能，并无a建硬盘或flash,而pac被视为

40、pc的延伸，储存 能力更胜一筹。pac可以决定何时、如何记录数据，以及采用何种格式对于数据进行采集、 汇总、整理甚至分析，这就需要pac拥有高速处理器及海量存储器。由于pac系统使用的 是市面上现有的硬件，因此pac控制器可以采用pentium 4处理器配备1gb内存。在数字处理方面，传统的plc是惟一能够以正确的电压及电流为工业传感器及致动器 提供数字i/o的平台，但pac可以提供24v数字l0,最高可达500ma电流驱动及光学隔绝， 同时也提供各种功能，诸如看门狗（watchdog）定时器，可程序化的运转状态及输人过滤器， 以提高安全性和稳定性。在模拟处理方囬，有些plc具有模拟l0模块，

41、但其设置相当麻烦， 还没有高分辨率及数据流通能力，而pac提供的模拟输入速度高达每秒2亿个样本，分辨 率可高达24位3.2.2.2plc 控制器plc控制器的基础是微处理机，结合了自动控制技术、计算机技术以及通信技术等现代 技术而发展起來的工业a动控制装置，其融合了计算机技术，并广泛应用在工业控制领域, 具有抗干扰能力强、可靠性商、系统设计工作迨少以及维护方便等有点。plc又称为可编程 逻辑控制器(programmable logic controller),因为初期的可编程控制器主要用于取代继电 器实现逻辑控制15141与cad/cam、机器人技术被誉为当今工业自动化领域的三大支柱本文有线触

42、摸屏和无线遥控台内部采川的是ilc 150eth可编程控制器，主要作为pac 控制器的辅助控制器，ilc150eth可编程控制器是一种紧凑型可编程控制器，集成了以太网 与interbus连接。使用pcworx自动化软件，可遵循iec 61131标准对该控制器实现无缝 组态和编程。可通过网络(以太网)操作pcworx。集成的通信功能可通过以太网直接、 有效地进行数据交换。可使用“发送”和“接收”通信模块，可以通过以太m实现设备之间 信息的交互。3.2.3电气控制系统通信技术3.2.3.1现场总线技术现场总线技术是当代自动化领域技术发展的热点之一，被称为自动化领域的计算机局 域网。现场总线技术是指

43、现场没备公用的信号传输线，后来被称为应用于生产现场，控制设 备间实现双肉申行多节点数字通信的技术。随着现场总线技术的不断发展和创新，其已经广 泛应用于离散制造业、交通、建筑、流程工业等行业的自动化系统中。传统模拟控制系统在设备之间采用一对一的连线，测量变送器、执行器之间物理连接 采用一对一的连接171。而现场总线系统在结构上的显著特征是：各现场设备被当做总线上 的一个网络节点，设备之间利用用网络式连接，在由两根普通导线制作的通信电缆上可同时 连接多个控设备，并能传递不同的信号。因此，现场总线技术具有简化系统结构、节约连 接电缆及硬件设备、节省维护成本、并能较大的提升设备的可扩展能力等优势18&

44、#39;19。本文总线釆用的是modbus现场总线技术，采用rs-422串行接门。modbus是迄今为止 第一个真正意义上川于工业现场的总线协议，且modbus tcp/ip以太网具有强大的速度性能: 响应时间小于10ms,工业控制中90%应用需求均可满足2q1。3.2.3.2无线遥控技术无线传输是指通过电磁波运载数据来取代线缆类传输介质的传输过程。无线遥控主要 包括微波、无线电波、红外和激光传输，国际上把2.4ghz频段留给工业、科学和医疗作短 距离通信用。工业无线通信技术是21世纪初开始兴起的，是对现有通信技术在工业应用上的功能扩 展和提升，其将使传统工业测控有线模式产生革命性的变化，也使

