[導(dǎo)讀] 在油井的開發(fā)生產(chǎn)中，隨著井深的不斷增加，對(duì)井下閥門的控制也更加困難，其主要問題是井下溫度較高(當(dāng)井下深度5000m以上時(shí)，其溫度可達(dá)100℃以上)。
在油井的開發(fā)生產(chǎn)中，隨著井深的不斷增加，對(duì)井下閥門的控制也更加困難，其主要問題是井下溫度較高(當(dāng)井下深度5000m以上時(shí)，其溫度可達(dá)100℃以上)。另外，地面對(duì)井下閥門的供電及相應(yīng)的控制也更難實(shí)現(xiàn)。因此，研制一種采用電池供電，并能較長(zhǎng)時(shí)間按設(shè)定的要求獨(dú)立工作于井下高溫環(huán)境中的智能閥門控制系統(tǒng)十分必要。
本文設(shè)計(jì)的井下智能閥門控制系統(tǒng)，采用由單片機(jī)組成的計(jì)時(shí)與控制單元，配合多級(jí)封隔器，實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)下井，配合地下計(jì)量和化驗(yàn)，按設(shè)定時(shí)間(也可根據(jù)需要使某些設(shè)定時(shí)間失效)進(jìn)行分層和輪番采油。系統(tǒng)采用雙CPU控制，主機(jī)能在現(xiàn)場(chǎng)完成數(shù)據(jù)錄入、處理和顯示。從機(jī)選用PIC單片機(jī)和硅振蕩器，使系統(tǒng)可在125℃高溫環(huán)境中長(zhǎng)期工作。井下控制系統(tǒng)的平均工作電流小于0.2mA，使用10盎司的電池供電，可連續(xù)工作1萬小時(shí)。
系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)的基本工作原理是根據(jù)用戶對(duì)油井測(cè)層的需要，在地面對(duì)準(zhǔn)備下入井下不同深度目的層的各智能閥門進(jìn)行多個(gè)開關(guān)時(shí)間設(shè)定，然后連同封隔器及防砂管一齊下入井中。各智能閥根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間打開或關(guān)閉相應(yīng)的控制閥，(也可根據(jù)外界條件，使某次所設(shè)定的關(guān)閥失效)，自動(dòng)切換目的層，再配合地面測(cè)試儀器，定量讀取有關(guān)數(shù)據(jù)。
圖1：系統(tǒng)原理框圖
系統(tǒng)主要有兩部分組成：閥門動(dòng)作時(shí)間設(shè)定器(下稱主機(jī))和井下閥門控制器(下稱從機(jī))，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。主機(jī)設(shè)計(jì)為帶有液晶顯示的手持設(shè)備，可在地面對(duì)各從機(jī)進(jìn)行多個(gè)時(shí)間設(shè)定，對(duì)設(shè)定的時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和顯示，并能對(duì)設(shè)定時(shí)間的正確與否做出判定。從機(jī)下到井下后，可根據(jù)所設(shè)定的時(shí)間，并與有關(guān)流量?jī)x器配合動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)電機(jī)拖動(dòng)相應(yīng)的閥門打開或關(guān)閉。
主機(jī)部分的硬件電路設(shè)計(jì)
主機(jī)主要包括人機(jī)界面和通訊模塊，采用AT89C52單片機(jī)作為控制核心，其電路如圖2所示。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了5個(gè)按鍵：“加”鍵、“減”鍵、“右移”鍵、“確定”鍵和“取消”鍵。操作人員可通過該組按鍵，依據(jù)日歷的方式完成多組時(shí)間的設(shè)定和確認(rèn)。顯示的時(shí)間數(shù)據(jù)包括“年、月、日、時(shí)、分”，數(shù)據(jù)量較大。因此選用192×64個(gè)顯示單元的LCD顯示器。單片機(jī)能夠直接訪問LCD顯示器，省去了單片機(jī)于LCD之間的液晶顯示控制器，降低了系統(tǒng)成本。主機(jī)與叢機(jī)之間采用RS-232串口通訊，完成數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。
圖2：主機(jī)硬件電路圖
從機(jī)部分的硬件電路設(shè)計(jì)
從機(jī)由電池供電，需要長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立工作于井下125℃以下的高溫環(huán)境中。因而耐高溫、低功耗、高可靠性是從機(jī)設(shè)計(jì)中首要考慮的問題。本系統(tǒng)采用PIC16F876A單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)油井閥門控制器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。從機(jī)主要包括：時(shí)鐘控制信號(hào)、工作電流控制器、閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、流量信號(hào)采集器。PIC16F876A是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的一種28腳8位單片機(jī)，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，在3V工作電壓、32KHZ時(shí)鐘頻率時(shí)，典型工作電流小于20uA，工作溫度范圍為-40℃～+125℃，自帶異步串行口，符合系統(tǒng)低功耗和高工作溫度的要求。
