CN111425164A - 一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。全电驱动的井下安全阀，包括全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统。根据全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括建立永磁同步伺服无框电机运动模型、建立电磁制动器制动模型、建立安全阀结构模型、建立安全阀控制模型和建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统五个步骤，建立的全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，包括永磁同步伺服无框电机运动模型，电磁制动器制动模型，中央模型计算模块，安全阀结构模型和安全阀控制模型。

Description

一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。

背景技术

随着我国对油气资源开发力度的不断加大，各大油田面临越来越沉重的运营维护压力。科学技术的快速发展使大规模降低油田的运营维护成本成为可能。为此，国内外各油田均将数字化、智能化作为油田发展的主要方向之一。目前普遍采用液控式井下安全阀，该阀采用液压作为驱动力，存在操作程序复杂、控制响应时间长、缺乏传感器系统、难以实现智能化控制等缺点，不能满足智能化油田的发展需求。

本单位申请的发明专利“一种全电驱动的井下安全阀”(申请号201910422782.0)涉及一种全电驱动的井下安全阀，它与液控井下安全阀相比具有全电驱动、电气化程度高等优点，同时，存在控制精度低、关键运动部件铁砂阻塞、井下状态感知能力差、缺乏智能化控制系统等缺点，亟待研究解决。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法与系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

全电驱动的井下安全阀结构，包括电子舱结构单元、传动控制结构单元、运动转换结构单元、磁耦合结构单元和阀门结构单元。

传动控制结构单元，包括导电滑环内环、导电滑环外环、传动安装筒、无框电机安装板、永磁同步伺服无框电机转子、永磁同步伺服无框电机定子、无框电机安装筒、无框电机传动轴和示值扭矩限制器。导电滑环内环通过顶丝安装于无框电机传动轴，导电滑环外环通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板，导电滑环内环和导电滑环外环之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环和旋转运动的导电滑环内环可以通过电刷传递电力或者信号，无框电机安装筒通过过盈和粘结安装于传动安装筒，传动安装筒安装电机安装筒处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子通过粘结安装于无框电机安装筒，无框电机安装筒下端内部位置留有凸起阶梯，永磁同步伺服无框电机转子通过粘结安装于无框电机传动轴，无框电机传动轴安装永磁同步伺服无框电机转子处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子和永磁同步伺服无框电机转子构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，无框电机安装板通过螺钉安装于无框电机安装筒，示值扭矩限制器通过花键安装于无框电机传动轴。

运动转换结构单元，包括滚珠丝杠花键槽滑块、中空式轴承内置滚珠丝杠和内花键外压筒。滚珠丝杠花键槽滑块通过内部丝杠螺纹与中空式轴承内置滚珠丝杠的外部丝杠螺纹构成丝杠副，且滚珠丝杠花键槽滑块位于中空式轴承内置滚珠丝杠外部，通过外部花键槽与内花键外压筒内部的花键形成花键配合，用于实现滚珠丝杠花键槽滑块在中空式轴承内置滚珠丝杠驱动下做轴向直线运动。

磁耦合结构单元，包括内磁耦合盖板、外磁耦合筒、内磁耦合流管、下部外耐压筒、磁环、磁环垫片、内磁耦合磁环保护筒、内磁耦合屏蔽镀层、外磁耦合屏蔽镀层、外磁耦合筒盖板、磁致伸缩位移传感器和弹簧力传感器。内磁耦合磁环保护筒为镍合金材料，安装于磁环和磁环垫片外部，与内磁耦合盖板和内磁耦合流管接触处做密封处理，三者形成密封舱，内磁耦合屏蔽镀层由内磁耦合流管与磁环相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管和内磁耦合盖板与内磁耦合磁环保护筒接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，外磁耦合屏蔽镀层由外磁耦合筒与磁环相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，磁致伸缩位移传感器通过螺纹安装于下部外耐压筒的传感器安装孔处，弹簧力传感器通过粘结安装于下部外耐压筒的安装槽内。

阀门结构单元，包括角度传感器和阀门阀板。角度传感器安装于阀门阀板的转动轴，通过电缆连接至井下数据采集模块。

全电驱动的井下安全阀控制系统，包括安全阀井下控制单元和安全阀井上控制单元，二者通过电力线和光纤连接。其中，安全阀井下控制单元包括电机温度检测器、电机霍尔换相控制器和无框电机编码器。电机温度检测器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与信息处理模块相连，电机霍尔换相控制器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与数据处理模块相连，无框电机编码器在永磁同步伺服无框电机定子内部，通过信号线与井下数据收发模块相连。

安全阀井上控制单元，包括三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器、伺服驱动器、井上数据采集模块、可编程逻辑控制器、井上数据收发模块和中央控制模块。三相变压器接入电网，通过电力线与输入电抗器相连，输入电抗器通过电力线与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过电力线与正弦波滤波器相连，通过信号线与可编程逻辑控制器相连，正弦波滤波器通过电力线与永磁同步伺服无框电机定子相连，井上数据采集模块通过信号线分别与三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器相连，中央控制模块利用参数信息在其内部构建全电驱动的安全阀数字孪生控制系统，并从该系统发出控制命令。

