CN113992710B - 一种连续油管设备分布式控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续油管设备分布式控制系统及控制方法，属于油气设备技术领域。连续油管设备分布式控制系统包括主设备控制系统、滚筒控制系统和注入头控制系统，主设备控制系统包括主设备控制器、主设备工控机、主设备交换机和主设备无线装置，滚筒控制系统包括滚筒控制器、滚筒交换机和滚筒无线装置，注入头控制系统包括注入头控制器、注入头交换机和注入头无线装置，主设备交换机适于分别与滚筒交换机、注入头交换机通过UDP通讯连接，或/和，主设备控制器适于通过CAN总线分别与滚筒控制器、注入头控制器通讯连接。减少通讯电缆卷筒的数量，解决运输及存放通讯电缆的问题。

Description

一种连续油管设备分布式控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及油气设备技术领域，具体而言，涉及一种连续油管设备分布式控制系统及控制方法。

背景技术

现阶段，连续油管设备作业时均需使用油管滚筒、注入头配合作业，主设备需实时采集油管滚筒、注入头关键参数。由于各大部件与主设备之间摆放位置不固定，需使用大量的通讯电缆对各部件进行信号采集并控制，在连接信号电缆时，数量过多，极容易出错，损坏率高，并且运输占用大量的空间，浪费人力、物力。

发明内容

本发明旨在解决上述技术问题中的至少一个方面。

为解决上述问题，本发明提供了一种连续油管设备分布式控制系统，包括：

主设备控制系统，所述主设备控制系统包括主设备控制器、主设备工控机、主设备交换机和主设备无线装置，所述主设备控制器、所述主设备工控机以及所述主设备无线装置分别与所述主设备交换机连接；

滚筒控制系统，所述滚筒控制系统包括滚筒控制器、滚筒交换机和滚筒无线装置，所述滚筒控制器以及所述滚筒无线装置分别与所述滚筒交换机连接；以及

注入头控制系统，所述注入头控制系统包括注入头控制器、注入头交换机和注入头无线装置，所述注入头控制器以及所述注入头无线装置分别与所述注入头交换机连接；

其中，所述主设备交换机适于分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机通过UDP通讯连接，所述主设备控制器适于通过CAN总线分别与所述滚筒控制器、所述注入头控制器通讯连接。

本发明提供的一种连续油管设备分布控制系统，相较于现有技术，具有但不局限于以下有益效果：

连续油管设备的主设备、滚筒以及注入头各自配有一套控制系统，可以完成对各自位置的相关数据采集，并可由各自位置的工作人员完成相应的控制操作。同时，由于主设备交换机连接有主设备无线装置，滚筒交换机连接有滚筒无线装置，注入头交换机连接有注入头无线装置，可以实现主设备交换机与滚筒交换机的无线UDP通讯连接，实现主设备交换机与注入头交换机的无线UDP通讯连接，进而使得滚筒控制器采集到的数据以及注入头控制器采集到的数据可以通过相应的交换机经由无线传输至主设备交换机上，最终传输至主设备控制器，主设备控制器可以将接收到的各位置的数据通过主设备交换机呈现在主设备工控机上，便于主设备的操作人员查看，并可通过主设备工控机下达控制指令给主设备控制器以及通过无线的方式传递给滚筒控制器和注入头控制器，如此，不需使用大量的通讯电缆对各部件进行信号采集并控制，也能减小空间占用，安全性更好，节省人力、物力。

另外，主设备控制器、滚筒控制器以及注入头控制器上还可以分别具有CAN接口，如此，除了无线通讯的模式之外，主设备控制器可以通过CAN总线分别与滚筒控制器以及注入头控制器通讯连接，CAN总线可为该分布式控制系统中的主设备控制器、滚筒控制器以及注入头控制器之间实时、可靠的通讯数据提供强有力的技术支持。并且CAN总线通讯模式可与UDP无线通讯模式构成冗余结构，提高了该分部式控制系统的可靠性和灵活性；

另外，可以禁用主设备交换机与主设备无线装置的连接第一以太网端口，然后通过主设备交换机、滚筒交换机、注入头交换机上预留的第二以太网端口实现主设备交换机分别与滚筒交换机、注入头交换机的有线UDP通讯连接，选择性更加多样。