圖3：從機(jī)硬件電路圖
時(shí)鐘控制信號(hào)由MAXIM公司生產(chǎn)的Max7378CMOJ硅振蕩器提供。該芯片能夠?yàn)?V工作電源的微控器提供32.768KHZ的主時(shí)鐘脈沖，其典型的工作電流為11 uA。工作溫度為-40℃～+125℃，具有抗振動(dòng)和EMI抑制等特性，使其對(duì)污濁和潮溫的工作環(huán)境不敏感，能工作于井下惡劣環(huán)境中，滿足所設(shè)定時(shí)間的時(shí)鐘要求。
工作電源控制器由BG1和BG2等組成，其主要作用是降低系統(tǒng)功耗。在從機(jī)工作的絕大部分時(shí)間內(nèi)，僅需時(shí)鐘工作即可。此時(shí)單片機(jī)②腳輸出低電平，工作電源控制器輸出電壓Vc為0V。這樣，從機(jī)中除時(shí)鐘外其它電路均不供電。只有當(dāng)所設(shè)定的各個(gè)時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)的②腳才輸出10分鐘的高電平，此時(shí)，Vc電壓上升到10V左右，使各部分功能電路上電10分鐘，10分鐘內(nèi)足以完成開閥和關(guān)閥工作。此種設(shè)計(jì)方案可使從機(jī)在可靠工作條件下功耗有效減小。
閥門電機(jī)驅(qū)動(dòng)器由BG4、BG5、J1、J2和IC2C等組成。為所設(shè)定的某個(gè)開閥時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)④腳或⑤腳輸出高電平驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))，完成開閥(或關(guān)閥)功能。當(dāng)電機(jī)正常拖動(dòng)閥門行進(jìn)時(shí)，電機(jī)電流小于其額定值，IC2C輸出低電平，不影響驅(qū)動(dòng)工作。當(dāng)電機(jī)拖動(dòng)閥門到位后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)電流大于其額定值，IC2C輸出高電平，單片機(jī)檢測(cè)到此高電平后 ，延時(shí)7秒鐘后停止驅(qū)動(dòng)器工作，從而完成一次關(guān)閥(或開閥工作)。
流量信號(hào)采集器由霍爾傳感器IC3、IC2A、IC2B及安裝在閥門控制器附近油管中的可旋轉(zhuǎn)葉片(葉 片上裝有磁鐵)等組成。其作用是結(jié)合井上的抽油作業(yè)?？墒鼓炒卧O(shè)定的關(guān)閥時(shí)間失效，即可根據(jù)需要改變預(yù)先設(shè)定的關(guān)閥時(shí)間。當(dāng)某次設(shè)定的關(guān)閥時(shí)間到時(shí)，井上的抽油正在工作，井下的油管中有液體流動(dòng)。當(dāng)
有磁鐵的旋轉(zhuǎn)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，霍爾傳感器檢測(cè)到此信號(hào)后，使IC2B輸出高電平，單片機(jī)檢測(cè)到此高電平后，使關(guān)閥控制正常進(jìn)行。如果根據(jù)井上的情況，不想讓某次設(shè)定的關(guān)閥時(shí)間工作，則井上作業(yè)在該設(shè)定時(shí)間到之前暫時(shí)停止抽油系統(tǒng)工作，這樣井下油管中無液體流動(dòng)。葉片停止轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)霍爾檢測(cè)，使IC2C輸出低電平。單片機(jī)檢測(cè)到此低電平時(shí)，停止此次關(guān)閥控制，使系統(tǒng)仍處于開閥狀態(tài)。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖4：系統(tǒng)程序流程圖
圖5：定時(shí)中斷程序流程圖
本系統(tǒng)采用模塊化思想，應(yīng)用C語(yǔ)言完成主機(jī)AT89C52與從機(jī)PIC16F876A的軟件設(shè)計(jì)。
主機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)鍵盤掃描、LCD顯示、時(shí)間數(shù)據(jù)處理和串口通信等功能，系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。時(shí)間數(shù)據(jù)處理子程序能夠設(shè)定“當(dāng)前時(shí)間”和七個(gè)設(shè)定時(shí)間，并當(dāng)設(shè)定的時(shí)間數(shù)據(jù)不符合設(shè)計(jì)要求火通信失敗時(shí)，用戶能夠根據(jù)系統(tǒng)錯(cuò)誤類型的提示，自行檢
測(cè)并排除故障。
從機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)中斷計(jì)時(shí)功能，每秒鐘產(chǎn)生一次定時(shí)中斷，采用查詢方式檢測(cè)是否有堵轉(zhuǎn)或流量信號(hào)，若設(shè)定時(shí)間到，驅(qū)動(dòng)智能閥門打開或關(guān)閉，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。
高溫井下智能閥門控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功耗低、耐高溫、現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試方便，能長(zhǎng)時(shí)間工作于125℃以下的高溫環(huán)境?，F(xiàn)投入運(yùn)行穩(wěn)定，可滿足不同井況的工作要求。