CN207296972U - 用于海洋油气生产的水下电子模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于海洋油气生产的水下电子模块，包括：电子舱体，为一承压密封舱体，用于放置及密封所有电子设备；电接头，安装在电子舱体底部，用于给电子舱体内电子设备与舱外电子设备的连接提供接口；支架，置于电子舱体内部，用于固定所有电路板以及提供散热功能；电子功能模块，安装于支架上，用于提供水下电子模块的数据采集、指令接收及执行和通信功能；电源模块，置于支架上，用于给电子功能模块提供工作电源；变压器，固定于支架上，用于对供电电压进行降压，同时提供变压与电气隔离的作用。本实用新型提出的用于海洋油气生产的水下电子模块，满足了海洋环境中对设备的高压、高寿命的要求。

Description

用于海洋油气生产的水下电子模块

技术领域

本实用新型涉及油气开发技术领域，尤其涉及一种用于海洋油气生产的水下电子模块。

背景技术

水下生产系统的油气开发需要通过水下控制系统来完成监测控制，而水下控制模块是水下控制系统的核心设备，其安装于水下采油树或水下管汇之上。现行的主流水下控制系统的控制方式是复合电液控制，其特点是水下控制模块中含有水下电子模块和液压功能模块。

水下电子模块是复合电液控制系统中的核心设备，内部包含一些电子模块来执行某些专用功能，例如控制电液换向阀DCV（directional control valve）以及采集温度、压力、流量等生产数据。根据海洋油气生产需求，水下电子模块需要在海底稳定运行20年以上，对系统的可靠性要求严格。目前，国内能够满足海洋油气生产要求的水下电子模块产品还处在研制阶段。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于海洋油气生产的水下电子模块，旨在满足海洋环境中对设备的高压、高寿命的要求。

为实现上述目的，本实用新型提供一种用于海洋油气生产的水下电子模块，包括：

电子舱体，为一承压密封舱体，用于放置及密封所有电子设备；

电接头，安装在所述电子舱体底部，用于给电子舱体内电子设备与舱外电子设备的连接提供接口；

支架，置于所述电子舱体内部，用于固定所有电路板以及提供散热功能；

电子功能模块，安装于所述支架上，用于提供水下电子模块的数据采集、指令接收及执行和通信功能；

电源模块，置于所述支架上，用于给电子功能模块提供工作电源；

变压器，固定于所述支架上，用于对供电电压进行降压，同时提供变压与电气隔离的作用。

优选地，所述电子舱体包括筒体以及固定于筒体两端的上端盖和下端盖，上端盖和下端盖通过螺栓与筒体连接并通过密封圈密封，电接头安装于下端盖上，上端盖上设有吊装孔、充填接口以及用于与水下控制模块芯轴支架固定的螺纹孔，下端盖上设有泄放接口。

优选地，所述充填接口和泄放接口上均安装有单向阀门。

优选地，所述支架包括相对设置的顶板和底板、连接顶板和底板的两挡板以及连接两挡板的电子模块支撑板，所述电子功能模块安装于电子模块支撑板上，底板上设有用于与下端盖连接的供螺栓穿过的通孔。

优选地，所述底板上固定有用于容纳变压器的变压器保护罩，该变压器保护罩上设有穿越孔。

优选地，所述上端盖内侧设有定位槽，顶板上设有与定位槽适配的定位销。

优选地，所述电子模块支撑板设置有多块，电子模块支撑板横向或倾斜设置。

优选地，所述电子功能模块包括：

CPU模块，用于水下电子模块的指令控制、操作控制以及数据处理；

串口模块，用于提供标准接口以与外部传感器实现通信；

电磁阀驱动模块，用于提供电液换向阀驱动信号；

模拟量模块，用于采集模拟量信号并与水下电子模块内外部模拟传感器连接；

通信模块，用于提供水下电子模块与水上设备的通信；

电源模块，用于对CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块进行供电；

所述通信模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块、电源模块和串口模块均与CPU模块连接。

优选地，所述电源模块包括：

整流单元，用于将水上提供的交流电源整流成直流电源；

滤波单元，用于将所述整流单元整流后的直流电源进行滤波，提供高质量直流电源；

变压单元，用于将所述滤波单元滤波后的直流电源转换成不同电压等级的低压直流电源，给CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块供电；