进一步地，所述主设备控制系统还包括主设备摄像装置，所述主设备摄像装置与所述主设备交换机连接，所述滚筒控制系统还包括滚筒摄像装置，所述滚筒摄像装置与所述滚筒交换机连接，所述注入头控制系统还包括注入头摄像装置，所述注入头摄像装置与所述注入头交换机连接。

进一步地，所述主设备摄像装置包括刻录机，所述滚筒摄像装置和所述注入头摄像装置分别包括摄像头。

进一步地，所述主设备交换机、所述滚筒交换机和所述注入头交换机均设置有第一以太网端口和第二以太网端口，所述主设备无线装置适于通过网线与所述主设备交换机的所述第一以太网端口连接，所述滚筒无线装置适于通过网线与所述滚筒交换机的第一以太网端口连接，所述注入头无线装置适于通过网线与所述注入头交换机的第一以太网端口连接，所述主设备交换机的所述第二以太网端口适于通过网线分别与所述滚筒交换机和所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接。

进一步地，所述主设备控制系统包括主设备显示器，所述主设备显示器与所述主设备摄像装置连接。

进一步地，所述滚筒控制系统还包括滚筒显示器，所述滚筒显示器与所述滚筒摄像装置连接；或/和，所述注入头控制系统还包括注入头显示器，所述注入头显示器与所述注入头摄像装置连接。

进一步地，所述滚筒控制系统还包括分别与所述主设备控制器连接的第一传感器、第二传感器和流量计，所述第一传感器用于检测油管内循环压力，所述第二传感器用于检测滚筒处的油管升降速度，所述流量计用于检测油管内瞬时流量和累计流量。

进一步地，所述注入头控制系统还包括分别与所述注入头控制器连接的第三传感器、第四传感器和第五传感器，所述第三传感器用于检测油管载荷，所述第四传感器用于检测井口压力，所述第五传感器用于检测注入头处的油管升降速度。

本发明还提供一种连续油管设备分布式控制系统的控制方法，基于如前所述的连续油管设备分布式控制系统，包括：

通过对主设备交换机的第一以太网端口和第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯。

进一步地，所述通过对主设备交换机的第一以太网端口和所述第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯，包括：

禁用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，启用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机进行无线UDP通讯连接；

启用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，禁用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机的所述第二以太网端口分别通过网线与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机有线UDP通讯连接。

附图说明

图1为本发明实施例的连续油管设备分布式控制系统示意性结构图。

附图标记说明：

1-主设备控制系统，2-滚筒控制系统，3-注入头控制系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例的一种连续油管设备分布式控制系统，包括：

主设备控制系统1，所述主设备控制系统1包括主设备控制器、主设备工控机、主设备交换机、主设备无线装置，所述主设备控制器、所述主设备工控机以及所述主设备无线装置分别与所述主设备交换机连接；

滚筒控制系统2，所述滚筒控制系统2包括滚筒控制器、滚筒交换机和滚筒无线装置，所述滚筒控制器以及所述滚筒无线装置分别与所述滚筒交换机连接；以及

注入头控制系统3，所述注入头控制系统3包括注入头控制器、注入头交换机和注入头无线装置，所述注入头控制器以及所述注入头无线装置分别与所述注入头交换机连接；

其中，所述主设备交换机适于分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机通过UDP(User Datagram Protocol，用户数据报协议)通讯连接，所述主设备控制器适于通过CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线分别与所述滚筒控制器、所述注入头控制器通讯连接。

本实施例中，连续油管设备的主设备、滚筒以及注入头各自配有一套控制系统，可以完成对各自位置的相关数据采集，并可由各自位置的工作人员完成相应的控制操作。同时，由于主设备交换机连接有主设备无线装置，滚筒交换机连接有滚筒无线装置，注入头交换机连接有注入头无线装置，实现主设备交换机与滚筒交换机的无线UDP通讯连接，实现主设备交换机与注入头交换机的无线UDP通讯连接，进而使得滚筒控制器采集到的数据以及注入头控制器采集到的数据可以通过相应的交换机经由无线传输至主设备交换机上，最终传输至主设备控制器，主设备控制器可以将接收到的各位置的数据通过主设备交换机呈现在主设备工控机上，便于主设备的操作人员查看，并可通过主设备工控机下达控制指令给主设备控制器以及通过无线的方式传递给滚筒控制器和注入头控制器，如此，不需使用大量的通讯电缆对各部件进行信号采集并控制，也能减小空间占用，安全性更好，节省人力、物力。

