CN109538141B - 一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置 - Google Patents
一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置,包括嵌入式控制板；所述嵌入式控制板包括CPU,开关量SSR输出电路；CPU与开关量SSR输出电路连接；SSR输出电路分别与液动平板阀P1、液动平板阀P2、液动平板阀P01、液动平板阀P02连接；液动平板阀P1用于控制主通路；液动平板阀P2用于控制辅助通路；液动平板阀P01和液动平板阀P02用于控制放喷通路。本发明的有益效果是，本发明采用一块嵌入式控制板，实现节流管汇控制系统所需要的硬件平台和输入输出接口，并将其置入尺寸较小的防爆箱内，适应撬装节流管汇多功能化和小型化发展的要求。
Description
技术领域
本发明属于石油钻井工程领域，具体涉及一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置。
背景技术
节流管汇是石油钻采装备的重要组成部分，是控制井涌、实施油气控压钻井的重要设备，对实现安全钻井作业具有重要的作用。在正常钻井作业时，借助于节流管汇，在防喷器关闭条件下，通过节流管汇上的节流阀的开启、关闭或节流阀开度的调节，从而控制套压达到某一工艺设定值来维持井底压力略大于地层压力，防止地层流体流入井内。在实施关井时，可用节流管汇泄压以实现软关井。当井内压力升高到一定极限时，通过节流管汇的放喷工艺可以保护井口，提升钻井作业的可维护性和可持续性。
节流管汇主要由管汇、手动平板阀、液动平板阀(即自动平板阀)、液动节流阀、液压站、传感器和自动控制系统组成。节流管汇各设备的启/停控制、逻辑联锁、状态监控以及工艺参数采集、套压控制和数据通信等功能的实现，依赖于其中的自动控制系统。现有的自动控制系统一般由电源、低压电器、PLC、继电器、接线端子等组成，为了适应防爆环境要求，所有这些部件安装在一个防爆控制箱内。限于市面上标准的低压电器、PLC、继电器和接线端的尺寸和安装间距的要求，节流管汇自动控制系统的尺寸一般都会超过500mm(宽)×700mm(高)×300mm(厚)，不能适应撬装节流管汇多功能化和小型化发展的要求。防爆控制箱难于拆卸，防爆控制箱内低压电器和PLC系统的维护比较费事。此外，基于标准PLC系统实现节流管汇自动控制系统需要进行二次开发才能实现节流管汇要求的设备的启/停控制、逻辑联锁、状态监控以及工艺参数采集、套压控制和数据通信等各项功能,操作复杂成本高昂且容易出现安全事故。
发明内容
为了解决现有技术中采用PLC的控制设备体积较大，不能满足撬装小型化需求，需要二次开发和成本高安全性低的问题，本发明提供一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置,包括嵌入式控制板；
所述嵌入式控制板包括CPU,开关量SSR输出电路；
CPU与开关量SSR输出电路连接；
所述CPU执行套压自动控制程序；
所述套压自动控制程序包括以下步骤：
获取套压测量值P_PV(k)和节流阀开度测量值V_PV(k)；
获取套压值的偏差P_DEV(k)；
对套压偏差值进行PID计算，获取V_SV(k)；
对获得的套压值按下列PID算式进行PID计算，采用以下公式获得液动节流阀的开度设定值V_SV(K)：
V_SV(k)＝V_SV(k-1)+ΔV_SV(k)，
式中，Kpp为比例系数；Tpi为积分时间，单位为秒；Tpd为积分时间，单位为秒；
采用以下公式计算节流阀开度的偏差
V_DEV(k)＝V_SV(k)-V_PV(k)；
采用以下公式计算节流阀开度的控制量V_CV(k)，
V_CV(k)＝V_CV(k-1)+ΔV_CV(k)
式中，KVP为比例系数；Tvi为积分时间，单位为秒；Tvd为积分时间，单位为秒；
SSR输出电路分别与液动平板阀P1、液动平板阀P2、液动平板阀P01、液动平板阀P02连接；
