CN113359408A - 全电控井下安全阀智能化冗余控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及全电控井下安全阀智能化冗余控制系统。全电控井下安全阀控制组件，包括电机、电磁离合器、电磁制动器、相位开关、阀板开度传感器、温度传感器、压力传感器和电磁流量计；全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，包括井上控制模块和井下控制模块，井下控制模块包括井下主控制模块和井下辅助控制模块。本发明的优势在于，全电控井下安全阀智能化冗余控制系统提高了全电控井下安全阀的反应速度，采用冗余控制模块，可以提高控制系统的可靠性和准确性；井下核心控制板模块采用“四选三”表决算法，传感器数据采集模块采用“三选二”表决算法，可以提升系统的稳定性与安全性。

Description

全电控井下安全阀智能化冗余控制系统

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体地，涉及全电控井下安全阀智能化冗余控制系统。

背景技术

井喷事故是威胁油气安全生产的重要因素。一旦发生井喷事故将造成巨大的经济、财产、人员和环境损失。而随着油气行业向深层发展，由井喷事故造成的安全隐患越来越大。因此，开发高效可靠的井控装备极为重要。

井下安全阀是一种重要的井下工具，被用于防止井喷和保证安全生产。而传统的井下安全阀以液控为主，目前市场上存在的液控安全阀存在泄露概率较大、关井速度慢的缺陷，在发生井喷事故时无法及时关井。

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)与现有的液控安全阀相比，具有下深不受限、关井速度快的显著优势。但存在控制精度低、控制系统可靠性差、智能化程度低的缺点，亟待解决。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供全电控井下安全阀智能化冗余控制系统。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

全电控井下安全阀控制组件，包括电机、电磁离合器、电磁制动器、相位开关、阀板开度传感器、温度传感器、压力传感器和电磁流量计。

全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，包括井上控制模块和井下控制模块，二者通过电力线连接。

井上控制模块，包括上位机显示模块、不间断电源、电力发送模块、故障诊断模块、井上核心控制板、数据采集模块和井上电力载波板卡。井上核心控制板通过电缆与上位机显示模块和井上电力载波板卡相连接；井上电力载波板卡通过电缆连接至电力发送模块前端和井上核心控制板；不间断电源通过电缆连接至电力发送模块；电力发送模块通过电缆连接至电力接收模块；数据采集模块通过电缆与不间断电源、电力发送模块、井上核心控制板、井上电力载波板卡和故障诊断模块相连接；故障诊断模块通过电缆连接至数据采集模块和上位机显示模块。

井下控制模块，包括井下主控制模块和井下辅助控制模块，其中井下主控制模块包括电力接收模块、井下电力载波模块、井下核心控制板模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关、电磁制动器光耦开关、传感器数据采集模块、电机继电器、电磁离合器继电器和电磁制动器继电器。电力接收模块通过电缆与电力发送模块、井下电力载波模块、井下核心控制板模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关相连接；井下电力载波模块，通过电缆与电力接收模块前端和井下核心控制板模块连接；井下核心控制板模块通过电缆与传感器数据采集模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关相连；电机光耦开关通过电缆与井下核心控制板模块和电机继电器相连；电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关的连接方法和工作模式与电机光耦开关相同；电机继电器通过电缆与电机相连；电磁离合器继电器通过电缆与电磁离合器相连；电磁制动器继电器通过电缆与电磁制动器相连；传感器数据采集模块通过电缆与相位开关、阀板开度传感器、温度传感器、压力传感器、电磁流量计和井下核心控制板模块连接。

井下辅助控制模块，包括备用电力接收模块、备用井下电力载波模块、备用井下核心控制板模块、备用电机光耦开关、备用电磁离合器光耦开关、备用电磁制动器光耦开关、备用传感器数据采集模块、备用电机继电器、备用电磁离合器继电器和备用电磁制动器继电器。井下辅助控制模块各部分连接方式、工作模式和功能与井下主控制模块相同。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：全电控井下安全阀智能化冗余控制系统提高了全电控井下安全阀的反应速度，采用冗余控制模块，可以提高控制系统的可靠性和准确性；井下核心控制板模块采用“四选三”表决算法，传感器数据采集模块采用“三选二”表决算法，可以提升系统的稳定性与安全性。