45、工业自动化系统向着低成 本、高灵活性、高可靠性的方向发展p1。本文将采用无线遥控技术实现控制器与无线遥控台之间的数据传输。井控设备无线远程集中电气控制系统硬件电路设计包括动力电路、无线遥控台和有线 触摸屏司钻台内部电路、防喷器组及节流管汇平板阀开关动作控制电路、防喷器组及节流管 汇平板阀阀位状态检测电路、pac控制器压力检测电路、液动节流阀开度控制电路、各设备 间连接电路等的设计。电气控制系统动力电路主要是为整个控制系统电路提供动力来源，如图3-13所示，首 先外接单相220v交流电源，断路器qf1起到保护集中控制系统设备在过载情况下不被损坏 的作用，转换开关sai、sa2可以启动或停止为控制

46、系统提供电源，防爆指示灯hg1可以显 示电源通断情况。中间继电器k5通过其线圈得电或失电向控制器pac和plc输入开关量信 号，以便在远程控制台、无线遥控台、司钻控制台上显示备用电源指示情况。变压器p3将 外接的220v交流电源转换为24v的直流电源，ups （不间断电源）p4可以在外接电源突然 中断的情况下在短吋间内向控制系统提供备用电源，防止控制系统在断电的情况下不能正常 工作，其内部有两个蓄电池bt1、bt2,外接电源随时可以为蓄电池充电。3.2.5.2无线遥控台内部电路设计无线遥控台内部电路设计主要包括为触摸屏、无线模块及i部plc的供电电路，无线遥掠台 内部充电电路，无线遥控台关机、

47、开机、报警电路等。如图3-14、3-15所示，无线遥控台 首先从充电机p1处引入普通三相交流电，通过充电机p1转换为24v直流电压，继电器k1 起到接通电源指示的作川，当k1线圈得电，通过k1触点向plc的mil模块1.4 口输入开关 量信号，从mq1模块的2.1 口输出开关量信号，然后由指示灯l1指示电源接通；主令开关 sb1、关机按钮sb2、继电器k2、k3组成无线遥控台的开机、关机电路，当主令开关sb1接 通，继电器k2线圈得电，k2常开触点闭合，则接通触摸屏、无线模块及内部plc的电源， 当关机按钮sb2接通，向plc的mil模诀2.1 口输入开关量信号，从mq1模块的1.4、2.4

48、口输出开关量信号，继电器k3线圈得电，k3常闭触点断开，继电器k2线圈失电，k2触点 断开，则断开触摸屏、无线模块及内部plc的电源，同时指示灯l2指示电源断开；蓄电池 bt1、bt2和plc的mai模块组成了无线遥控台内部充电电路和电:u1:检测模块，当无线遥控 台接通电源后将为蓄电池bt1、bt2自动充电，防止外部电源突然屮断造成无线遥控台供电 终止的情况发生，当主令开关sb1接通时，常开触点k2闭合，两组蓄电池的电量将输入plc 的mai电量检测模块，通过a/d转换将模拟量转换为数字量输入plc;变压器p2将24v直 流电压转为5v直流电压,plc的mq1模块1.1 口输出开关量信号控制

49、蜂鸣器xbz进行报警， plc的mpwr模块是plc的供电电路。3.2.5.3有线触摸屏司钻控制台内部电路设计有线触摸屏司钻控制台内部电路设计主要包括为触摸屏、内部plc的供电电路，有线 触摸屏司钻控制台关机、开机、报警电路等。如图3-16所示，下四路14芯防爆插销mx4 将pac控制器与上位机相连，通过rs422申口通信进行数据传输，上四路14芯防爆插销 mx4将节流阀控制板与上位机相连；wj2为24v电压线路，防爆旋钮jsa2可以启动和关 闭有线触摸屏司钻控制台，plc的mpwr模块是plc的供电电路，plc的mq1模块是有线 触摸屏司钻控制台的报警电路，通过1.1 u输出开关量信号控制蜂