液动平板阀P1用于控制主通路；
液动平板阀P2用于控制辅助通路；
液动平板阀P01和液动平板阀P02用于控制放喷通路。
进一步的，所述CPU执行开液动平板阀P1输出逻辑控制程序，所述开液动平板阀P1输出逻辑控制程序包括以下步骤：
S1液动平板阀联动控制方式汇总逻辑表达式为:
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7，
式中，UC表示液动平板阀联动控制方式汇总逻辑值，
UC1表示钻进工况下主节流通路循环逻辑值，
UC2表示接单根工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC3表示起钻工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC4表示下钻工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC5表示循环排气工况下主节流通路循环逻辑值，
UC6表示换胶芯工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC7表示直通循环工况下直通路循环逻辑值；
S2联动各方式之间切换时，液动平板停开、停关逻辑表达式为，UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)
式中UC_SP表示联动控制方式切换停开、停关逻辑值，↑表示仅在信号的上升沿有效，UC_SP是一个脉冲信号；
S3液动平板阀P1联动开逻辑表达式为，
式中，P1_Open_UC表示联动开液动平板阀P1的输出逻辑值，P1_Open_Out表示开液动平板阀P1的输出逻辑值，UC_Stop表示联动停命令，Con_Mode表示单动/联动选择，1为联动，0为单动；
S4液动平板阀P1单动开逻辑表达式为，
式中，P1_Open_SC表示单动开液动平板阀P1的输出逻辑值,P1_Open表示液动平板阀P1开命令，P1_Close表示液动平板阀P1关命令，P1_Stop表示液动平板阀P1停止开/关命令；
S5开液动平板阀P1的输出逻辑表达式为，
式中，P1_Lim表示液动平板阀P1开到位行程开关，1表示到位，0表示未到位；P1_Close_Out表示关液动平板阀P1的输出逻辑值；
所述CPU执行关液动平板阀P1输出逻辑控制程序，所述关液动平板阀P1输出逻辑控制程序包括以下步骤：
S1所有液动平板阀联动控制方式逻辑表达式：
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7，
S2联动各方式之间切换时，液动平板阀停开、停关逻辑表达式，
UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)，
S3液动平板阀P1联动关汇总逻辑表达式，
P1_Close_TC1＝(UC2|UC3|UC4|UC6|UC7)&|UC，
式中，P1_Close_TC1表示液动平板阀P1联动关汇总逻辑值，P1_Close_TC2为P1_Close_TC1延时2秒的逻辑值，
S4设计液动平板阀联动关，控制方式时液动平板阀P1关逻辑表达式，
式中，P1_Close_UC表示联动关液动平板阀P1的输出逻辑值，
S5单动控制方式时液动平板阀P1开逻辑表达式，
式中，P1_Close_SC表示单动关液动平板阀P1的输出逻辑值，
S6关液动平板阀P1的输出逻辑表达式，
进一步的，
所述嵌入式控制板包括开关量输入调理电路、模拟量输入调理电路、模拟量输出电路；
开关量输入调理电路、模拟量输入调理电路、模拟量输出电路分别与CPU连接；
CPU集成串口控制器、以太网控制器；
开关量输入调理电路用于预处理开关量输入信号，实现开关量输入信号的滤波、限幅和光电隔离功能；
模拟量输入调理电路用于实现模拟量输入信号的电流/电压转换、限幅保护和滤波功能；
模拟量输出电路实现电压/电流变换用于调节液动节流阀的开度；