根据全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：

步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型，具体为：利用井上数据采集模块采集到的三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器的电气参数，分别建立三相变压器电气模型、正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型和伺服驱动器控制模型，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型，将三相变压器电气模型、输入电抗器电气模型、正弦波滤波器电气模型、伺服驱动器控制模型和无框电机电气模型依次导入电气综合处理模型，形成无框电机电气控制模型，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型，将无框电机有限元动力模型和无框电机电气控制模型导入无框电机模型整合模块，建立永磁同步伺服无框电机运动模型；

步骤2：建立电磁制动器制动模型，具体为：利用电磁制动器继电器已知电气特性建立继电器电气控制模型，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型，将继电器电气控制模型和电磁制动器有限元电磁模型导入电磁制动器模型整合模块，建立电磁制动器制动模型；

步骤3：建立安全阀结构模型，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型，利用井下数据采集模块采集到的井下环境参数建立环境参数数据库，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库建立安全阀有限元强度模型，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库建立磁耦合有限元力学模型，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型，将安全阀三维实体模型、安全阀有限元强度模型、磁耦合有限元力学模型和组件间动力学传递模型导入安全阀结构模型整合模块，建立安全阀结构模型；

步骤4：建立安全阀控制模型，具体为：利用井下安全阀历史运行数据建立历史运行数据库，利用专家决策方法建立专家决策数据库，利用安全阀设计参数建立设计参数数据库，添加控制命令输入模块，安全阀运行控制模块参考历史运行数据库、专家决策数据库和设计参数数据库的数据同时接受控制命令输入模块的输入命令形成安全阀控制模型；

步骤5：建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，具体为：中央模型计算模块整合无框电机运动模型、电磁制动器制动模型和安全阀结构模型，进行参数运算，将结果信息输入安全阀控制模型，由安全阀控制模型评估后产生控制信号。

根据全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法建立的全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，包括永磁同步伺服无框电机运动模型，电磁制动器制动模型，中央模型计算模块，安全阀结构模型和安全阀控制模型，永磁同步伺服无框电机运动模型、电磁制动器制动模型和安全阀结构模型导入中央模型计算模块计算，将计算结果输入安全阀控制模型，由安全阀控制模型产生控制信号。

永磁同步伺服无框电机运动模型，包括正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型、电气综合处理模型、无框电机电气模型、无框电机模型整合模块、三相变压器电气模型、无框电机电气控制模型、伺服驱动器控制模型和无框电机有限元动力模型。

电磁制动器制动模型，包括电磁制动器模型整合模块、电磁制动器有限元电磁模型和继电器电气控制模型。

安全阀结构模型，包括安全阀结构模型整合模块、安全阀三维实体模型、环境参数数据库、安全阀有限元强度模型、组件间动力学传递模型和磁耦合有限元力学模型。

安全阀控制模型，包括安全阀运行控制模块、历史运行数据库、专家决策数据库、设计参数数据库和控制命令输入模块。历史运行数据库、专家决策数据库和设计参数数据库将数据输入安全阀运行控制模块，用于系统的自主型控制，其中，历史运行数据库提供为实现安全阀正常运行时进行动态调整控制所需要的数据，设计参数数据库提供保证安全阀正常运行时各部件和环境的极限参数，专家决策数据库提供安全阀运行超过设计参数时的解决方案；控制命令输入模块将输入的控制命令导入安全阀运行控制模块，用于系统的人为控制。

系统的自主型控制范围，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在工作人员输入开启阀门命令后，系统在不超过设计参数数据库提供的参数时自主完成开启阀门所需的全部操作，还包括系统在工作人员输入关闭阀门命令或者环境参数超过设计参数数据库中的环境极限参数时，自主完成关闭阀门所需的全部操作。

系统的人为控制范围，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在运行过程中，某一参数超过设计参数数据库中的极限参数，系统需要人为介入进行的操作，专家决策数据库可以提供操作方案供工作人员选择，还包括为了实现人为指定的安全阀运行状态而进行的操作，历史运行数据库可以提供操作方案供工作人员选择。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：采用永磁同步伺服无框电机作为动力源，可以根据井下环境，实现动力输出的动态调整，精准控制阀门的运动。完善磁耦合装置结构设计，增加了磁环保护筒避免磁环腐蚀，增加了磁耦合屏蔽镀层，解决了因磁场泄漏吸附铁砂造成磁耦合装置运动阻塞的问题。添加应力、位移、压力、角度等多种形式的传感器，完善了安全阀的井下状态感知能力。构建全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，实现了安全阀的数字化和智能化控制。

