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案例详细
标题基于单片机的高温井下智能阀门控制系统
技术领域
行业
简介本文介绍了一种基于单片机控制的低功耗、耐高温的井下智能阀门控制系统。系统采用双CPU控制，引入硅振荡器提供时钟控制信号，主机完成智能阀门的时间设定，并进行时间数据的处理、显示以及键盘输入等工作，从机根据设定的时间控制阀门动作。通过单片机串口通讯实现主从机之间的数据与控制指令的传输。
内容
1 引言
       在油田的开发生产中，随着井深的不断增加，井下温度也随之不断增加，当井深达到5000m以上时，地层温度在100摄氏度以上。原有的井下阀门控制系统的耐温、功耗等指标较低，不能满足高温，长时间工作的现场要求[1]。因此，研制一种能长时间工作于井下高温环境中的智能阀门控制系统十分必要。
本文设计的井下智能阀门控制系统，利用单片机组成的计时与控制单元，配合多级封隔器，实现一次作业下井，完成测试管柱，配合地面计量和化验，进行分层和轮番采油。该系统采用双CPU控制，主机能在现场完成数据的录入、处理和显示功能，从机利用PIC单片机和硅振荡器使系统低功耗工作在125摄氏度以下的高温环境中，平均工作电流仅为0.2mA，使用10盎司电池供电，可连续工作1万小时以上。

2 系统的工作原理
        系统的基本工作原理是根据既定方案设计和测层需要，在地面对准备下入井下不同深度目的层的智能阀门进行多个开关时间设定，然后连同封隔器及防砂管柱一起下入井中。根据所设定的时间打开或关闭相应的控制阀，自动切换目的层，再配合地面低压测试仪器，定量读取各层日产液量、油量、含水及动静液面等数据。
        本控制系统由以下两个部分构成：阀门时间设定器（下称主机）和油井阀门控制器（下称从机），系统框图如图1所示。主机设计为手持设备，可在地面对数个从机进行多个时间设定，并对设定的时间数据进行处理和显示。从机将连同封隔器和防砂管柱一起下入井中，在主机设定的时间到后，与流量信号配合动作，驱动电机拖动相应的油井阀门打开或关闭，并在电机发生堵转时能够自动切断电源。


图1 系统结构框图

3 阀门时间设定器的硬件设计
        阀门时间设定器主要包括人机界面和通讯模块，系统采用MCS-51系列中的AT89C52单片机作为控制核心，系统电路图如图2所示。系统共设计了5个按键：“加”键，“减”键，“移位”键，“确认”键和“取消”键。显示的主要时间数据包括“年、月、日、时、分”，数据量较大，因此选用192×64个显示单元的LCD显示器。单片机能够直接访问LCD显示器，省去了单片机与LCD显示器之间的液晶显示控制器，降低系统成本。主机和从机单片机都带有通用的异步串行口，因此利用串口通讯十分方便，本系统采用RS-232串口通讯，以半双工的工作方式完成数据和控制指令的传输。


图2 阀门时间设定器硬件电路图
4 油井阀门控制器的硬件设计
       油井阀门控制器由电池供电，需长时间工作于井下125摄氏度以下的高温环境中。基于上述要求，本系统采用PIC16F876A单片机为核心实现油井阀门控制器的设计。硬件结构如图3所示，主要包括时钟控制信号、阀门电机驱动模块、电机保护模块和流量信号采集模块。PIC16F876A是美国Microchip公司生产的一种28脚8位单片机，才采用哈佛总线结构，在3V工作电压、32kHz时钟频率时的典型工作电流小于20μA，具有-40℃～125℃的宽工作温度范围[2]，自带异步串行口等优点，符合系统低功耗的设计要求。
        时钟控制信号由MAXIM公司生产的MAX7378CMOJ硅振荡器提供。该芯片能够为3V工作电压的微控制器提供32.768kHz的主时钟源，其典型工作电流为11μA [3]，能够工作于-40℃ 至+125℃的温度范围，具有抗振动和EMI抑制等特性，使其对污浊或潮湿的工作环境不敏感，能够满足井下恶劣的环境要求。
        阀门电机驱动模块使用单片机的RA2和RA3引脚驱动三极管来控制继电器J2和J1动作，进而实现电机的正转和反转，拖动阀门打开和关闭。当电机拖动阀门到位后，电机发生堵转，电机电流远大于额定电流，如不及时处理，将烧毁电机，因此，电机保护模块不可或缺。该模块采用硬件电路代替A/D转换器实现堵转电流信号的采样，不但保护了电机，同时降低了电池供电的从机系统的功耗，延长了电池的可利用时间。当电机堵转时，电机电流增大到额定电流的几倍，电阻电压升高，通过阻容滤波器变为平滑的电压信号，与堵转“门槛”电压值相比较，比较器输出高电平，送单片机控制电机断电。电机无堵转发生时，堵转电压低于“门槛”电压，比较器处于掉电状态，节省功耗。

图3油井阀门控制器硬件电路图


5 系统软件设计
        本系统采用模块化思想、应用C语言完成主机AT89C52与从机PIC16F876A的软件设计。
        主机程序实现键盘扫描、LCD显示、时间数据处理和串口通信等功能，系统程序流程图如图4所示。时间数据处理子程序能够设定“当前时间”和七个设定时间，并当设定的时间数据不符合设计要求或通信失败时，用户能够根据系统错误类型的提示，自行检测并排除故障。
         从机程序实现中断计时功能，每秒钟产生一次定时中断，采用查询方式检测是否有堵转或流量信号，若设定时间到，驱动智能阀门打开或关闭，系统程序流程图如图5所示。





图4 主机程序流程图



6 结束语
        高温井下智能阀门控制系统，利用单片机实现自动控制，系统结构简单，功耗低、耐高温、现场安装、调试方便，能长时间工作于125℃以下的高温环境。现投入运行稳定，可满足不同井况的工作要求。

 

参考文献：

[1]    谭河清,陈践发,刘静等.抽油井智能分层测试技术的研究[J].测井技术.2003,27(4):334-337.
[2]    罗翼,张宏伟.PIC单片机应用系统开发典型应用[M].北京:中国电力出版社,2005.115-120.
[3]     MAX7378 data sheet.MAXIM company.2004.