串口控制器用于则实现Modbus RTU通信；
以太网控制器用于实现Modbus TCP/IP通信。
进一步的
所述嵌入式控制板设置防爆控制箱内，控制板各信号连接器与防爆箱线缆锁紧头连接。
本发明的有益效果是：
1本发明采用一块嵌入式控制板，实现节流管汇控制系统所需要的硬件平台和输入输出接口，并将其置入尺寸较小的防爆箱内，适应撬装节流管汇多功能化和小型化发展的要求。
2本发明通过控制程序实现和执行节流管汇各设备的启/停控制、逻辑联锁、状态监控以及工艺参数采集、套压控制等各项功能不需要二次开发，成本较低。
3本发明通过设置自动逻辑控制程序，操作较为简便同时具有较高的安全性。
4本发明采用配置嵌入式控制器的控制板执行钻井节流管汇自动控制，嵌入式控制板针对单一任务进行设计和配置不需要复杂的操作系统，相对于现有技术中采用PLC执行钻井节流管汇自动控制,具有结构简单，体积小，成本低，稳定性高的优点。
附图说明
图1本发明一实施例钻井节流管汇图。
图2本发明一实施例防爆箱及线缆锁紧头布局图。
图3本发明一实施例嵌入式控制板及信号连接器布局图。
图4本发明一实施例嵌入式控制板原理框图。
图5本发明一实施例钻井管汇嵌入式自动控制装置程序流程图。
图1中，J1表示节流阀，J2表示节流阀，P01表示液动平板阀，P02表示液动平板阀；P1表示液动平板阀，P2表示液动平板阀，S1表示手动平板阀，S2表示手动平板阀，S3表示手动平板阀，S4表示手动平板阀，Pf1表示压力变送器，Pf2表示压力变送器，Pf2表示压力变送器，Pf3表示压力变送器，Pf4表示压力变送器，Q1表示流量计，PI表示压力指示表，V1表示球阀，V2表示球阀。
图2中，1为RS485或以太网通信线缆锁紧头，2为压力信号Pf1、Pf2、Pf3、Pf4线缆锁紧头，3为节流阀开度反馈信号线缆锁紧头，4为液动平板阀行程开关信号SQ1-SQ4线缆锁紧头，5为液动平板阀行程开关信号SQ5-SQ8线缆锁紧头，6为节流阀控制信号线缆锁紧头，7为液动平板阀控制信号线缆锁紧头，8为液压站输入输出信号线缆锁紧头，9为防爆箱24V直流电源线缆锁紧头，10为流量计通信线缆锁紧头。
图3中，CN1表示RS485(或以太网)通信信号连接器，CN2表示压力信号Pf1、Pf2、Pf3、Pf4信号连接器，CN3表示节流阀开度反馈信号连接器，CN4表示液动平板阀行程开关SQ1-SQ4信号连接器，CN5表示液动平板阀行程开关SQ5-SQ8信号连接器，CN6表示节流阀控制信号连接器，CN7表示液动平板阀控制信号连接器，CN8表示液压站输入输出信号连接器，CN9表示防爆箱24V直流电源连接器，CN10表示流量计通信连接器。
具体实施方式
本发明解决背景技术中问题的发明思路之一是，通过一块设置在防爆箱内具有数据处理能力的控制板，按照预设逻辑控制各个平板阀和节流阀的开关，实现钻井节流管汇的自动控制。
在本发明具体实施过程中管汇的压力变送器信号、液动平板阀的行程开关信号、节流阀开度反馈信号等，通过输入防爆箱左侧的输入线缆锁紧头连接到嵌入式控制板的输入连接器；节流阀控制信号、液动平板阀控制信号从嵌入式控制板的输出连接器输出，通过防爆箱右侧的输出线缆锁紧头送到液压站，分别通过液压站的电磁阀和比例电磁阀去控制液动平板阀和节流阀的动作。
图1为本发明一实施例节流管汇为控制对象，节流管汇上的主要设备包括：2个液动节流阀J1、J2，4个手动平板阀S1、S2、S3、S4，4个液动平板阀P1、P2、P01、P02，4个压力变送器Pf1、Pf2、Pf3、Pf4，流量计Q1和管路等。节流管汇有3条通路，即主通路、辅助通路和放喷通路。4个液动平板阀的开到位分别设有行程开关SQ1-SQ4，关到位分别设有行程开关SQ5-SQ8，液动节流阀可以输出阀位反馈信号VT1、VT2。