附图说明

图1是全电控井下安全阀控制组件分布图；

图2是全电控井下安全阀智能化冗余控制系统示意图；

图中，1、电机，2、电磁离合器，3、电磁制动器，4、相位开关，5、阀板开度传感器，6、温度传感器，7、压力传感器，8、电磁流量计，9、井上控制模块，10、上位机显示模块，11、不间断电源，12、电力发送模块，13、故障诊断模块，14、井上核心控制板，15、数据采集模块，16、井上电力载波板卡，17、电力接收模块，18、第一井下核心控制板，19、井下主控制模块，20、井下电力载波模块，21、第二井下核心控制板，22、第三井下核心控制板，23、井下核心控制板模块，24、第四井下核心控制板，25、电机光耦开关，26、电磁离合器光耦开关，27、电磁制动器光耦开关，28、传感器数据采集模块，29、电机继电器，30、电磁离合器继电器，31、电磁制动器继电器，32、第三传感器数据采集器，33、第二传感器数据采集器，34、第一传感器数据采集器，35、备用电力接收模块，36、备用第一井下核心控制板，37、井下辅助控制模块，38、备用井下电力载波模块，39、备用第二井下核心控制板，40、备用第三井下核心控制板，41、备用井下核心控制板模块，42、备用第四井下核心控制板，43、备用电机光耦开关，44、备用电磁离合器光耦开关，45、备用电磁制动器光耦开关，46、备用传感器数据采集模块，47、备用电机继电器，48、备用电磁离合器继电器，49、备用电磁制动器继电器，50、井下控制模块，51、备用第三传感器数据采集器，52、备用第二传感器数据采集器，53、备用第一传感器数据采集器，54、全电控井下安全阀。

具体实施方案

如图1所示，全电控井下安全阀控制组件，包括电机1、电磁离合器2、电磁制动器3、相位开关4、阀板开度传感器5、温度传感器6、压力传感器7和电磁流量计8，电机1、电磁离合器2和电磁制动器3用于实现全电控井下安全阀54的驱动及运动控制，相位开关4、阀板开度传感器5、温度传感器6、压力传感器7和电磁流量计8用于监控全电控井下安全阀54的运行状态。

如图2所示，全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，包括井上控制模块9和井下控制模块50，二者通过电力线连接。

井上控制模块9，包括上位机显示模块10、不间断电源11、电力发送模块12、故障诊断模块13、井上核心控制板14、数据采集模块15和井上电力载波板卡16。井上核心控制板14通过电缆与上位机显示模块10和井上电力载波板卡16相连接，用于信息分析处理和发送指令；井上电力载波板卡16通过电缆连接至电力发送模块12前端和井上核心控制板14，用于通过电力载波信号与井下通信，并与井上核心控制板14通信；不间断电源11通过电缆连接至电力发送模块12，用于提供电力；电力发送模块12通过电缆连接至电力接收模块17，用于从不间断电源11接受电力，并向井下控制模块50供电；数据采集模块15通过电缆与不间断电源11、电力发送模块12、井上核心控制板14、井上电力载波板卡16和故障诊断模块13相连接，用于从不间断电源11、电力发送模块12、井上核心控制板14和井上电力载波板卡16处接收井上井下各种信息，经过初步处理转换后，发送给故障诊断模块13；故障诊断模块13通过电缆连接至数据采集模块15和上位机显示模块10，用于诊断井上控制模块9和井下控制模块50各部件的故障，给出故障诊断结果，并通过上位机显示模块10进行故障显示。