附图说明

图1是全电驱动的井下安全阀轴向结构剖面图及控制系统示意图；

图2是全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统示意图；

图中，A、电子舱结构单元，B、传动控制结构单元，C、运动转换结构单元，D、磁耦合结构单元，E、阀门结构单元，1、外部压力传感器，2、电气连接器，3、上部端盖，4、油管母接头，5、电子舱安装架，6、电子舱外耐压筒，7、电子舱内耐压筒，8、上部内耐压筒，9、上部外耐压筒，10、内筒应力传感器，11、外筒应力传感器，12、导电滑环内环，13、导电滑环外环，14、传动安装筒盖板，15、轴承轴衬，16、传动安装筒，17、无框电机安装板，18、永磁同步伺服无框电机转子，19、永磁同步伺服无框电机定子，20、无框电机安装筒，21、无框电机传动轴，22、电磁制动器安装插块，23、电磁制动器底座，24、电磁制动器制动片，25、制动片安装板，26、示值扭矩限制器，27、安装底座接头，28、薄壁轴承，29、轴承安装内压筒，30、滚珠丝杠花键槽滑块，31、中空式轴承内置滚珠丝杠，32、内花键外压筒，33、推压传动筒，34、内磁耦合盖板，35、下部内耐压筒，36、外磁耦合筒，37、内磁耦合流管，38、下部外耐压筒，39、磁环，40、磁环垫片，41、内磁耦合磁环保护筒，42、内磁耦合屏蔽镀层，43、外磁耦合屏蔽镀层，44、外磁耦合筒盖板，45、弹簧，46、磁致伸缩位移传感器，47、弹簧力传感器，48、内部压力传感器，49、角度传感器，50、阀门阀座，51、阀门阀板，52、油管公接头，53、井下数据采集模块，54、电机温度检测器，55、电磁制动器继电器，56、电力接收模块，57、电机霍尔换相控制器，58、控制与数据处理模块，59、井下光纤转换器，60、无框电机编码器，61、井下数据收发模块，62、安全阀井下控制单元，63、三相变压器，64、正弦波滤波器，65、输入电抗器，66、伺服驱动器，67、电力供应模块，68、井上数据采集模块，69、可编程逻辑控制器，70、综合显示模块，71、井上光纤转换器，72、井上数据收发模块，73、综合信息处理模块，74、中央控制模块，75、安全阀井上控制单元，76、正弦波滤波器电气模型，77、输入电抗器电气模型，78、电气综合处理模型，79、无框电机电气模型，80、无框电机模型整合模块，81、中央模型计算模块，82、电磁制动器模型整合模块，83、电磁制动器有限元电磁模型，84、电磁制动器制动模型，85、继电器电气控制模型，86、安全阀结构模型整合模块，87、安全阀三维实体模型，88、环境参数数据库，89、安全阀有限元强度模型，90、三相变压器电气模型，91、无框电机电气控制模型，92、伺服驱动器控制模型，93、无框电机有限元动力模型，94、永磁同步伺服无框电机运动模型，95、安全阀运行控制模块，96、历史运行数据库，97、专家决策数据库，98、安全阀控制模型，99、设计参数数据库，100、控制命令输入模块，101、组件间动力学传递模型，102、安全阀结构模型，103、磁耦合有限元力学模型。

具体实施方案

如图1所示，全电驱动的井下安全阀，包括全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，I为全电驱动的井下安全阀结构的上半部分，II为全电驱动的井下安全阀结构的下半部分，I和II构成完整的全电驱动的井下安全阀结构。

全电驱动的井下安全阀结构，包括电子舱结构单元A、传动控制结构单元B、运动转换结构单元C、磁耦合结构单元D和阀门结构单元E。

电子舱结构单元A，包括外部压力传感器1、电气连接器2、上部端盖3、油管母接头4、电子舱安装架5、电子舱外耐压筒6和电子舱内耐压筒7。外部压力传感器1通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量井下安全阀外部压力；电力连接器2通过螺纹和密封圈安装于油管母接头4，用于安装电缆；上部端盖3、油管母接头4、电子舱外耐压筒6和电子舱内耐压筒7通过螺纹配合形成环形密闭空间；电子舱安装架5通过紧缩装置安装于电子舱内耐压筒7，用于安装安全阀井下控制单元62。