针对图1所示的节流管汇，防爆控制盒及其线缆锁紧头的布局见附图2所示。防爆控制盒的几何尺寸为240mm(宽)×300mm(高)×150mm，线缆锁紧头布局在接线盒的两侧。左侧为输入信号线缆锁紧头，右侧为24V直流电源线缆锁紧头和输出信号线缆锁紧头。标识为①的线缆锁紧头用于RS485或以太网通信，标识为②的线缆锁紧头用于压力信号Pf1、Pf2、Pf3和Pf4，标识为③的线缆锁紧头用于节流阀开度反馈信号，标识为④的线缆锁紧头用于液动平板阀行程开关信号SQ1-SQ4，标识为⑤的线缆锁紧头用于液动平板阀行程开关信号SQ5-SQ8，标识为⑥的线缆锁紧头用于节流阀控制信号，标识为⑦的线缆锁紧头用于液动平板阀控制信号，标识为⑧的线缆锁紧头用于液压站输入输出信号，标识为⑨的线缆锁紧头用于防爆箱24V直流电源，标识为⑩的线缆锁紧头用于流量计通信线缆
在本发明一实施例中嵌入式控制板安装在防爆控制箱内，控制板各信号连接器与防爆箱线缆锁紧头的布局一一对应，即CN1连接器对应标识为①的线缆锁紧头，CN2连接器对应标识为②的线缆锁紧头，依次类推，其布局见图3。为了进一步降低控制箱的整体尺寸，嵌入式控制板的尺寸设计为240mm(长)×160mm，通过8个安装孔固定在防爆控制箱底板上。
在本发明一实施例中嵌入式控制板以ST公司的STM32F407系列CPU为核心，通过扩展开关量输入调理、模拟量输入调理、开关量SSR输出、模拟量输出4-20mA变换以及网络通信接口等电路实现，其组成框图如图4所示。开关量输入调理电路用于预处理开关量输入信号，实现开关量输入信号的滤波、限幅和光电隔离等功能。模拟量输入调理电路用于实现模拟量输入信号的电流/电压转换、限幅保护和滤波等功能。开关量SSR输出电路提供8路SSR输出，每路输出规格为24V和5A，用于直接驱动液动平板阀。模拟量输出电路实现电压/电流变换，输出两路4-20mA电流，用于2个调节液动节流阀的开度。借助于STM32F407系列CPU集成的串口控制器，扩展RS485驱动，则实现ModbusRTU通信接口；借助于STM32F407系列CPU集成的以太网控制器，扩展RJ45以太网隔离驱动器，则实现ModbusTCP/IP通信接口。通过扩展1片VPC3，实现ProfibusDP接口，用于和质量流量计的ProfibusDP通信。
在本发明一实施例中CPU执行的控制软件包括初始化程序、数据采集与处理程序、逻辑控制程序、套压控制程序和数据通信程序等部分。其中，初始化程序只执行一次，逻辑控制程序为循环执行方式，数据采集与处理程序、套压控制程序为定时执行方式，其周期为0.2秒，数据通信程序采用定时执行方式，其周期为1秒。程序流程如图5所示。
在本发明一实施例中初始化程序由STM32F407CPU初始化程序和系统参数初始化程序两部分组成。其中，TM32F407CPU初始化程序实现中断系统、时钟系统、定时器、I/O口、A/D、D/A、串口或以太网控制器等的初始化功能。系统参数初始化程序实现PID初始化、量程参数初始化、限位参数初始化、VPC3芯片初始化、设备初始状态等。
在本发明一实施例中逻辑控制程序包括管汇液动平板阀逻辑控制和液压站控制程序两部分。汇液动平板阀根据单动和联动控制方式以及规定的逻辑关系实现液动平板阀的自动开和自动关控制。对于单动控制方式，操作人员通过远程计算机发液动平板阀开或关控制命令，可以开或关任何一个液动平板阀，一般用于调试设备；对于联动控制方式，操作人员通过远程计算机发联动操作命令，自动开或关管路上所有相关的液动平板阀。以图1的管汇为例，设计的联动方式见表1所示。
为了叙述方便，在联动控制方式下，打开液动平板阀的动作简称为“联动开”，关闭液动平板阀的动作简称为“联动关”；在单动控制方式下，打开液动平板阀的动作简称为“单动开”，关闭液动平板阀的动作简称为“单动关”。
表1联动方式对应的液动平板阀动作逻辑表
液动平板阀P1、P2、P01和P02都有开和关两个动作，每个阀开的控制逻辑是相似的，同理每个阀关的控制逻辑也是相似的。此处以液动平板阀P1为例，则打开液动平板阀P1的逻辑控制程序按下列5个步骤进行设计。
①液动平板阀联动控制方式汇总逻辑表达式：
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7
