CN113485186A - 一种管汇闸阀远程控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管汇闸阀远程控制系统，包括远程上位机模块、控制柜模块、执行器模块、传感器模块、锁存器以及无线AP模块；所述控制柜模块内置PLC；所述远程上位机模块通过无线AP模块与PLC进行通信；所述执行器模块包括电机驱动器和编码器；所述PLC通过CAN总线与电机驱动器进行数据传输；所述编码器在系统断电后反馈闸阀开关位置；所述传感器模块包括管汇闸阀对应点的阀位传感器和液位传感器，以及执行器线路端上的电压传感器，通过CAN总线接口连接PLC，将数据上传并储存在PLC存储器中，并通过无线AP模块与远程上位机进行数据传输。本发明结构简单、便于实现，控制效果稳定、可靠，实用性强。

Description

一种管汇闸阀远程控制系统

技术领域

本发明涉及闸阀设备领域，尤其涉及一种管汇闸阀远程控制系统。

背景技术

井控即作为石油与天然气勘探开发过程中极为重要的环节，也是石油与天然气安全生产的前提和保障。为现场作业时保持井内压力与地层压力平衡，防止溢流。同时在由于各种原因的所引发的井喷或井涌事故时，能及时的进行抢险。井控作业需用节流压井管汇等装备来关井、压井。压井管汇、节流管汇是用于控制溢流、井喷、紧急情况用于放喷的必要设备。而平板闸阀是压井管汇、节流管汇关键设备之一，在作业中起到开、关、切换流动通道的重要作用。

目前，现场在用平板阀以手动为主，就出现了手动平板阀开启力矩大，手动操作异常困难；节流管汇平板闸阀数量多，处理紧急情况时耗时长；易出现误操作情况，严重影响井控安全；无法远程遥控，缺乏应急开关功能等技术问题。通过对平板阀自动化的改进，不仅能有效的解决以上技术问题，提高井控作业的安全性及保障性，还能对推动整个井控作业的全面自动化起到关键性的作用。

中国专利申请公开号CN202010564866.0公开了一种高压管汇远程控制系统，通过远程控制单元和本地闸门的电动执行器实现闸门的远程打开和关闭操作，远程控制单元和阀门执行器分别采用不间断电源和超级电容为控制器和电机执行器提供备用电源，转换开关通过远程控制单元控制，采用互锁的设计。

中国专利申请公开号CN109113639A公开了一种种固井作业用高压管汇远程控制系统，包括远程PLC控制器、液压子系统、以及排布在固井作业用的高压管汇对应控制点位上的至少一个液控旋塞阀和至少一个液控针型阀，该系统通过远程PLC控制器控制液压子系统带动匹配的控制阀门，使固井作业用的高压管汇开启、关闭及泄压操作实现远程控制。

以上技术在一定程度上实现远程控制高压管汇中闸门的动作，但是操作系统在实现对闸门的远程控制方式上存在许多问题，首先控制系统对远程控制、近端控制及手动操作缺乏优先级判断，存在操作冲突或失效的问题，在紧急情况下可能无法规避事故的发生；操作方式不够灵活，缺少对管汇闸门统一控制或单独控制的选择；采用转换开关互锁设计在一定程度上避免了操作人员的失误，却使得的整个系统设计复杂，在突发事故中互锁设计操作繁琐带来的隐患；同时上述技术通过使用超级电容在一定程度上可以维持紧急断电下整个系统的正常工作，但是也大大提高了整个系统的成本，且不能从根本上解决紧急状况、长时间断电带来的整个系统瘫痪的问题；同时整个系统无法实现中央控制室对各个井场的统一监控。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述现有高压管汇远程控制系统中存在的成本高、紧急状况，长时间断电带来的整个系统瘫痪、突发事故中互锁设计操作繁琐带来的隐患以及操作方式不够灵活，缺乏优先级判断，整个系统无法实现中央控制室对各个井场的统一监控等问题，本发明提供一种管汇闸阀远程控制系统，系统中各个模块通过无线AP相互通信连接，使远程上位机或控制柜面板远程操作的同时，PLC实时接收传感器所反馈的数据做出判断，向远程上位机及控制柜发出相应信号，保证了控制结果的安全性、准确性、时效性，此系统也支持进行人工操作，同时各个井场的管汇闸阀远程控制系统通过5G网络与中央控制室进行通信连接，操作人员可在任何情况下通过中央控制室对不同井场进行远程监控，让整个控制系统稳定、安全、可靠。本发明对降低制造成本、提高有效远程遥控、实现安全高效开发，不仅具有重大的科学意义也具有重要的工程应用前景，从而提供了一种管汇闸阀远程控制系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种管汇闸阀远程控制系统，包括远程上位机模块、控制柜模块、执行器模块、传感器模块、锁存器以及用于系统通信连接的无线AP模块；所述控制柜模块内置PLC；所述远程上位机模块通过工业以太网接口连接无线AP模块，与PLC进行通信；所述执行器模块包括电机驱动器和编码器；所述PLC通过CAN总线与电机驱动器进行数据传输；所述编码器在系统断电后反馈闸阀开关位置；所述传感器模块包括管汇闸阀对应点的阀位传感器和液位传感器，以及执行器线路端上的电压传感器；所述阀位传感器、液位传感器和电压传感器通过CAN总线接口连接PLC，将数据上传并储存在PLC存储器中，并通过无线AP模块与远程上位机进行数据传输；所述阀位传感器和液位传感器向PLC控制柜及远程上位机实时反馈管汇闸阀处对应点的阀位及液位；所述电压传感器用作向PLC控制柜及远程上位机实时反馈执行器线路端对应监测点位的电压；各个井场的管汇闸阀远程控制系统通过5G网络与中央控制室进行通信连接，操作人员可在任何情况下通过中央控制室对不同井场进行远程操控。