另外，主设备控制器、滚筒控制器以及注入头控制器上还可以分别具有CAN接口，如此，除了无线通讯的模式之外，主设备控制器可以通过CAN总线分别与滚筒控制器以及注入头控制器通讯连接，CAN总线可为该分布式控制系统中的主设备控制器、滚筒控制器以及注入头控制器之间实时、可靠的通讯数据提供强有力的技术支持。

另外，可以禁用主设备交换机与主设备无线装置的连接第一以太网端口，然后通过主设备交换机、滚筒交换机、注入头交换机上预留的第二以太网端口实现主设备交换机分别与滚筒交换机、注入头交换机的有线UDP通讯连接，选择性更加多样。

其中，CAN协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的控制器同时接收到相同的数据，具体地，为滚筒控制器、注入头控制器采集的数据分别编制CAN ID，利用静态结构通讯模式(通信双方的应用程序只需处理自己的接收和发送缓冲区，待发送的数据填入发送缓冲区，需要的数据直接从接收缓冲区读取，由另外一个宏观上并行的通信处理程序负责将双方的缓冲区进行数据同)主设备控制器通过CAN ID识别内容，解析CAN报文数据，这些特点使得CAN总线构成的网络中各控制器之间的数据通信实时性更强。并且CAN总线通讯模式可与UDP无线通讯模式构成冗余结构，提高了该分部式控制系统的可靠性和灵活性。

可选地，所述主设备控制系统1还包括主设备摄像装置，所述主设备摄像装置与所述主设备交换机连接，所述滚筒控制系统还包括滚筒摄像装置，所述滚筒摄像装置与所述滚筒交换机连接，所述注入头控制系统还包括注入头摄像装置，所述注入头摄像装置与所述注入头交换机连接。

这里，可以通过主设备摄像装置是对主设备区域进行音频采集，滚筒摄像装置可以对滚筒区域进行音频采集，注入头摄像装置可以对注入头区域进行音频采集，注入头摄像装置采集的数据可以通过注入头交换机经由UDP无线的方式传输至主设备交换机，最终传输至主设备摄像装置，滚筒摄像装置采集的数据可以通过滚筒交换机经由UDP无线的方式传输至主设备交换机，最终传输至主设备摄像装置。

可选地，所述主设备摄像装置包括刻录机，所述滚筒摄像装置和所述注入头摄像装置分别为摄像头。

这里，主设备摄像装置包括刻录机，参见图1，其为摄像主机，可通过无线方式接收注入头区域的摄像头以及滚筒处的摄像头传输的数据。

可选地，所述主设备交换机、所述滚筒交换机和所述注入头交换机均设置有第一以太网端口和第二以太网端口，所述主设备无线装置适于通过网线与所述主设备交换机的所述第一以太网端口连接，所述滚筒无线装置适于通过网线与所述滚筒交换机的第一以太网端口连接，所述注入头无线装置适于通过网线与所述注入头交换机的第一以太网端口连接，所述主设备交换机的所述第二以太网端口适于通过网线分别与所述滚筒交换机和所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接。

这里，主设备交换机除了可以通过无线UDP通讯方式与滚筒交换机以及注入头交换机连接之外，因各交换机上第二以太网端口的设置，主设备交换机还可以通过网线分别与滚筒交换机以及注入头交换机有线UDP通讯连接，选择性更多。

其中，可以利用对交换机网口管理的方式对其进行控制，禁用及启用交换机端口已达到交换机之间有线UDP通讯与无线UDP通讯之间的切换，保证互不干扰。

可选地，所述滚筒控制系统2还包括滚筒工控机，所述滚筒工控机与所述滚筒交换机连接。

这里，滚筒工控机可以接受滚筒控制器采集到的数据，并可以由滚筒工控机实现对滚筒控制器下达相关控制指令。

可选地，所述注入头控制系统3还包括注入头工控机，所述注入头工控机与所述注入头交换机连接。

这里，注入头工控机可以接受注入头控制器采集到的数据，并可以由注入头工控机实现对注入头控制器下达相关控制指令。

可选地，所述主设备控制系统1包括主设备显示器，所述主设备显示器与所述主设备摄像装置连接。

这里，主设备显示器具体与身为摄像主机的刻录机连接，可以将滚筒处的摄像头以及注入头处的摄像头采集的音频通过主设备显示器显示。

这里，主设备摄像装置除了包括刻录机外，还可以包括一个摄像头。

可选地，所述滚筒控制系统2还包括滚筒显示器，所述滚筒显示器与所述滚筒摄像装置连接；或/和，所述注入头控制系统3还包括注入头显示器，所述注入头显示器与所述注入头摄像装置连接。