式中：UC——液动平板阀联动控制方式汇总逻辑值，UC1-UC5的含义见表1。
②联动各方式之间切换时，液动平板停开、停关逻辑表达式：
UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)
UC_SP——联动控制方式切换停开、停关逻辑值，↑表示仅在信号的上升沿有效，UC_SP是一个脉冲信号。
③液动平板阀P1联动开逻辑表达式：
式中：P1_Open_UC——联动开液动平板阀P1的输出逻辑值，P1_Open_Out——开液动平板阀P1的输出逻辑值，UC_Stop——联动停命令，Con_Mode——单动/联动选择，1为联动，0为单动。
④液动平板阀P1单动开逻辑表达式：
式中：P1_Open_SC——单动开液动平板阀P1的输出逻辑值,P1_Open—液动平板阀P1开命令，P1_Close——液动平板阀P1关命令，P1_Stop—液动平板阀P1停止开/关命令。
⑤开液动平板阀P1的输出逻辑表达式：
式中：P1_Lim——液动平板阀P1开到位行程开关，1表示到位，0表示未到位；P1_Close_Out——关液动平板阀P1的输出逻辑值。
在液动平板阀的联动开关控制过程中，必须遵循先开后关的原则，即在关闭一条通路之前，必须确保另一条支路已经打开或先处于打开过程中。为此，关液动平板阀P1的输出逻辑控制程序按下列6个步骤进行实现。
①所有液动平板阀联动控制方式逻辑表达式：
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7
②联动各方式之间切换时，液动平板阀停开、停关逻辑表达式：
UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)
③液动平板阀P1联动关汇总逻辑表达式：
P1_Close_TC1＝(UC2|UC3|UC4|UC6|UC7)&|UC
式中：P1_Close_TC1——液动平板阀P1联动关汇总逻辑值，P1_Close_TC2为P1_Close_TC1延时2秒的逻辑值。
④设计液动平板阀联动关，控制方式时液动平板阀P1关逻辑表达式：
式中：P1_Close_UC——联动关液动平板阀P1的输出逻辑值
⑤单动控制方式时液动平板阀P1开逻辑表达式：
式中：P1_Close_SC——单动关液动平板阀P1的输出逻辑值
⑥关液动平板阀P1的输出逻辑表达式：
式中：P1_Close_Lim——液动平板阀P1关到位行程开关，1表示到位，0表示未到位。
按照上述类似的实现方法，可以设计开液动平板阀P2、P01和P02的逻辑控制程序和关液动平板阀P2、P01和P02的逻辑控制程序。即开液动平板阀P2、P01和P02的逻辑控制程序与开液动平板阀P1的逻辑控制程序相似；关液动平板阀P2、P01和P02的逻辑控制程序与关液动平板阀P1的逻辑控制程序相似。
本发明按照上述逻辑来控制平板阀，提高了钻井节流管汇自动控制的安全性。
在本发明一实施例中，套压自动控制是一个串级控制，外环是套压控制回路，内环是液动节流阀开度控制回路。套压自动控制出现的实现步骤如下：
①获取套压测量值P_PV(k)和节流阀开度测量值V_PV(k)
自动采集管汇套压值，将其转换为工程量，记为P_PV(k)并，对P_PV(k)进行基本的数字滤波处理和报警越限检查处理。自动采集节流阀开度测量值，记为V_PV(k)，将其转换为百分数。
③获取套压值的偏差P_DEV(k)
使用套压测量值P_PV(k)减去套压设定值P_SV(k)，获得套压值的偏差P_DEV(k)，对偏差进行越限检查和基本的报警处理。
③对套压偏差值进行PID计算，获取V_SV(k)
对获得的套压值按下列PID算式进行PID计算，获得液动节流阀的开度设定值V_SV(K)：
V_SV(k)＝V_SV(k-1)+ΔV_SV(k)
式中：Kpp为比例系数；Tpi为积分时间，单位为秒；Tpd为积分时间，单位为秒。本发明一实施例中，取
Kpp＝5.0，Tpi＝15.0秒，Tpd＝0.1秒，