进一步的，所述电压传感器每间隔0.0001s检测电机驱动器端电压，当电压小于电机驱动器工作电压，系统会向控制柜和远程上位机进行报警，手轮离合器自动与电机驱动器端配合，操作人员可通过手轮对闸阀进行开启或关闭。

进一步的，在闸门关闭到位后，系统判断并控制手轮回转1/4-1/2圈。

进一步的，所述控制柜通过锁存器与远程上位机及执行器端相互反馈执行信号，锁存器保存上一操作单元的操作指令信号，避免同一指令信号重复操作，同时控制柜面板上的指示按钮控制及反馈相对于闸阀的开关状态，所述指示按钮反应工作时为绿色未工作时为红色，与相应闸阀一一对应；所述管汇闸阀，闸阀H1到闸阀H5呈串联排布，操作者可通过T1和T2两种模式对其进行操作；

T1：通过远程上位机或控制柜上一键式自动开启/关闭按钮，一次性开启/关闭一条管道上的所有闸阀；

T2：通过远程上位机或控制柜上闸阀对应指示按钮，依次开启/关闭一条管道上的所有闸阀。

进一步的，所述T1和T2相互影响，通过T2开启/关闭1-5个闸阀，通过T1时则显示选择开启/关闭其余闸阀，以开启/关闭整条管道的流通。

进一步的，系统的操作过程包括以下步骤：

S1：安装调试好管汇闸阀远程控制系统；

S2：实时监测是否出现紧急情况；

S3：当出现紧急情况时，利用远程上位机或控制柜面板控制闸阀开关；

S4：判断远程上位机控制是否有效，若有效，则进入远程上位机操作模式，若无效，进行S5；

S5：判断控制柜控制是否有效，若有效，则进入控制柜面板操作模式，若无效，进行S6；

S6：人工手动控制闸阀。

进一步的，所述S4中远程上位机操作模式包括如下步骤：

S41：远程上位机输入控制指令信息；

S42：控制柜接收到控制指令；

S43：控制柜判断是否在处于控制柜面板操作中，若控制柜判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽远程上位机输入指令信息优先控制柜控制指令，若控制柜判断否，则进入步骤44；

S44：控制指令传输至执行器端；

S45：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤46；

S46：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S5中控制柜面板操作模式包括如下步骤：

S51：控制柜面板输入控制指令信息；

S52：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程控制柜端提示是否强制进行控制柜面板控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤53；