所述整流单元、滤波单元和变压单元依次连接。

本实用新型提出的水下电子模块，将支架放置于电子舱体中，电子功能模块安装于支架上，其具有体积小、功耗低、安全稳定、使用寿命长、结构简单的优点，满足了海洋环境中对设备的高压、高寿命的要求。

附图说明

图1为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块的剖视结构示意图；

图2为图1所示的A处的放大结构示意图；

图3为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中上端盖的结构示意图；

图4为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中下端盖的结构示意图；

图5为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中支架的结构示意图；

图6为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中顶板的结构示意图；

图7为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中底板的结构示意图；

图8为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块中支架在B－B方向的剖视结构示意图；

图9为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块第一实施例中电子功能模块的架构框图；

图10为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块第二实施例中电子功能模块的架构框图；

图11为本实用新型用于海洋油气生产的水下电子模块第三实施例中电子功能模块的架构框图。

图中，1-筒体，2-上端盖，3-下端盖，4-支架，5-电接头，6-螺栓，7-密封圈，8-螺纹孔，9-吊装孔，10-充填接口，11-泄放接口，12-顶板，13-挡板，14-底板，15-定位销，16-电子模块支撑板，17-变压器保护罩，18-穿越孔，19-通孔。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1至图8，一种用于海洋油气生产的水下电子模块，包括：

电子舱体，为一承压密封舱体，用于放置及密封所有电子设备；

电接头5，安装在电子舱体底部，用于给电子舱体内电子设备与舱外电子设备的连接提供接口；

支架4，置于电子舱体内部，用于固定所有电路板以及提供散热功能；

电子功能模块，安装于支架4上，用于提供水下电子模块的数据采集、指令接收及执行和通信功能；

电源模块，置于支架4上，用于给电子功能模块提供工作电源；

变压器，固定于支架4上，用于对供电电压进行降压，同时提供变压与电气隔离的作用。

水下电子模块无风扇设计，采用铝合金制成的支架以及外壳散热。电子舱体内充满一个大气压的氮气，用于防潮与防氧化，保护电子舱体内电子元器件，提高水下电子模块的使用寿命和可靠性。

具体地，电子舱体包括筒体1以及固定于筒体1两端的上端盖2和下端盖3，上端盖2和下端盖3通过螺栓6与筒体1连接并通过密封圈7（橡胶O型圈）密封，电子舱体承受外部液体压力达到35MPa，适用于水深不超过3000米的深水环境。电接头5安装于下端盖3上，上端盖2上设有吊装孔9（用于水下电子模块安装、拆卸时吊装使用）、充填接口10（用于向电子舱体中充装氮气）以及用于与水下控制模块芯轴支架固定的螺纹孔8，下端盖3上设有泄放接口11。充填接口10和泄放接口11上均安装有单向阀。上端盖2外围一周均匀分布6个（不局限6个）螺栓6，用于连接上端盖2与筒体1。

结合参照图5至图8，支架4包括相对设置的顶板12和底板14、连接顶板12和底板14的两挡板13以及连接两挡板13的电子模块支撑板16，电子功能模块安装于电子模块支撑板16上，底板14上设有用于与下端盖3连接的供螺栓穿过的通孔19。底板14上固定有用于容纳变压器的变压器保护罩17，该变压器保护罩17上设有穿越孔18。通过变压器保护罩17上设置的穿越孔18实现电气穿越。上端盖2内侧设有定位槽，顶板12上设有与定位槽适配的定位销15。顶板12与底板14设计有两个矩形缺口，用于电线、电缆的穿越使用。挡板13与顶板12以及底板14之间通过螺栓连接（或焊接）