④计算节流阀开度的偏差
V_DEV(k)＝V_SV(k)-V_PV(k)
⑤依据PID算式计算节流阀开度的控制量V_CV(k)
V_CV(k)＝V_CV(k-1)+ΔV_CV(k)
式中：Kvp为比例系数；Tvi为积分时间，单位为秒；Tvd为积分时间，单位为秒。本发明一实施例中，取Kvp＝10.0，Tvi＝9999.0秒，Tvd＝0.0秒。
液动节流阀使用液压驱动，液压油的流量决定节流阀开度大小的调节速度，液压油的流量是通过电液比例阀调节的，此处，将V_CV(k)转换为4-20mA电流信号，直接输出给电磁比例阀，通过电液比例阀去调节液压油的流量，通过液压油路去调节节流阀开度的大小，提高了钻井节流管汇嵌入式自动控制的精确度。
在本发明一实施例中CPU执行数据通信程序实现钻井节流管汇嵌入式自动控制装置与监控计算机的数据通信，采用基于RS485的标准Modbus-RTU通信或基于标准以太网的Modbus-TCP/IP通信。发送数据按表2设计，接收送数据按表3设计。
表2控制装置发送数据点表
| 偏移量 | 变量 | 名称 | 备注 |
| 0 | AO001 | 油站压力 | 4字节 |
| 4 | AO002 | 油站温度 | 4字节 |
| 8 | AO003 | 管汇压力Pf1 | 4字节 |
| 12 | AO004 | 管汇压力Pf2 | 4字节 |
| 16 | AO005 | 管汇压力Pf3 | 4字节 |
| 20 | AO006 | 管汇压力Pf4(套压) | 4字节 |
| 24 | AO007 | 节流阀J1阀位 | 4字节 |
| 28 | AO008 | 节流阀J2阀位 | 4字节 |
| 32 | AO009 | 泥浆流量 | 4字节 |
| 36 | AO010 | 泥浆密度 | 4字节 |
| 40 | AO011 | 泥浆温度 | 4字节 |
| 44 | DO001 | P1开到位 | 1位，44.0 |
| 44 | DO002 | P1关到位 | 1位，44.1 |
| 44 | DO003 | P2开到位 | 1位，44.2 |
| 44 | DO004 | P2关到位 | 1位，44.3 |
| 44 | DO005 | P01开到位 | 1位，44.4 |
| 44 | DO006 | P01关到位 | 1位，44.5 |
| 44 | DO007 | P02开到位 | 1位，44.6 |
| 44 | DO008 | P03关到位 | 1位，44.7 |
| 45 | D0009 | 油站远程/就地 | 1位，45.0 |
| 45 | D0009 | 系统报警 | 1位，45.1 |
表3控制装置接收数据点表
| 偏移量 | 变量 | 名称 | 备注 |
| 0 | AI001 | 套压优化定值PO_SV | 4字节 |
| 4 | AI002 | 套压设定值值P_SV | 4字节 |
| 8 | AI003 | 套压最大限位值 | 4字节 |
| 12 | AI004 | 比例系数Kpp | 4字节 |
| 16 | AI005 | 积分时间Tpi | 4字节 |
| 20 | AI006 | 微分时间Tpd | 4字节 |
| 24 | AI007 | 比例系数Kvp | 4字节 |
| 28 | AI008 | 积分时间Tvi | 4字节 |
| 32 | AI009 | 微分时间Tvd | 4字节 |
| 36 | DI001 | 单动/联动选择 | 1位，36.0 |
| 36 | DI002 | 套压手动/自动选择 | 1位，36.1 |
| 36 | DI003 | 主通路/辅通路选择 | 1位，36.2 |
| 36 | DI004 | 油站启东 | 1位，36.3 |
| 36 | DI005 | 油站停止 | 1位，36.4 |
| 36 | DI006 | 报警解除 | 1位，36.5 |
| 37 | DI007 | P1开命令 | 1位，37.0 |