S53：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S6中人为手动操作包括如下步骤：

S61：操作人员通过手轮离合器，将手轮执行器与闸阀相连；

S62：通过手轮执行器控制闸阀开启与关闭。

进一步的，所述远程上位机操作中步骤43控制柜判断方式包括如下步骤：

步骤1：PLC向控制柜反馈工作状态；

步骤2：控制柜接收到控制指令与PLC反馈信息；

步骤3：判断PLC是否处于工作状态，若是，则为控制柜面板操作模式，若否，则未处于控制柜面板操作模式。

进一步的，所述控制柜面板操作中步骤52执行端判断方式包括如下步骤：

步骤1：闸阀处阀位传感器向执行器端反馈阀位值；

步骤2：执行器端接收到控制指令与阀位传感器反馈阀位值；

步骤3：判断阀位传感器反馈阀位值是否在变化，若是，则为人工操作模式，若否，则未处于人工操作模式。

本发明的有益效果：

（1）系统中各个模块通过无线AP相互通信连接，使远程上位机或控制柜面板远程操作的同时，PLC实时接收传感器所反馈的数据做出判断，向远程上位机及控制柜发出相应信号，实现管汇闸阀开启和关闭的远程控制，整个管汇闸阀系统整体结构满足作业稳定性、可行性和可靠性，使得整个远程控制系统能够易于实现最稳定、安全和可靠的前提下完成实际工作要求，这能够有效降低工人劳动强度，减小人为误操作在开、关、切换流动通道时带来的影响与安全隐患，并且能够通过远程控制闸阀开关缩短开关闸阀的时间来直接影响到缩短井控的响应时间。

（2）通过各个模块通过无线AP相互通信连接，使得控制信号能过快速传递，各模块能快速做出反馈，判断控制信号的优先级，避免出现操作失误，重复操作等情况，增强了系统的安全性与保障性，进一步的，本系统会每间隔检测电机驱动器端电压，当电压小于电机驱动器工作电压，系统会向控制柜和远程上位机进行报警，手轮离合器自动与电机驱动器端配合，操作人员可通过手轮对闸阀进行开启或关闭，这样避免紧急状况，长时间断电带来的整个系统瘫痪导致无法开启或关闭闸阀；同时由于存在控制信号的优先级判断，因此整个执行器模块中的机构不会自锁，在一定程度上也反应了本系统的灵活性和可操作性。

（3）操作者可通过两种模式对其进行操作：T1：通过远程上位机或控制柜上一键式自动开启/关闭按钮，一次性开启/关闭一条管道上的所有闸阀；T2：通过远程上位机或控制柜上闸阀对应指示按钮，依次开启/关闭一条管道上的所有闸阀；T1与T2相互影响，通过T2开启/关闭1-5个闸阀，通过T1时则显示选择开启/关闭其余闸阀，以开启/关闭整条管道的流通；以及三种控制模式，包括远程上位机操作模式、控制柜面板操作模式以及人工操作模式，使得整个控制系统的操作方式多样，灵活多变的同时爷相互补充，进而整个系统更加稳定。

（4）中央控制室与各个井场的管汇闸阀远程控制系统通信连接，操作人员可在任何情况下通过中央控制室对不同井场进行远程监控，让整个控制系统稳定、安全、可靠。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理框图。

图2是中央控制模拟图。

图3是管汇闸阀排布模拟图。

图4是系统操作流程图。

图5是远程上位机操作流程图。

图6是控制柜和执行端判断流程图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例中，如图1和图2所示，一种管汇闸阀远程控制系统，包括远程上位机模块、控制柜模块、执行器模块、传感器模块、锁存器以及用于系统通信连接的无线AP模块；所述控制柜模块内置PLC；所述远程上位机通过Modbus TCP协议以工业以太网接口连接无线AP与PLC通信，与PLC进行通信；所述执行器模块包括电机驱动器和编码器；所述PLC通过CAN总线与电机驱动器进行数据传输；所述编码器在系统断电后反馈闸阀开关位置；所述传感器模块包括管汇闸阀对应点的1-4个阀位传感器和液位传感器，以及执行器线路端上的电压传感器；所述阀位传感器、液位传感器和电压传感器通过CAN总线接口连接PLC，将数据上传并储存在PLC存储器中，并通过无线AP模块与远程上位机进行数据传输；所述阀位传感器和液位传感器向PLC控制柜及远程上位机实时反馈管汇闸阀处对应点的阀位及液位，用于闸阀报警及故障检测；所述电压传感器用作向PLC控制柜及远程上位机实时反馈执行器线路端对应监测点位的电压；各个井场的管汇闸阀远程控制系统通过5G网络与中央控制室进行通信连接，操作人员可在任何情况下通过中央控制室对不同井场进行远程操控。