传动控制结构单元B，包括上部内耐压筒8、上部外耐压筒9、内筒应力传感器10、外筒应力传感器11、导电滑环内环12、导电滑环外环13、传动安装筒盖板14、轴承轴衬15、传动安装筒16、无框电机安装板17、永磁同步伺服无框电机转子18、永磁同步伺服无框电机定子19、无框电机安装筒20、无框电机传动轴21、电磁制动器安装插块22、电磁制动器底座23、电磁制动器制动片24、制动片安装板25、示值扭矩限制器26和安装底座接头27。内筒应力传感器10粘结安装于上部内耐压筒8，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量上部内耐压筒8的应力变化；外筒应力传感器11粘结安装于上部外耐压筒9，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量上部外耐压筒9的应力变化；导电滑环内环12通过顶丝安装于无框电机传动轴21，导电滑环外环13通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板14，导电滑环内环12和导电滑环外环13之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环13和旋转运动的导电滑环内环12可以通过电刷传递电力或者信号；传动安装筒盖板14通过配合关系和粘结安装于传动安装筒16，轴承轴衬15通过配合关系和粘结安装于无框电机传动轴21，传动安装筒盖板14和轴承轴衬15之间安装深沟球轴承，形成轴承配合；无框电机安装筒20通过过盈和粘结安装于传动安装筒16，用于安装永磁同步伺服无框电机定子19，传动安装筒16安装电机安装筒20处下部有轴肩，用于定位电机安装筒20的安装位置同时限制其轴向位移；永磁同步伺服无框电机定子19通过粘结安装于无框电机安装筒20，无框电机安装筒20下端内部位置留有凸起阶梯，用于定位永磁同步伺服无框电机定子19位置同时限制其轴向向下移动；永磁同步伺服无框电机转子18通过粘结安装于无框电机传动轴21，无框电机传动轴21安装永磁同步伺服无框电机转子18处下部有轴肩，用于定位永磁同步伺服无框电机转子18安装位置同时限制其轴向向下移动；永磁同步伺服无框电机定子19和永磁同步伺服无框电机转子18构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，用于驱动无框电机传动轴21旋转；无框电机安装板17通过螺钉安装于无框电机安装筒20，用于限制永磁同步伺服无框电机定子19的轴向运动；电磁制动器安装插块22通过插脚安装于传动安装筒16的插孔内，电磁制动器底座23通过螺钉安装于电磁制动器安装插块22，制动片安装板25通过花键结构安装于无框电机传动轴21，电磁制动器制动片24通过螺钉安装于制动片安装板25，电磁制动器底座23和电磁制动器制动片24形成完整的电磁制动器，用于对无框电机传动轴21制动；传动安装筒16和无框电机传动轴21下部轴肩用于安装深沟球轴承；传动安装筒16通过底部螺纹安装于安装底座接头27，示值扭矩限制器26通过花键安装于无框电机传动轴21，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于实现电机的过载保护和扭矩测量。

运动转换结构单元C，包括薄壁轴承28、轴承安装内压筒29、滚珠丝杠花键槽滑块30、中空式轴承内置滚珠丝杠31、内花键外压筒32和推压传动筒33。薄壁轴承28通过过盈安装于轴承安装内压筒29和中空式轴承内置滚珠丝杠31两端的轴肩处，用于保证中空式轴承内置滚珠丝杠31的旋转；滚珠丝杠花键槽滑块30通过内部丝杠螺纹与中空式轴承内置滚珠丝杠31的外部丝杠螺纹构成丝杠副，且滚珠丝杠花键槽滑块30位于中空式轴承内置滚珠丝杠31外部，通过外部花键槽与内花键外压筒32内部的花键形成花键配合，用于实现滚珠丝杠花键槽滑块30在中空式轴承内置滚珠丝杠31驱动下做轴向直线运动；推压传动筒33通过螺钉固定在滚珠丝杠花键槽滑块30上，用于传递推动力。

磁耦合结构单元D，包括内磁耦合盖板34、下部内耐压筒35、外磁耦合筒36、内磁耦合流管37、下部外耐压筒38、磁环39、磁环垫片40、内磁耦合磁环保护筒41、内磁耦合屏蔽镀层42、外磁耦合屏蔽镀层43、外磁耦合筒盖板44、弹簧45、磁致伸缩位移传感器46和弹簧力传感器47。内磁耦合盖板34焊接于内磁耦合流管37，若干磁环39和磁环垫片40安装于内磁耦合流管37，内磁耦合磁环保护筒41为镍合金材料，安装于磁环39和磁环垫片40外部，与内磁耦合盖板34和内磁耦合流管37接触处做密封处理，三者形成密封舱，保护磁环39以防止其在外界环境作用下失效；外磁耦合筒盖板44焊接于外磁耦合筒36，弹簧45安装于外磁耦合筒盖板44下部，用于实现安全阀的失效保护；内磁耦合屏蔽镀层42由内磁耦合流管37与磁环39相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板34与磁环39相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管37和内磁耦合盖板34与内磁耦合磁环保护筒41接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管37上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板34上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，用于减少磁场损失；外磁耦合屏蔽镀层43由外磁耦合筒36与磁环39相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板44与磁环39相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒36上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板44上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，用于降低磁场损失；磁致伸缩位移传感器46通过螺纹安装于下部外耐压筒38的传感器安装孔处，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量外磁耦合筒36的位移；弹簧力传感器47通过粘结安装于下部外耐压筒38的安装槽内，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量弹簧力。

阀门结构单元E，包括内部压力传感器48、角度传感器49、阀门阀座50、阀门阀板51和油管公接头52。内部压力传感器48通过螺纹安装至下部外耐压筒38，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于检测阀门处井液压力；角度传感器49安装于阀门阀板51的转动轴，通过电缆连接至井下数据采集模块53，用于测量阀门阀板51的开启角度；阀门阀座50通过螺纹安装于下部外耐压筒38，阀门阀板51通过其转动轴安装于阀门阀座50，油管公接头52用于通过螺纹连接油管。