| 37 | DI008 | P1关命令 | 1位，37.1 |
| 37 | DI009 | P2开命令 | 1位，37.2 |
| 37 | DI010 | P2关命令 | 1位，37.3 |
| 37 | DI011 | P01开命令 | 1位，37.4 |
| 37 | DI012 | P01关命令 | 1位，37.5 |
| 37 | DI013 | P02开命令 | 1位，37.6 |
| 37 | DI014 | P02关命令 | 1位，37.7 |
在本发明一实施例中采用以下5个步骤实现钻井管汇嵌入式自动控制装置。
第一步：按附图1设计防爆控制箱，委托有资质的防爆控制箱企业加工防爆控制箱；
第二步：按附图4设计嵌入式控制板，并按附图3布局信号连接器
第三步：编写控制程序，实现节流管汇所需的备的启/停控制、逻辑联锁、状态监控以及工艺参数采集、套压控制和数据通信等各项功能。
第四步：下装调试好的控制程序到嵌入式控制板，完成功能调试和测试。
第五步：将嵌入式控制板安装到防爆控制箱内，锁紧防爆控制箱的紧固螺钉。
在本发明一实施例中以STM32系列嵌入式控制器为核心、扩展8路模拟量输入通道、2路模拟量输出通道、16路开关量输入通道、16路开关量输出通道、DC/DC变换、通信接口等、实现一块尺寸为240mm(长)×160mm(宽)的嵌入式控制板，将控制板安装在一个尺寸为240mm(宽)×300mm(高)×150mm(厚)的防爆控制盒内。利用STM32强大的计算能力和输入输出处理能力，通过编写控制程序实现节流管汇所需的备的启/停控制、逻辑联锁、状态监控以及工艺参数采集、套压控制和数据通信等各项功能，从而降低节流管汇自动控制系统的成本,并满足防爆需求和撬装小型化安装需求。
本发明采用配置嵌入式控制器的控制板执行钻井节流管汇自动控制，嵌入式控制板针对单一任务进行设计和配置不需要复杂的操作系统，相对于现有技术中采用PLC执行钻井节流管汇自动控制,具有结构简单，体积小，成本低，稳定性高的优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (4)
1.一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置,其特征在于，包括嵌入式控制板；
所述嵌入式控制板包括CPU,开关量SSR输出电路；
CPU与开关量SSR输出电路连接；
所述CPU执行套压自动控制程序；
所述套压自动控制程序包括以下步骤：
获取套压测量值P_PV(k)和节流阀开度测量值V_PV(k)；
获取套压值的偏差P_DEV(k)；
对套压偏差值进行PID计算，获取V_SV(k)；
对获得的套压偏差值P_DEV(k)按下列PID算式进行PID计算，
采用以下公式获得液动节流阀的开度设定值V_SV(K)，
V_SV(k)＝V_SV(k-1)+ΔV_SV(k)，
式中，Kpp为比例系数；Tpi为积分时间，单位为秒；Tpd为积分时间，单位为秒；
采用以下公式计算节流阀开度的偏差
V_DEV(k)＝V_SV(k)-V_PV(k)；
采用以下公式计算节流阀开度调节的控制量V_CV(k)，
V_CV(k)＝V_CV(k-1)+ΔV_CV(k)，
式中，Kvp为比例系数；Tvi为积分时间，单位为秒；Tvd为积分时间，单位为秒；
SSR输出电路分别与液动平板阀P1、液动平板阀P2、液动平板阀P01、液动平板阀P02连接；
液动平板阀P1用于控制主通路；
液动平板阀P2用于控制辅助通路；
液动平板阀P01和液动平板阀P02用于控制放喷通路。
2.如权利要求1所述的一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置,其特征在于，所述CPU执行开液动平板阀P1输出逻辑控制程序，所述开液动平板阀P1输出逻辑控制程序包括以下步骤：
S1液动平板阀联动控制方式汇总逻辑表达式为
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7，