这里，可以在滚筒处以及注入头处分别设置一个显示器，用于显示各自区域处的摄像头采集的音频。

可选地，所述滚筒控制系统2还包括分别与所述主设备控制器连接的第一传感器、第二传感器和流量计，所述第一传感器用于检测油管内循环压力，所述第二传感器用于检测滚筒处的油管升降速度，所述流量计用于检测油管内瞬时流量和累计流量。

这里，第一传感器可以是压力传感器，用于检连续油管内液体压力(简称为“循环压力”)，第一传感器可以安装在滚筒上，例如，安装在滚筒的高压管汇上。

第二传感器可以是安装在滚筒上的滚筒编码器，具体地，滚筒编码器可以安装在滚筒的排管气头上，滚筒编码器用于检测滚筒处的连续油管的实时入井深度数值和实时升降速度(上升速度即为出井速度，下降速度即为入井速度)。

可选地，所述注入头控制系统3还包括分别与所述注入头控制器连接的第三传感器、第四传感器和第五传感器，所述第三传感器用于检测油管载荷，所述第四传感器用于检测井口压力，所述第五传感器用于检测注入头处的油管升降速度。

这里，第三传感器可以是载荷传感器，检测的油管载荷主要检测计算油管对注入头产生的压向及拉拔的重量，并在预定时间内判断重量波动，分析在下注或上提时油管在井下是否遇卡。下管时理论载荷传感器显示数值应越来越大，突然载荷传感器显示器数值变小，表明油管遇阻。提管时载荷传感器显示数值应越来越小，突然载荷传感器显示器数值变小，表明油管遇卡。根据两种工况做载荷过载报警提示。

第四传感器可以是测量井口与连续油管之间的环空压力(简称为“井口压力”)的压力传感器，该压力传感器可以安装在防喷器上。

第五传感器可以是注入头编码器，注入头编码器不仅可以检测连续油管的实时入井深度数值还可以检测连续油管的实时升降速度数值。通常情况下，滚筒处的连续油管的实时入井深度数值和实时升降速度基本等于注入头处的连续油管的实时入井深度数值和实时升降速度，当滚筒编码器和注入头编码器出现速度差时，主设备控制器判断为油管打滑，自动控制降速并调节张紧压力和夹紧压力。

这里，主设备无线装置作为无线基站(类似于服务器)，注入头无线装置和滚筒无线装置作为移动终端，利用主设备无线基站与注入头、油管滚筒无线移动终端(客户端)进行无线网络桥接，无线基站可采用先进的MESH基站技术，提供厘米级的检测精度和毫秒级的响应速度，具备自诊断功能，实时诊断分析检测无线通讯模式在作业过程中的安全隐患，并第一时间通过主设备工控机将通讯异常进行预警及提示。

本发明另一实施例还提供一种连续油管设备分布式控制系统的控制方法，基于如前所述的连续油管设备分布式控制系统，包括：

通过对主设备交换机的第一以太网端口和第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯。

可选地，所述通过对主设备交换机的第一以太网端口和所述第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯，包括：

禁用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，启用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机进行无线UDP通讯连接；

启用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，禁用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机的所述第二以太网端口分别通过网线与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机有线UDP通讯连接。

这里，通过对交换机网口发送启用或禁用指令，以此实现各交换机之间有线和无线的切换，选择性多样。

其中，单独就主设备控制系统1、滚筒控制系统2和注入头控制系统3而言，主设备控制系统1分别与滚筒控制系统2和注入头控制系统3无线连接指的是：主设备控制器与滚筒控制器之间没有连接CAN总线，主设备控制器与注入头控制器之间没有连接CAN总线，主设备交换机的第二以太网端口禁用、第一以太网端口启用，主设备交换机分别与滚筒交换机以及注入头交换机通过无线UDP通讯连接，如此，构成了主设备控制系统1分别与滚筒控制系统2和注入头控制系统3的无线连接。