电子舱结构单元A通过所属零件电子舱外耐压筒6与传动控制结构单元B所属零件上部外耐压筒9进行螺纹安装，通过其所属零件电子舱内耐压筒7与传动控制结构单元B所属零件上部内耐压筒8进行螺纹安装；传动控制结构单元B通过所属零件安装底座接头27与运动转换结构单元C所属零件内花键外压筒32进行螺纹安装，通过其所属零件示值扭矩限制器26与运动转换结构单元C所属零件中空式轴承内置滚珠丝杠31进行螺钉安装，通过其所属零件上部内压筒8与运动转换结构单元C所属零件轴承安装内压筒29进行螺纹安装；运动转换结构单元C通过所属零件内花键外压筒32与下部外耐压筒38进行螺纹安装，通过其所属零件推压传动筒33与磁耦合结构单元D所属零件外磁耦合筒36进行粘结安装，通过其所属零件轴承安装内压筒29与磁耦合结构单元D所属零件下部内耐压筒35进行螺纹安装；磁耦合结构单元D通过所属零件下部外耐压筒38与阀门结构单元E所属零件阀门阀座50和油管公接头52进行螺纹安装。

全电驱动的井下安全阀控制系统，包括安全阀井下控制单元62和安全阀井上控制单元75，二者通过电力线和光纤连接。

安全阀井下控制单元62，包括井下数据采集模块53、电机温度检测器54、电磁制动器继电器55、电力接收模块56、电机霍尔换相控制器57、控制与数据处理模块58、井下光纤转换器59、无框电机编码器60和井下数据收发模块61。井下数据采集模块53通过信号线与各传感器相连，用于采集传感器数据，通过信号线与控制与数据处理模块58相连，用于将传感器数据传递至控制与数据处理模块58；电机温度检测器54通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子19相连，用于接收温度信号，通过信号线与控制与信息处理模块58相连，用于将温度信息传递至控制与信息处理模块58；电磁制动器继电器55通过强电线与电磁制动器底座23相连，通过弱电线与控制与数据处理模块58相连，用于控制电磁制动器运行状态；电机霍尔换相控制器57通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子19相连，用于控制永磁同步伺服无框电机换相，通过信号线与控制与数据处理模块58相连，用于接收控制命令；控制与数据处理模块58通过信号线与井下数据收发模块61相连，用于与井下数据收发模块61进行数据交换和命令交流；无框电机编码器60在永磁同步伺服无框电机定子19内部，通过信号线与井下数据收发模块61相连，用于传递永磁同步伺服无框电机转速信息；井下数据收发模块61通过信号线与井下光纤转换器59相连，用于信息交互；井下光纤转换器59通过光纤与井上光纤转换器71相连，用于电信号和光信号的相互转换，实现安全阀井下控制单元62和安全阀井上控制单元75的通信；电力接收模块56通过电力线与井下数据采集模块53、电磁制动器继电器55、电机霍尔换相控制器57、控制与数据处理模块58、井下光纤转换器59和井下数据收发模块61相连，用于提供电力。

安全阀井上控制单元75，包括三相变压器63、正弦波滤波器64、输入电抗器65、伺服驱动器66、电力供应模块67、井上数据采集模块68、可编程逻辑控制器69、综合显示模块70、井上光纤转换器71、井上数据收发模块72、综合信息处理模块73和中央控制模块74。三相变压器63接入电网，通过电力线与输入电抗器65相连，用于改变系统电压大小；输入电抗器65通过电力线与伺服驱动器66相连，用于过滤伺服驱动器66的电力杂波；伺服驱动器66通过电力线与正弦波滤波器64相连，用于将产生永磁同步伺服无框电机的驱动信号传递至正弦波滤波器64，通过信号线与可编程逻辑控制器69相连，用于接收控制信息；正弦波滤波器64通过电力线与永磁同步伺服无框电机定子19相连，用于实现驱动信号的长距离传输；井上数据采集模块68通过信号线分别与三相变压器63、正弦波滤波器64、输入电抗器65和伺服驱动器66相连，用于采集各部件的电力参数信息；电力供应模块67通过电力线与电力接收模块56相连，用于向井下传输电力；井上数据收发模块72通过信号线与井上光纤转换器71相连，用于接收井下信息和向井下发送信息；综合信息处理模块73通过信号线分别与井上数据采集模块68、可编程逻辑控制器69和井上数据收发模块72相连，用于收集处理各部件参数信息；中央控制模块74通过信号线与综合信息处理模块73相连，中央控制模块74利用参数信息在其内部构建全电驱动的安全阀数字孪生控制系统，并从该系统发出控制命令；综合显示模块70通过电缆与中央控制模块74相连，用于安全阀数字孪生控制系统的三维和参数显示。

如图2所示，根据全电驱动的井下安全阀结构和全电驱动的井下安全阀控制系统，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：