式中，UC表示液动平板阀联动控制方式汇总逻辑值，
UC1表示钻进工况下主节流通路循环逻辑值，
UC2表示接单根工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC3表示起钻工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC4表示下钻工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC5表示循环排气工况下主节流通路循环逻辑值，
UC6表示换胶芯工况下回压泵通路循环逻辑值，
UC7表示直通循环工况下直通路循环逻辑值，
S2联动各方式之间切换时，液动平板停开、停关逻辑表达式为，
UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)
式中UC_SP表示联动控制方式切换停开、停关逻辑值，↑表示仅在信号的上升沿有效，UC_SP是一个脉冲信号，
S3液动平板阀P1联动开逻辑表达式为，
式中，P1_Open_UC表示联动开液动平板阀P1的输出逻辑值，P1_Open_Out表示开液动平板阀P1的输出逻辑值，UC_Stop表示联动停命令，Con_Mode表示单动/联动选择，1为联动，0为单动，
S4液动平板阀P1单动开逻辑表达式为，
式中，P1_Open_SC表示单动开液动平板阀P1的输出逻辑值,P1_Open表示液动平板阀P1开命令，P1_Close表示液动平板阀P1关命令，P1_Stop表示液动平板阀P1停止开/关命令，
S5开液动平板阀P1的输出逻辑表达式为，
式中，P1_Lim表示液动平板阀P1开到位行程开关，1表示到位，0表示未到位；P1_Close_Out表示关液动平板阀P1的输出逻辑值；
所述CPU执行关液动平板阀P1输出逻辑控制程序，所述关液动平板阀P1输出逻辑控制程序包括以下步骤：
S1所有液动平板阀联动控制方式逻辑表达式：
UC＝UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7，
S2联动各方式之间切换时，液动平板阀停开、停关逻辑表达式，
UC_SP＝↑(UC1|UC2|UC3|UC4|UC5|UC6|UC7)，
S3液动平板阀P1联动关汇总逻辑表达式，
P1_Close_TC1＝(UC2|UC3|UC4|UC6|UC7)&|UC，
式中，P1_Close_TC1表示液动平板阀P1联动关汇总逻辑值，P1_Close_TC2为P1_Close_TC1延时2秒的逻辑值，
S4设计液动平板阀联动关，控制方式时液动平板阀P1关逻辑表达式，
式中，P1_Close_UC表示联动关液动平板阀P1的输出逻辑值，
S5单动控制方式时液动平板阀P1开逻辑表达式，
式中，P1_Close_SC表示单动关液动平板阀P1的输出逻辑值，
S6关液动平板阀P1的输出逻辑表达式，
3.如权利要求1所述的一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置，其特征在于，所述嵌入式控制板包括开关量输入调理电路、模拟量输入调理电路、模拟量输出电路；
开关量输入调理电路、模拟量输入调理电路、模拟量输出电路分别与CPU连接；
CPU集成串口控制器、以太网控制器；
开关量输入调理电路用于预处理开关量输入信号，实现开关量输入信号的滤波、限幅和光电隔离功能；
模拟量输入调理电路用于实现模拟量输入信号的电流/电压转换、限幅保护和滤波功能；
模拟量输出电路实现电压/电流变换用于调节液动节流阀的开度；
串口控制器用于则实现Modbus RTU通信；
以太网控制器用于实现Modbus TCP/IP通信。
4.如权利要求1所述的一种钻井节流管汇嵌入式自动控制装置，其特征在于，所述嵌入式控制板设置防爆控制箱内，控制板各信号连接器与防爆箱线缆锁紧头连接。
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