进一步地，电子模块支撑板16设置有多块，电子模块支撑板16横向或倾斜设置。每一电子模块支撑板16上放置一块电路板。

具体地，电子功能模块包括：

CPU模块，用于水下电子模块的指令控制、操作控制以及数据处理；

串口模块，用于提供标准接口（RS422/RS485接口）以与外部传感器实现通信；

电磁阀驱动模块，用于提供电液换向阀驱动信号；

模拟量模块，用于采集模拟量信号并与水下电子模块内外部模拟传感器连接；

通信模块，用于提供水下电子模块与水上设备的通信；

电源模块，用于对CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块进行供电；

通信模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块、电源模块和串口模块均与CPU模块连接。

电源模块采用分体设计，并贴壁安装，以增强电源模块的散热性能。CPU模块运行QNX、VxWorks或Linux嵌入式操作系统，具有高安全可靠性和实时性，保证水下电子模块稳定运行。电源模块安装在左侧或右侧的挡板13上。CPU模块安放在最上面的电子模块支撑板16上，其余电子功能模块分别安装在不同电子模块支撑板16上；最上面的电子模块支撑板16水平安装在支架4上，其余电子模块支撑板16与水平呈60°（不局限于60°）安装在挡板13上；电子模块支撑板16与挡板13之间通过螺栓6连接。CPU模块与电磁阀驱动模块、串口模块以及模拟量模块之间采用Profibus-DP总线形式连接。

具体地，电源模块包括：

整流单元，用于将水上提供的交流电源整流成直流电源；

滤波单元，用于将整流单元整流后的直流电源进行滤波，提供高质量直流电源；

变压单元，用于将滤波单元滤波后的直流电源转换成不同电压等级的低压直流电源，给CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块供电；

整流单元、滤波单元和变压单元依次连接。

电子功能模块的工作过程为：串口模块与水下生产通道上传感器连接，采集温度、压力数值；模拟量模块与液压通道上传感器连接，采集压力数值，并将采集到的数值信息传输到CPU模块，可以进行存储，同时可以通过通信模块将采集的数值信息传输到水上的主控站。电子功能模块可以通过通信模块与水上建立通信连接，接收水上控制系统发出的指令，并通过电磁阀驱动模块发出驱动信号，控制电液换向阀的换向，从而实现液压功能的开启、关闭，最终达到对安装在水下采油树或水下管汇上液压阀门的开、关控制。本水下电子模块提供第三方功能模块的接口，实现井下数据的采集，通过CPU模块与通信模块将井下数据传输到水上主控站；在水下生产系统中一般采用两个电子模块相互冗余的方式提高系统的可靠性。

水上电源接入水下电子模块中，经过2:1变压器降压后送入到电源模块中，再通过电源模块的电压变换输出两路24V直流电压，一路5V直流电压，分别为CPU模块、电磁阀驱动模块、模拟量模块、串口模块、通信模块以及水下控制模块内部液压压力传感器提供电源供给。电磁阀驱动模块由一块集成电路板构成，电路板上集成微控制器，可以通过Profibus-DP总线与CPU模块建立通信连接，接收CPU模块对电磁阀驱动模块下达的指令。电磁阀驱动模块的输出信号采用脉冲输出方式，对电液换向阀电磁线圈持续输出1秒（不局限于1秒）高电平信号，电液换向阀阀芯就会执行切换动作。电磁阀驱动模块支持48路（不局限于48路）驱动信号的输出，每一路输出通道具有24V 0.5A的驱动能力。模拟量模块具有32路（不局限于32路）4-20mA模拟量输入通道；模拟量模块具有200KHz采样频率，16位转换精度，内部集成微控制器，通过Profibus-DP总线与CPU模块建立通信连接。模拟量模块内置温度、湿度传感器，可以实时采集水下电子模块密封舱内的温度与湿度数据。串口模块提供4路独立的隔离RS485通信通道，采用ModBus通信协议，每一路RS485通道都提供单独的辅助24V直流电源为水下电子模块外部串口设备供电以及第三方电子模块供电，串口模块与CPU模块之间采用Profibus-DP总线形式连接。实现水下电子模块与水上控制系统通信功能的通信模块采用电力线载波通信方式，电力线载波通信通道与水上电源供给通道共用线缆，通信模块与CPU模块之间的通信通过RS485接口实现。

本电子功能模块各功能模块可独立工作，可靠性高，信号传输抗干扰能力强，同时电力线载波通信方式的应用可以降低水下生产控制系统的投入成本，在中短距离的水下与水上信号传输中具有极大的优势。

参照图9，在本水下电子模块的第一实施例中，当采用电力线载波通信模块时，电力线载波通信方式的应用可以节省脐带缆中电缆数量，降低水下生产控制系统的投入成本，在中短距离的水下与水上信号传输中具有极大的优势。

本实施例提出的水下电子模块，将支架4放置于电子舱体中，电子功能模块安装于支架4上，其具有体积小、功耗低、安全稳定、使用寿命长、结构简单的优点，满足了海洋环境中对设备的高压、高寿命的要求。