步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型94，具体为：利用井上数据采集模块68采集到的三相变压器63、正弦波滤波器64、输入电抗器65和伺服驱动器66的电气参数，分别建立三相变压器电气模型90、正弦波滤波器电气模型76、输入电抗器电气模型77和伺服驱动器控制模型92，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型79，将三相变压器电气模型90、输入电抗器电气模型77、正弦波滤波器电气模型76、伺服驱动器控制模型92和无框电机电气模型79依次导入电气综合处理模型78，形成无框电机电气控制模型91，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型93，将无框电机有限元动力模型93和无框电机电气控制模型91导入无框电机模型整合模块80，建立永磁同步伺服无框电机运动模型94；

步骤2：建立电磁制动器制动模型84，具体为：利用电磁制动器继电器55已知电气特性建立继电器电气控制模型85，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型83，将继电器电气控制模型85和电磁制动器有限元电磁模型83导入电磁制动器模型整合模块82，建立电磁制动器制动模型84；

步骤3：建立安全阀结构模型102，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型87，利用井下数据采集模块53采集到的井下环境参数建立环境参数数据库88，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库88建立安全阀有限元强度模型89，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库88建立磁耦合有限元力学模型103，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型101，将安全阀三维实体模型87、安全阀有限元强度模型89、磁耦合有限元力学模型103和组件间动力学传递模型101导入安全阀结构模型整合模块86，建立安全阀结构模型102；

步骤4：建立安全阀控制模型98，具体为：利用井下安全阀历史运行数据建立历史运行数据库96，利用专家决策方法建立专家决策数据库97，利用安全阀设计参数建立设计参数数据库99，添加控制命令输入模块100，安全阀运行控制模块95参考历史运行数据库96、专家决策数据库97和设计参数数据库99的数据同时接受控制命令输入模块100的输入命令形成安全阀控制模型98；

步骤5：建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，具体为：中央模型计算模块81整合永磁同步伺服无框电机运动模型94、电磁制动器制动模型84和安全阀结构模型102，进行参数运算，将结果信息输入安全阀控制模型98，由安全阀控制模型98评估后产生控制信号。

根据全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法建立的全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，包括永磁同步伺服无框电机运动模型94，电磁制动器制动模型84，中央模型计算模块81，安全阀结构模型102和安全阀控制模型98，永磁同步伺服无框电机运动模型94、电磁制动器制动模型84和安全阀结构模型102导入中央模型计算模块81计算，将计算结果输入安全阀控制模型98，由安全阀控制模型98产生控制信号。

永磁同步伺服无框电机运动模型94，包括正弦波滤波器电气模型76、输入电抗器电气模型77、电气综合处理模型78、无框电机电气模型79、无框电机模型整合模块80、三相变压器电气模型90、无框电机电气控制模型91、伺服驱动器控制模型92和无框电机有限元动力模型93。三相变压器电气模型90、输入电抗器电气模型77、正弦波滤波器电气模型76、伺服驱动器控制模型92和无框电机电气模型79依次导入电气综合处理模型78，形成无框电机电气控制模型91，无框电机有限元动力模型93和无框电机电气控制模型91导入无框电机模型整合模块80进行整合。

电磁制动器制动模型84，包括电磁制动器模型整合模块82、电磁制动器有限元电磁模型83和继电器电气控制模型85。将继电器电气控制模型85和电磁制动器有限元电磁模型83导入电磁制动器模型整合模块82进行整合。

安全阀结构模型102，包括安全阀结构模型整合模块86、安全阀三维实体模型87、环境参数数据库88、安全阀有限元强度模型89、组件间动力学传递模型101和磁耦合有限元力学模型103。安全阀有限元强度模型89和磁耦合有限元力学模型103利用环境参数数据库88进行建模，安全阀三维实体模型87、安全阀有限元强度模型89、组件间动力学传递模型101和磁耦合有限元力学模型103导入安全阀结构模型整合模块86进行整合。

安全阀控制模型98，包括安全阀运行控制模块95、历史运行数据库96、专家决策数据库97、设计参数数据库99和控制命令输入模块100。历史运行数据库96、专家决策数据库97和设计参数数据库99将数据输入安全阀运行控制模块95，用于系统的自主型控制，其中，历史运行数据库96提供为实现安全阀正常运行时进行动态调整控制所需要的数据，设计参数数据库99提供保证安全阀正常运行时各部件和环境的极限参数，专家决策数据库97提供安全阀运行超过设计参数时的解决方案；控制命令输入模块100将输入的控制命令导入安全阀运行控制模块95，用于系统的人为控制。系统的自主型控制，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在工作人员输入开启阀门命令后，系统在不超过设计参数数据库99提供的参数时自主完成开启阀门所需的全部操作；还包括系统在工作人员输入关闭阀门命令或者环境参数超过设计参数数据库99中的环境极限参数时，自主完成关闭阀门所需的全部操作。系统的人为控制，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在运行过程中，某一参数超过设计参数数据库99中的极限参数，系统需要人为介入进行的操作，专家决策数据库97可以提供操作方案供工作人员选择；还包括为了实现人为指定的安全阀运行状态而进行的操作，历史运行数据库96可以提供操作方案供工作人员选择。