主设备控制系统1分别与滚筒控制系统2和注入头控制系统3有线连接指的是：主设备控制器的CAN接口与滚筒控制器的CAN接口之间连接CAN总线，主设备控制器的CAN接口与注入头控制器的CAN接口之间连接CAN总线，主设备交换机的第一以太网端口禁用、第二以太网端口启用，主设备交换机的第二以太网端口与滚筒交换机的第二以太网端口进行有线UDP通讯连接，主设备交换机的第二以太网端口与注入头交换机的第二以太网端口进行有线UDP通讯连接，如此，构成主设备控制系统1分别与滚筒控制系统2和注入头控制系统3的有线连接。

术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，包括：

主设备控制系统(1)，所述主设备控制系统(1)包括主设备控制器、主设备工控机、主设备交换机和主设备无线装置，所述主设备控制器、所述主设备工控机以及所述主设备无线装置分别与所述主设备交换机连接；

滚筒控制系统(2)，所述滚筒控制系统(2)包括滚筒控制器、滚筒交换机和滚筒无线装置，所述滚筒控制器以及所述滚筒无线装置分别与所述滚筒交换机连接；以及

注入头控制系统(3)，所述注入头控制系统(3)包括注入头控制器、注入头交换机和注入头无线装置，所述注入头控制器以及所述注入头无线装置分别与所述注入头交换机连接；

其中，所述主设备交换机适于分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机通过UDP通讯连接，或/和，所述主设备控制器适于通过CAN总线分别与所述滚筒控制器、所述注入头控制器通讯连接。

2.根据权利要求1所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述主设备控制系统(1)还包括主设备摄像装置，所述主设备摄像装置与所述主设备交换机连接，所述滚筒控制系统(2)还包括滚筒摄像装置，所述滚筒摄像装置与所述滚筒交换机连接，所述注入头控制系统(3)还包括注入头摄像装置，所述注入头摄像装置与所述注入头交换机连接。

3.根据权利要求2所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述主设备摄像装置包括刻录机，所述滚筒摄像装置和所述注入头摄像装置分别包括摄像头。

4.根据权利要求1所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述主设备交换机、所述滚筒交换机和所述注入头交换机均设置有第一以太网端口和第二以太网端口，所述主设备无线装置适于通过网线与所述主设备交换机的所述第一以太网端口连接，所述滚筒无线装置适于通过网线与所述滚筒交换机的第一以太网端口连接，所述注入头无线装置适于通过网线与所述注入头交换机的第一以太网端口连接，所述主设备交换机的所述第二以太网端口适于通过网线分别与所述滚筒交换机和所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接。

5.根据权利要求2所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述主设备控制系统(1)包括主设备显示器，所述主设备显示器与所述主设备摄像装置连接。

6.根据权利要求2所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述滚筒控制系统(2)还包括滚筒显示器，所述滚筒显示器与所述滚筒摄像装置连接；或/和，所述注入头控制系统(3)还包括注入头显示器，所述注入头显示器与所述注入头摄像装置连接。

7.根据权利要求1所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述滚筒控制系统(2)还包括分别与所述主设备控制器连接的第一传感器、第二传感器和流量计，所述第一传感器用于检测油管内循环压力，所述第二传感器用于检测滚筒处的油管升降速度，所述流量计用于检测油管内瞬时流量和累计流量。

8.根据权利要求1所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，所述注入头控制系统(3)还包括分别与所述注入头控制器连接的第三传感器、第四传感器和第五传感器，所述第三传感器用于检测油管载荷，所述第四传感器用于检测井口压力，所述第五传感器用于检测注入头处的油管升降速度。

9.一种连续油管设备分布式控制系统的控制方法，基于如权利要求1至8任一项所述的连续油管设备分布式控制系统，其特征在于，包括：

通过对主设备交换机的第一以太网端口和第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯。

10.根据权利要求9所述的连续油管设备分布式控制系统的控制方法，其特征在于，所述通过对主设备交换机的第一以太网端口和第二以太网端口进行控制，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机进行有线UDP通讯或无线UDP通讯，包括：

禁用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，启用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机进行无线UDP通讯连接；

启用所述主设备交换机的所述第二以太网端口，禁用所述主设备交换机的所述第一以太网端口，将所述主设备交换机的所述第二以太网端口分别通过网线与所述滚筒交换机以及所述注入头交换机的所述第二以太网端口连接，以使所述主设备交换机分别与所述滚筒交换机、所述注入头交换机有线UDP通讯连接。