50、鸣器jbz进行报警，plc 的mil模块设置了二次操作和紧急关井按钮，需要编写二次操作和紧急关井程序实现二次 操作和紧急关井。3.2.5.4远程控制台与无线遥控台、有线触摸屏司钻台连接电路设计如图3-17所示，从集中控制系统动力电路图3-13引入24v电源a1-b2，通过变压器 p4转换为±12v电源。无线放大器s_wap将信号放大，无线模块wap与无线遥控台内部无 线模块wap1通过wi-fi无线通信技术进行数据传输，从而下位机pac控制器可以与上位机 进行无线通信；串口模块tcc通过14芯防爆插销mx3与图3-16的下四路14芯防爆插销 mx4相连，从而下位机pac控制器可以与上

51、位机进行rs422串口通信。3.2.5.5防喷器组及节流管汇平板阀幵关动作控制电路设计无线遥控台或有线触摸屏司钻控制台是通过pac校制器拧制防喷器组及节流管汇，如 阁3-18所示，当操作人员在无线遥控台或有线触摸屏司钻控制台发出控制防喷器组及节流 管汇平板阀开关动作的指令，pac控制器根据编好的程序，在pac控制器的ni9476模块相 应的开关量输出口输出开关量信号，使得相应的屮间继电器线圈得电，其屮屮间继电器 wa2-wa7, wb1-wb8, wc1-wc8, wd1-wd6控制防喷器组及节流管汇平板阀开关动 作，wa1控制无线遥控台或有线触摸屏司钻控制台主控按钮，wd7、wd8、w0分别

52、控制 报警确认、点火、比例阀主控，pac控制器控制防喷器组及节流管汇平板阀开关动作的开关 量输出模块为ni 9476模块。图3-19远程控制台（电控箱）控制防喷器组及节流管汇平板阀开关动作电路 如图3-19所示，当控制防喷器组及节流管汇平板阀开关动作的中间继电器线圈得电，此时相应继电器的常开触点闭合，其巾wf1、wa1常开触点闭合接通这个控制电路，从而 按钮式司钻控制台或无线遥控台、有线触摸屏司钻控制台的主控按钮起到避免操作人员不小 心碰到触摸屏相应按钮引起误操作的作用；wi6、wd7常开触点闭合接通报警确认的电路， 使得远程控制台、无线遥控台、有线触摸屏司钻控制台、按钮式司钻控制台的报警声停

53、； wd8、wi7常开触点闭合接通点火装置电路，从而实现自动点火放喷：当其余继电器的常开 触点闭合，此时相应的三位五通电磁阀线圈得电，其中三位五通电磁阀wjl线圈得电便接 通控制节流管汇的电路，ya1-ya26线阚得电，使得相应的三位五通电控换向气阀开关动作， 从而气缸驱动控制相应防喷器组及节流管汇平板阀的三位四通转阀开关动作，最后接通相应 的液压回路控制防喷器组及节流管汇平板阀开关动作。3.2.5.6防喷器组及节流管汇平板阀阀位状态检测电路设计防喷器组及节流管汇平板阀的阀位状态通过接近开关检测，检测出防喷器组及节流管 汇平板阀的阀位状态在无线遥控台、有线触摸屏司钻控制台、按钮式司钻控制台上显

54、示，便 于司钻进行关井、开井等操作，具体电路设计见图3-20。如图3-20所示，在远程控制台上的各三位四通转阀上安装接近开关npn1-24,由接 近开关检测出控制各防喷器及节流管汇平板阀的三位卩4通转阀的阀位状态，接近开关将信号 传至隔离模块nv112,隔离模块将信号进行放大，滤波，然后向远程控制台（电控箱）内 的pac控制器、plc控制器相应的开关:w:输入口输入开关:w:信号，plc的mi4、mi5、mi6模 块是防喷器俎及节流管汇平板阀阀位状态开关量输入模块，pac的ni 9425模块是防喷器组 及节流管汇平板阀阀位状态开关量输入模块。接近开关检测的防喷器组及节流管汇平板阀阀位状态开关量