其中，所述电压传感器每间隔0.0001s检测电机驱动器端电压，当电压小于电机驱动器工作电压，系统会向控制柜和远程上位机进行报警，手轮离合器自动与电机驱动器端配合，操作人员可通过手轮对闸阀进行开启或关闭。

其中，在闸门关闭到位后，系统判断并控制手轮回转1/4-1/2圈。

其中，所述控制柜通过锁存器与远程上位机及执行器端相互反馈执行信号，锁存器保存上一操作单元的操作指令信号，避免同一指令信号重复操作，同时控制柜面板上的指示按钮控制及反馈相对于闸阀的开关状态，所述指示按钮反应工作时为绿色未工作时为红色，与相应闸阀一一对应；如图3所示，所述管汇闸阀的闸阀H1到闸阀H5呈串联排布，操作者可通过T1和T2两种模式对其进行操作；

T1：通过远程上位机或控制柜上一键式自动开启/关闭按钮，一次性开启/关闭一条管道上的所有闸阀；

T2：通过远程上位机或控制柜上闸阀对应指示按钮，依次开启/关闭一条管道上的所有闸阀。

其中，所述T1和T2相互影响，通过T2开启/关闭1-5个闸阀，通过T1时则显示选择开启/关闭其余闸阀，以开启/关闭整条管道的流通。

其中，如图4所示，系统的操作过程包括以下步骤：

S1：安装调试好管汇闸阀远程控制系统；

S2：实时监测是否出现紧急情况；

S3：当出现紧急情况时，利用远程上位机或控制柜面板控制闸阀开关；

S4：判断远程上位机控制是否有效，若有效，则进入远程上位机操作模式，若无效，进行S5；

S5：判断控制柜控制是否有效，若有效，则进入控制柜面板操作模式，若无效，进行S6；

S6：人工手动控制闸阀。

其中，如图5所示，所述S4中远程上位机操作模式包括如下步骤：

S41：远程上位机输入控制指令信息；

S42：控制柜接收到控制指令；

S43：控制柜判断是否在处于控制柜面板操作中，若控制柜判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽远程上位机输入指令信息优先控制柜控制指令，若控制柜判断否，则进入步骤44；

S44：控制指令传输至执行器端；

S45：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤46；

S46：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S5中控制柜面板操作模式包括如下步骤：

S51：控制柜面板输入控制指令信息；

S52：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程控制柜端提示是否强制进行控制柜面板控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤53；

S53：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S6中人为手动操作包括如下步骤：

S61：操作人员通过手轮离合器，将手轮执行器与闸阀相连；

S62：通过手轮执行器控制闸阀开启与关闭。

其中，如图6所示，所述远程上位机操作中步骤43控制柜判断方式包括如下步骤：

步骤1：PLC向控制柜反馈工作状态；

步骤2：控制柜接收到控制指令与PLC反馈信息；

步骤3：判断PLC是否处于工作状态，若是，则为控制柜面板操作模式，若否，则未处于控制柜面板操作模式；

所述控制柜面板操作中步骤52执行端判断方式包括如下步骤：

步骤1：闸阀处阀位传感器向执行器端反馈阀位值；

步骤2：执行器端接收到控制指令与阀位传感器反馈阀位值；

步骤3：判断阀位传感器反馈阀位值是否在变化，若是，则为人工操作模式，若否，则未处于人工操作模式。

为保障本发明在远程上位机及控制柜面板出现故障时的稳定性，因为本系统有控制优先级判断，整个执行器模块中的机构在任何情况下不会自锁，手轮离合器可直接通过人为手动与电机驱动器端配合，操作人员可通过手轮对闸阀进行开启或关闭。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，包括远程上位机模块、控制柜模块、执行器模块、传感器模块、锁存器以及用于系统通信连接的无线AP模块；所述控制柜模块内置PLC；所述远程上位机模块通过工业以太网接口连接无线AP模块，与PLC进行通信；所述执行器模块包括电机驱动器和编码器；所述PLC通过CAN总线与电机驱动器进行数据传输；所述编码器在系统断电后反馈闸阀开关位置；所述传感器模块包括管汇闸阀对应点的阀位传感器和液位传感器，以及执行器线路端上的电压传感器；所述阀位传感器、液位传感器和电压传感器通过CAN总线接口连接PLC，将数据上传并储存在PLC存储器中，并通过无线AP模块与远程上位机进行数据传输；所述阀位传感器和液位传感器向PLC控制柜及远程上位机实时反馈管汇闸阀处对应点的阀位及液位；所述电压传感器用作向PLC控制柜及远程上位机实时反馈执行器线路端对应监测点位的电压；各个井场的管汇闸阀远程控制系统通过5G网络与中央控制室进行通信连接，操作人员可在任何情况下通过中央控制室对不同井场进行远程操控。