全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制系统的工作过程是：当需要打开阀门阀板51时，井控人员通过控制命令输入模块100输入控制命令，安全阀运行控制模块95发出命令，通过控制可编程逻辑控制器69，使伺服驱动器66输出永磁同步伺服无框电机驱动信号，经正弦波滤波器64传输至永磁同步伺服无框电机定子19，永磁同步伺服无框电机定子19和永磁同步伺服无框电机转子18配合产生驱动力，驱动无框电机传动轴21带动中空式轴承内置滚珠丝杠31旋转，滚珠丝杠花键槽滑块30推动外磁耦合筒36，通过磁耦合作用带动内磁耦合流管37运动，顶开阀门阀板51，经角度传感器49检测阀门阀板51到达预定开启角度后，安全阀运行控制模块95自动发出命令，控制电磁制动器继电器55，使电磁制动器制动，同时停止伺服驱动器66发出永磁同步伺服无框电机驱动信号，维持阀门阀板51的开启状态。在开启阀门阀板51和维持其开启的过程中，井下数据采集模块53实时采集井下环境信息和安全阀结构信息，井上数据采集模块72实时采集安全阀井上控制单元75的设备运行信息，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统根据采集到的信息实时处理计算仿真，自主动态调整安全阀的运行状态，并将仿真结果以三维图形和二维信息的方式在综合显示模块70实时显示。

当井下压力突变需要关闭阀门阀板51时，全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统可以根据采集到的压力变化信息自我做出判断发出控制指令，也可由井控人员通过控制命令输入模块100输入控制命令，控制电磁制动器继电器55断开电磁制动器底座23的电力，阀门阀板51在弹簧45反推力作用下，内磁耦合流管37复位，阀门阀板51关闭。

Claims (6)

1.一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：

传动控制结构单元，包括导电滑环内环、导电滑环外环、传动安装筒、无框电机安装板、永磁同步伺服无框电机转子、永磁同步伺服无框电机定子、无框电机安装筒和无框电机传动轴，导电滑环内环通过顶丝安装于无框电机传动轴，导电滑环外环通过底部螺栓孔安装于传动安装筒盖板，导电滑环内环和导电滑环外环之间有旋转电刷和轴承，固定的导电滑环外环和旋转运动的导电滑环内环可以通过电刷传递电力或者信号，无框电机安装筒通过过盈和粘结安装于传动安装筒，传动安装筒安装电机安装筒处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子通过粘结安装于无框电机安装筒，无框电机安装筒下端内部位置留有凸起阶梯，永磁同步伺服无框电机转子通过粘结安装于无框电机传动轴，无框电机传动轴安装永磁同步伺服无框电机转子处下部有轴肩，永磁同步伺服无框电机定子和永磁同步伺服无框电机转子构成一个完整的永磁同步伺服无框电机，无框电机安装板通过螺钉安装于无框电机安装筒；

磁耦合结构单元，包括内磁耦合磁环保护筒、内磁耦合屏蔽镀层和外磁耦合屏蔽镀层，内磁耦合磁环保护筒为镍合金材料，安装于磁环和磁环垫片外部，与内磁耦合盖板和内磁耦合流管接触处做密封处理，三者形成密封舱，内磁耦合屏蔽镀层由内磁耦合流管与磁环相接触处的连续黄铜镀层和内磁耦合盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，内磁耦合流管和内磁耦合盖板与内磁耦合磁环保护筒接触处没有黄铜镀层，内磁耦合流管上的连续黄铜镀层与内磁耦合盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的，外磁耦合屏蔽镀层由外磁耦合筒与磁环相接触处的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板与磁环相接触处的连续黄铜镀层组成，外磁耦合筒上的连续黄铜镀层和外磁耦合筒盖板上的连续黄铜镀层厚度相同，在二者连接处黄铜镀层是连续的；

安全阀井下控制单元包括电机温度检测器、电机霍尔换相控制器和无框电机编码器，电机温度检测器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与信息处理模块相连，电机霍尔换相控制器通过信号线与永磁同步伺服无框电机定子相连，通过信号线与控制与数据处理模块相连，无框电机编码器在永磁同步伺服无框电机定子内部，通过信号线与井下数据收发模块相连；

安全阀井上控制单元，包括三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器、伺服驱动器和可编程逻辑控制器，三相变压器接入电网，通过电力线与输入电抗器相连，输入电抗器通过电力线与伺服驱动器相连，伺服驱动器通过电力线与正弦波滤波器相连，通过信号线与可编程逻辑控制器相连，正弦波滤波器通过电力线与无框电机定子相连；

全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法包括以下步骤：

步骤1：建立永磁同步伺服无框电机运动模型，具体为：利用井上数据采集模块采集到的三相变压器、正弦波滤波器、输入电抗器和伺服驱动器的电气参数，分别建立三相变压器电气模型、正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型和伺服驱动器控制模型，利用无框电机设备参数信息建立无框电机电气模型，将三相变压器电气模型、输入电抗器电气模型、正弦波滤波器电气模型、伺服驱动器控制模型和无框电机电气模型依次导入电气综合处理模型，形成无框电机电气控制模型，利用无框电机已知动力特性建立无框电机有限元动力模型，将无框电机有限元动力模型和无框电机电气控制模型导入无框电机模型整合模块，建立永磁同步伺服无框电机运动模型；