55、信号输入pac控制器的ni 9425模块，根据编制的pac控制器程序在无线遥控台或有线触摸屏司钻控制台的触摸屏上 显示出防喷器组及节流管汇平板阀的阀位状态。3.2.5.7声光报警电路设计声光报警电路设计包括无线遥控台、有线触摸屏司钻控制台远程控制台处的接通电源 显示，电泵运转指示，备用电源指示，蓄能器压力低、气源压力低、油箱液位低声光报警等 电路。如图3-22、3-23所示，远程控制台接通电源显示是直接在主电路a1-b2之间连接一个 防爆指示灯hg2,由hg2指示电源接通情况，同时向pac控制器的ni 9421模块的0号端子 输入开关u信号，然后在有线触摸屏司钻控制台和无线遥控台上显示电源接通

56、情况。电泵运 转指示电路：当两台电泵运转时，其屮间继电器常开触点km1、km2将闭合，将接通电路 c1,远程控制台处由防爆指示灯h14指示电泵运转情况，同吋向pac控制器ni 9421模块的 1号端子、plc控制器mi3模块的1.2 口输入开关量信号，然后由pac控制器输出信号在有 线触摸屏司钻控制台和无线遥控台上s示电泵运转情况。备用电源指示电路：首先在图4-20 集屮控制系统动力电路的l3n主电路上连接屮间继电器线圈k5,当外接电源正常接通时， 继电器线圈k5得电，其常闭触点k5将断开，此时远程控制台、有线触摸屏司钻控制台、 无线遥控台处指示备用电源的防爆指示灯均不亮，当外接电源突然中断，

57、继电器线圈k5失 电，其常闭触点k5回复闭合，此时将接通电路c2,远程控制台处由防爆指示灯hr显示备 用电源投入使用，同时向pac控制器ni 9421模块的2号端子，然后由pac校制器输出信号 在有线触摸屏司钻控制台和无线遥控台上显示备用电源投入使用情况。蓄能器压力低报警电 路：首先在蓄能器液压管汇处安装压力开关kp1，同时在kp1 p、j部设定蓄能器报警压力值， 由kp1检测蓄能器压力，当电泵未工作时，继电器常常闭触点km1、km2闭合，当kp1检 测到的压力值达到报警压力值时，电路c3接通，继电器线圈k1得电，其常开触点k1闭合， 电路c6接通,远程控制台处由防爆指示灯hy1 s示蓄能器压

58、力低，同时向pac控制器ni 9421 模块的3号端子输入开关量信号，然后由pac控制器输出信号在有线触摸屏司钻控制台和 无线遥控台上显示蓄能器压力低，同吋常开触底k1闭合接通电路c12,在远程控制台处由 蜂鸣器bz发出蓄能器压力低声报警，向pac控制器ni 9421模块的4号端子输入开关量信 号，然后由pac控制器输出信号驱动有线触摸屏司钻控制台和无线遥控台内部蜂鸣器jbz、 xbz发出蓄能器压力低声报警。气源压力低报警电路:首先在气源管汇处安装压力开关kp2, 同时在kp2内部设定气源报警压力伉，巾kp2检测蓄能器压力，当kp2检测到的压力伉达 到报警压力值时，电路c7接通，继电器线圈k2得电，其常开触点k2闭合，电路c8接通， 远程控制台处由防爆指示灯hy2显示气源压力低，同吋向pac控制器ni9421模块的6号端 子输入开关量信号，然后由pac控制器输出信号在有线触摸屏司钻控制台和无线遥控台上显 示气源压力低，同时常开触底k2 w合接通电路c12,在远程控制台处巾蜂鸣器bz发出气源 压力低声报警，向pac控制器ni 9421模块的4号端子输入幵关u信号，然后由pac控制器 输出信号驱动有线触摸屏司钻控制台和无线遥控台内部蜂鸣器jbz、xbz发出气源压力低声 报警。油箱液位低报警电路：首先在油箱内安装液位开关xk，同时在xk内部设定油箱液位 报警