井下控制模块50，包括井下主控制模块19和井下辅助控制模块37；其中，井下主控制模块19包括电力接收模块17、井下电力载波模块20、井下核心控制板模块23、电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26、电磁制动器光耦开关27、传感器数据采集模块28、电机继电器29、电磁离合器继电器30和电磁制动器继电器31。电力接收模块17通过电缆与电力发送模块12、井下电力载波模块20、井下核心控制板模块23、电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27相连接，用于从电力发送模块12处接收电力，并将电力转换，向井下各模块供电；井下电力载波模块20，通过电缆与电力接收模块17前端和井下核心控制板模块23连接，用于通过电力载波信号与井上通信，并与井下核心控制板模块23通信；井下核心控制板模块23通过电缆与传感器数据采集模块28、电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27相连，用于从传感器数据采集模块28接收传感器数据，并进行信息分析处理和发送指令；电机光耦开关25通过电缆与井下核心控制板模块23和电机继电器29相连，用于接收井下核心控制板模块23的控制指令并控制电机继电器29，实现了低电压控制高电压；电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27分别用于控制电机继电器29、电磁离合器继电器30和电磁制动器继电器31，电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27的连接方法和工作模式与电机光耦开关25相同；电机继电器29通过电缆与电机1相连，用于控制电机1转动，电磁离合器继电器30通过电缆与电磁离合器2相连，用于控制电磁离合器2动作，电磁制动器继电器31通过电缆与电磁制动器3相连，用于控制电磁制动器3动作；传感器数据采集模块28通过电缆与相位开关4、阀板开度传感器5、温度传感器6、压力传感器7、电磁流量计8和井下核心控制板模块23连接，用于采集数据，并发送至井下核心控制板模块23；

井下核心控制板模块23，包括第一井下核心控制板18、第二井下核心控制板21、第三井下核心控制板22和第四井下核心控制板24，采用“四选三”表决算法，即至少三个井下核心控制板正常工作，且记录数据完全相同时，才向外部发送指令，从而提高系统可靠性；

传感器数据采集模块28，包括第一传感器数据采集器34、第二传感器数据采集器33和第三传感器数据采集器32，采用“三选二”表决算法，即至少两个传感器数据采集器正常工作时，才向井下核心控制板模块23发送数据；当三个传感器数据采集器均正常时，对三个传感器数据采集器的信号取平均值，输送到井下核心控制板模块23；当两个传感器数据采集器正常时，对两个传感器数据采集器的信号取平均值，输送到井下核心控制板模块23。

井下辅助控制模块37，包括备用电力接收模块35、备用井下电力载波模块38、备用井下核心控制板模块41、备用电机光耦开关43、备用电磁离合器光耦开关44、备用电磁制动器光耦开关45、备用传感器数据采集模块46、备用电机继电器47、备用电磁离合器继电器48和备用电磁制动器继电器49。井下辅助控制模块37各部分连接方式、工作模式和功能与井下主控制模块19相同。

全电控井下安全阀智能化冗余控制系统工作过程如下：

正常情况下，井下主控制模块19起控制作用，井下辅助控制模块37不起控制作用。

正常生产，需要阀板开启时，上位机显示模块10发出开启命令，信号经电缆发送至井上核心控制板14，井上核心控制板14将信号处理后发送至井上电力载波板卡16，井上电力载波板卡16将信号调制到电力线上，发送至井下电力载波模块20，井下电力载波模块20将信号发送至井下核心控制板模块23，井下核心控制板模块23控制电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27动作，电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27依次控制电机继电器29、电磁离合器继电器30、电磁制动器继电器31动作，电机1转动，电磁离合器2抱紧，电磁制动器3松开，阀板开启；

阀板完全开启后，相位开关4发出信号，信号沿电缆，经传感器数据采集模块28发送至井下核心控制板模块23，井下核心控制板模块23发出信号，控制电机1断电停转，电磁离合器2抱紧，电磁制动器3抱紧；

当遇到紧急情况，关闭阀板时，上位机显示模块10发出关闭命令，信号经电缆发送至井上核心控制板14，井上核心控制板14将信号处理后发送至井上电力载波板卡16，井上电力载波板卡16将信号调制到电力线上，发送至井下电力载波模块20，井下电力载波模块20将信号发送至井下核心控制板模块23，井下核心控制板模块23控制电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27动作，电磁离合器光耦开关26和电磁制动器光耦开关27依次控制电磁离合器继电器30和电磁制动器继电器31动作，电磁离合器2松开，电磁制动器3松开，阀板关闭。