参照图10，在本水下电子模块的第二实施例中，光纤通信通道与电力输送通道相互独立，需要在水下脐带缆中配置光纤线缆作为传输路径，通信模块与CPU模块之间采用RS485接口进行通信连接。

本实施例的优点是信号传输距离长，传输速度快，信号抗干扰能力强，适用于长距离的水下与水上信号传输。

参照图11，本水下电子模块的第三实施例中，CPU模块与电磁阀驱动模块、模拟量模块以及串口模块之间采用PC104总线连接，通信模块采用电力线载波或光纤通信方式。

如图11所示，在本实施例中，电磁阀驱动模块由数字量I/O板卡与功率放大板卡组成，数字量I/O板卡与CPU模块、模拟量模块以及串口模块之间采用PC104总线堆叠安装，堆叠后的PC104组块安装在图8中的上层水平安装的电子模块支撑板16上，功率放大板卡和通信模块安装在下层倾斜安装的电子模块支撑板16上。数字量I/O板卡与功率放大板卡之间采用点对点信号线连接，功率放大板工作电源来自电源模块。组合后的电磁阀驱动模块支持32路驱动信号输出，每一路输出通道具有24V 1A的驱动能力，与实施例一相同，电磁阀驱动模块的输出信号具有可编程脉冲信号输出能力。本实施例其余部分的工作方式与实施例一相同。

本实施例的优点是电气特性和机械特性上可靠性高，功耗低，产生热量少，抗震能力强。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，包括：

电子舱体，为一承压密封舱体，用于放置及密封所有电子设备；

电接头，安装在所述电子舱体底部，用于给电子舱体内电子设备与舱外电子设备的连接提供接口；

支架，置于所述电子舱体内部，用于固定所有电路板以及提供散热功能；

电子功能模块，安装于所述支架上，用于提供水下电子模块的数据采集、指令接收及执行和通信功能；

电源模块，置于所述支架上，用于给电子功能模块提供工作电源；

变压器，固定于所述支架上，用于对供电电压进行降压，同时提供变压与电气隔离的作用。

2.如权利要求1所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述电子舱体包括筒体以及固定于筒体两端的上端盖和下端盖，上端盖和下端盖通过螺栓与筒体连接并通过密封圈密封，电接头安装于下端盖上，上端盖上设有吊装孔、充填接口以及用于与水下控制模块芯轴支架固定的螺纹孔，下端盖上设有泄放接口。

3.如权利要求2所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述充填接口和泄放接口上均安装有单向阀门。

4.如权利要求2所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述支架包括相对设置的顶板和底板、连接顶板和底板的两挡板以及连接两挡板的电子模块支撑板，所述电子功能模块安装于电子模块支撑板上，底板上设有用于与下端盖连接的供螺栓穿过的通孔。

5.如权利要求4所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述底板上固定有用于容纳变压器的变压器保护罩，该变压器保护罩上设有穿越孔。

6.如权利要求4所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述上端盖内侧设有定位槽，顶板上设有与定位槽适配的定位销。

7.如权利要求4所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述电子模块支撑板设置有多块，电子模块支撑板横向或倾斜设置。

8.如权利要求1至7中任意一项所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述电子功能模块包括：

CPU模块，用于水下电子模块的指令控制、操作控制以及数据处理；

串口模块，用于提供标准接口以与外部传感器实现通信；

电磁阀驱动模块，用于提供电液换向阀驱动信号；

模拟量模块，用于采集模拟量信号并与水下电子模块内外部模拟传感器连接；

通信模块，用于提供水下电子模块与水上设备的通信；

电源模块，用于对CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块进行供电；

所述通信模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块、电源模块和串口模块均与CPU模块连接。

9.如权利要求8所述的用于海洋油气生产的水下电子模块，其特征在于，所述电源模块包括：

整流单元，用于将水上提供的交流电源整流成直流电源；

滤波单元，用于将所述整流单元整流后的直流电源进行滤波，提供高质量直流电源；

变压单元，用于将所述滤波单元滤波后的直流电源转换成不同电压等级的低压直流电源，给CPU模块、模拟量模块、电磁阀驱动模块和串口模块供电；

所述整流单元、滤波单元和变压单元依次连接。