步骤2：建立电磁制动器制动模型，具体为：利用电磁制动器继电器已知电气特性建立继电器电气控制模型，利用电磁制动器已知设备特性建立电磁制动器有限元电磁模型，将继电器电气控制模型和电磁制动器有限元电磁模型导入电磁制动器模型整合模块，建立电磁制动器制动模型；

步骤3：建立安全阀结构模型，具体为：利用全电驱动的井下安全阀结构尺寸参数建立安全阀三维实体模型，利用全电驱动的井下安全阀结构设计参数和环境参数数据库建立安全阀有限元强度模型，利用磁耦合装置设计参数和环境参数数据库建立磁耦合有限元力学模型，利用全电驱动的井下安全阀结构传动设计参数建立组件间动力学传递模型，将安全阀三维实体模型、安全阀有限元强度模型、磁耦合有限元力学模型和组件间动力学传递模型导入安全阀结构模型整合模块，建立安全阀结构模型；

步骤4：建立安全阀控制模型，具体为：利用井下安全阀历史运行数据建立历史运行数据库，利用专家决策方法建立专家决策数据库，利用安全阀设计参数建立设计参数数据库，添加控制命令输入模块，安全阀运行控制模块参考历史运行数据库、专家决策数据库和设计参数数据库的数据同时接受控制命令输入模块的输入命令形成安全阀控制模型；

步骤5：建立全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，具体为：中央模型计算模块整合无框电机运动模型、电磁制动器制动模型和安全阀结构模型，进行参数运算，将结果信息输入安全阀控制模型，由安全阀控制模型评估后产生控制信号；

根据全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统建模方法建立的全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统，包括永磁同步伺服无框电机运动模型，电磁制动器制动模型，中央模型计算模块，安全阀结构模型和安全阀控制模型，永磁同步伺服无框电机运动模型、电磁制动器制动模型和安全阀结构模型导入中央模型计算模块计算，将计算结果输入安全阀控制模型；

永磁同步伺服无框电机运动模型，包括正弦波滤波器电气模型、输入电抗器电气模型、电气综合处理模型、无框电机电气模型、无框电机模型整合模块、三相变压器电气模型、无框电机电气控制模型、伺服驱动器控制模型和无框电机有限元动力模型；

电磁制动器制动模型，包括电磁制动器模型整合模块、电磁制动器有限元电磁模型和继电器电气控制模型；

安全阀结构模型，包括安全阀结构模型整合模块、安全阀三维实体模型、环境参数数据库、安全阀有限元强度模型、组件间动力学传递模型和磁耦合有限元力学模型；

安全阀控制模型，包括安全阀运行控制模块、历史运行数据库、专家决策数据库、设计参数数据库和控制命令输入模块，历史运行数据库、专家决策数据库和设计参数数据库将数据输入安全阀运行控制模块，用于系统的自主型控制，其中，历史运行数据库提供为实现安全阀正常运行时进行动态调整控制所需要的数据，设计参数数据库提供保证安全阀正常运行时各部件和环境的极限参数，专家决策数据库提供安全阀运行超过设计参数时的解决方案，控制命令输入模块将输入的控制命令导入安全阀运行控制模块，用于系统的人为控制；

系统的自主型控制范围，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在工作人员输入开启阀门命令后，系统在不超过设计参数数据库提供的参数时自主完成开启阀门所需的全部操作，还包括系统在工作人员输入关闭阀门命令或者环境参数超过设计参数数据库中的环境极限参数时，自主完成关闭阀门所需的全部操作；

系统的人为控制范围，包括全电驱动的井下安全阀数字孪生控制系统在运行过程中，某一参数超过设计参数数据库中的极限参数，系统需要人为介入进行的操作，专家决策数据库可以提供操作方案供工作人员选择，还包括为了实现人为指定的安全阀运行状态而进行的操作，历史运行数据库可以提供操作方案供工作人员选择。

2.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：磁耦合结构单元，包括磁致伸缩位移传感器和弹簧力传感器，磁致伸缩位移传感器通过螺纹安装于下部外耐压筒的传感器安装孔处，弹簧力传感器通过粘结安装于下部外耐压筒的安装槽内。

3.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：运动转换结构单元，包括滚珠丝杠花键槽滑块和中空式轴承内置滚珠丝杠，滚珠丝杠花键槽滑块位于中空式轴承内置滚珠丝杠外部。

4.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：阀门结构单元，包括角度传感器，角度传感器安装于阀门阀板的转动轴。

5.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：中央控制模块利用参数信息在其内部构建安全阀数字孪生控制系统。

6.根据权利要求1所述的一种全电驱动的井下安全阀及其数字孪生控制方法及系统，其特征在于：利用井下数据采集模块采集到的井下环境参数建立环境参数数据库。

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