相位开关4、阀板开度传感器5、温度传感器6、压力传感器7、电磁流量计8采集数据信号，数据信号通过电缆传递到传感器数据采集模块28，传感器数据采集模块28进行数据的采集并且通过电缆将数据信号传递到井下核心控制板模块23，井下核心控制板模块23进行数据信号的处理与决策，通过电缆将数据信号传递到井上控制模块9，从而在上位机显示模块10中显示。

当上位机显示模块10发出命令，数据信号通过电缆传递到井下核心控制板模块23，在井下核心控制板模块23中进行数据信号的处理并且通过电缆将数据信号传递到电机光耦开关25、电磁离合器光耦开关26、电磁制动器光耦开关27，进行动作。

Claims (6)

1.全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：包括井上控制模块和井下控制模块；

井上控制模块，包括上位机显示模块、不间断电源、电力发送模块、故障诊断模块、井上核心控制板、数据采集模块和井上电力载波板卡；井上核心控制板通过电缆与上位机显示模块和井上电力载波板卡相连接，井上电力载波板卡通过电缆连接至电力发送模块前端和井上核心控制板，不间断电源通过电缆连接至电力发送模块，电力发送模块通过电缆连接至电力接收模块，数据采集模块通过电缆与不间断电源、电力发送模块、井上核心控制板、井上电力载波板卡和故障诊断模块相连接，故障诊断模块通过电缆连接至数据采集模块和上位机显示模块；

井下控制模块，包括井下主控制模块和井下辅助控制模块；其中，井下主控制模块包括电力接收模块、井下电力载波模块、井下核心控制板模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关、电磁制动器光耦开关、传感器数据采集模块、电机继电器、电磁离合器继电器和电磁制动器继电器；电力接收模块通过电缆与电力发送模块、井下电力载波模块、井下核心控制板模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关相连接，井下电力载波模块通过电缆与电力接收模块前端和井下核心控制板模块连接，井下核心控制板模块通过电缆与传感器数据采集模块、电机光耦开关、电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关相连，电机光耦开关通过电缆与井下核心控制板模块和电机继电器相连，电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关分别用于控制电机继电器、电磁离合器继电器和电磁制动器继电器，电机继电器通过电缆与电机相连，电磁离合器继电器通过电缆与电磁离合器相连，电磁制动器继电器通过电缆与电磁制动器相连，传感器数据采集模块通过电缆与相位开关、阀板开度传感器、温度传感器、压力传感器、电磁流量计和井下核心控制板模块；

井下核心控制板模块，包括第一井下核心控制板、第二井下核心控制板、第三井下核心控制板和第四井下核心控制板；

传感器数据采集模块，包括第一传感器数据采集器、第二传感器数据采集器和第三传感器数据采集器；

井下辅助控制模块，包括备用电力接收模块、备用井下电力载波模块、备用井下核心控制板模块、备用电机光耦开关、备用电磁离合器光耦开关、备用电磁制动器光耦开关、备用传感器数据采集模块、备用电机继电器、备用电磁离合器继电器和备用电磁制动器继电器。

2.根据权利要求1所述的全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：全电控井下安全阀控制组件，包括电机、电磁离合器、电磁制动器、相位开关、阀板开度传感器、温度传感器、压力传感器和电磁流量计。

3.根据权利要求1所述的全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：电磁离合器光耦开关和电磁制动器光耦开关的连接方法和工作模式与电机光耦开关相同。

4.根据权利要求1所述的全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：井下核心控制板模块，采用“四选三”表决算法，即至少三个井下核心控制板正常工作，且记录数据完全相同时，才向外部发送指令。

5.根据权利要求1所述的全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：传感器数据采集模块，采用“三选二”表决算法，即至少两个传感器数据采集器正常工作时，才向井下核心控制板模块发送数据；当三个传感器数据采集器均正常时，对三个传感器数据采集器的信号取平均值，输送到井下核心控制板模块；当两个传感器数据采集器正常时，对两个传感器数据采集器的信号取平均值，输送到井下核心控制板模块。

6.根据权利要求1所述的全电控井下安全阀智能化冗余控制系统，其特征在于：井下辅助控制模块各部分连接方式、工作模式和功能与井下主控制模块相同。

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