2.根据权利要求1所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述电压传感器每间隔0.0001s检测电机驱动器端电压，当电压小于电机驱动器工作电压，系统会向控制柜和远程上位机进行报警，手轮离合器自动与电机驱动器端配合，操作人员可通过手轮对闸阀进行开启或关闭。

3.根据权利要求1所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，在闸门关闭到位后，系统判断并控制手轮回转1/4-1/2圈。

4.根据权利要求1所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述控制柜通过锁存器与远程上位机及执行器端相互反馈执行信号，锁存器保存上一操作单元的操作指令信号，避免同一指令信号重复操作，同时控制柜面板上的指示按钮控制及反馈相对于闸阀的开关状态，所述指示按钮反应工作时为绿色未工作时为红色，与相应闸阀一一对应；所述管汇闸阀，闸阀H1到闸阀H5呈串联排布，操作者可通过T1和T2两种模式对其进行操作；

T1：通过远程上位机或控制柜上一键式自动开启/关闭按钮，一次性开启/关闭一条管道上的所有闸阀；

T2：通过远程上位机或控制柜上闸阀对应指示按钮，依次开启/关闭一条管道上的所有闸阀。

5.根据权利要求4所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述T1和T2相互影响，通过T2开启/关闭1-5个闸阀，通过T1时则显示选择开启/关闭其余闸阀，以开启/关闭整条管道的流通。

6.根据权利要求1所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，系统的操作过程包括以下步骤：

S1：安装调试好管汇闸阀远程控制系统；

S2：实时监测是否出现紧急情况；

S3：当出现紧急情况时，利用远程上位机或控制柜面板控制闸阀开关；

S4：判断远程上位机控制是否有效，若有效，则进入远程上位机操作模式，若无效，进行S5；

S5：判断控制柜控制是否有效，若有效，则进入控制柜面板操作模式，若无效，进行S6；

S6：人工手动控制闸阀。

7.根据权利要求6所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述S4中远程上位机操作模式包括如下步骤：

S41：远程上位机输入控制指令信息；

S42：控制柜接收到控制指令；

S43：控制柜判断是否在处于控制柜面板操作中，若控制柜判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽远程上位机输入指令信息优先控制柜控制指令，若控制柜判断否，则进入步骤44；

S44：控制指令传输至执行器端；

S45：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程上位机端提示是否强制进行远程上位机控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤46；

S46：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S5中控制柜面板操作模式包括如下步骤：

S51：控制柜面板输入控制指令信息；

S52：执行器端判断是否处于人工操作中，若执行器端判断是，远程控制柜端提示是否强制进行控制柜面板控制，若选择是，则直接将控制指令传输至执行器端，并强制执行相应动作，若选择否，则屏蔽所有指令信息优先人工操作，若执行器端判断否，则进入步骤53；

S53：执行器接受控制指令并执行相应动作；

所述S6中人为手动操作包括如下步骤：

S61：操作人员通过手轮离合器，将手轮执行器与闸阀相连；

S62：通过手轮执行器控制闸阀开启与关闭。

8.根据权利要求7所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述远程上位机操作中步骤43控制柜判断方式包括如下步骤：

步骤1：PLC向控制柜反馈工作状态；

步骤2：控制柜接收到控制指令与PLC反馈信息；

步骤3：判断PLC是否处于工作状态，若是，则为控制柜面板操作模式，若否，则未处于控制柜面板操作模式。

9.根据权利要求7所述的一种管汇闸阀远程控制系统，其特征在于，所述控制柜面板操作中步骤52执行端判断方式包括如下步骤：

步骤1：闸阀处阀位传感器向执行器端反馈阀位值；

步骤2：执行器端接收到控制指令与阀位传感器反馈阀位值；

步骤3：判断阀位传感器反馈阀位值是否在变化，若是，则为人工操作模式，若否，则未处于人工操作模式。

Images