井下智能開關(guān)器的研究與設(shè)計(jì)

柴遠(yuǎn)波，溫迎飛，郭曉偉

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州450063）

井下智能開關(guān)器的研究與設(shè)計(jì)

柴遠(yuǎn)波，溫迎飛，郭曉偉

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州450063）

井下智能開關(guān)器應(yīng)用于油井分層采油技術(shù)中，是找、堵水應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。本文采用單片機(jī)控制技術(shù)設(shè)計(jì)井下智能開關(guān)器，通過(guò)串口通訊將設(shè)定好的智能開關(guān)器動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作類型下載到單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，通過(guò)器件選擇及軟硬件設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)可以滿足低功耗、耐高溫的要求，能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行于高溫惡劣的井下環(huán)境中，解決了機(jī)械傳動(dòng)閥門控制技術(shù)中存在的難題。

分層采油；智能開關(guān)器；高溫；低功耗

石油被譽(yù)為“工業(yè)血液”，是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略資源。在今天全國(guó)石油消費(fèi)量迅速增長(zhǎng)，但石油產(chǎn)量增長(zhǎng)卻低于消費(fèi)增長(zhǎng)。要解決石油短缺的能源問(wèn)題，除了開發(fā)新的代替能源外，還應(yīng)該加大對(duì)石油的開采力度，提高石油的采收率。

目前在我國(guó)應(yīng)用比較廣泛的是機(jī)械傳動(dòng)進(jìn)行分層找、堵水及分層采油。在分層采油的換層過(guò)程中，其關(guān)鍵技術(shù)就是封閉各層的閥門開關(guān)。使用電動(dòng)閥門可以顯著提高控制系統(tǒng)的精度和可靠性，減少維護(hù)的工作量。增加單片機(jī)作為控制器，控制直流電機(jī)動(dòng)作來(lái)推動(dòng)絲杠以此帶動(dòng)閥門的打開和關(guān)閉，這樣就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

1 油井智能找堵水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)整體框架如圖1所示，井下智能找堵水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分[1]。其中，上位機(jī)程序使用Visual Studio 2008中的VB.NET編寫，設(shè)計(jì)中涉及到了串口數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)、各種控件的使用等問(wèn)題；下位機(jī)部分包括了電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、整體程序設(shè)計(jì)等具體問(wèn)題。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體主要分為3個(gè)模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、串口發(fā)送接收部分、電機(jī)過(guò)載檢測(cè)部分。下面分別對(duì)這3個(gè)部分介紹[2]。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 An overall system framework map

1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

井下智能開關(guān)控制器控制井下各油層的打開和關(guān)閉，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)為直流電機(jī)，由單片機(jī)控制其執(zhí)行動(dòng)作。單片機(jī)輸出電平為COMS電平，而電機(jī)要運(yùn)行需要12 V的直流電壓，所以需要增加電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

1.2 串口發(fā)送接收電路

系統(tǒng)的動(dòng)作指令通過(guò)上位機(jī)來(lái)設(shè)定，之后需要通過(guò)串口通訊將設(shè)定好的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)中，這時(shí)用到了單片機(jī)的串口模塊——增強(qiáng)型通用同步/異步收發(fā)器（EUSART）模塊。它是一個(gè)串行I/O通信外設(shè)。該模塊包括所有執(zhí)行與器件程序執(zhí)行無(wú)關(guān)的輸入或輸出串行數(shù)據(jù)傳輸所必需的時(shí)鐘發(fā)生器、移位寄存器和數(shù)據(jù)緩沖器。

1.3 堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)電路

當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電流，會(huì)使系統(tǒng)的元件燒毀，所以需要采取措施避免這一情況的發(fā)生。為此，系統(tǒng)增加了電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)電路，其原理圖如圖2所示。當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，流過(guò)三極管基極電阻的電流通過(guò)電阻產(chǎn)生基極電壓使三極管導(dǎo)通，此時(shí)，PI為低電平。這樣，可以通過(guò)檢測(cè)PI端的電平變化來(lái)檢測(cè)電機(jī)是否發(fā)生堵轉(zhuǎn)。

圖2 電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流檢測(cè)電路Fig.2 Motor stall current detection circuit

2 系統(tǒng)整體程序及上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

完成了下位機(jī)的設(shè)計(jì)后，需要完成下位機(jī)程序和上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)內(nèi)容。下位機(jī)程序即PIC單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)是在MPLAB集成開發(fā)環(huán)境中完成的，其中包括了程序編寫、編譯、調(diào)試等工作。而上位機(jī)軟件是用VB.NET編寫而成的，其中使用到了Visual Studio 2008集成開發(fā)環(huán)境，硬件電路設(shè)計(jì)完成后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ?，除了硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。本文采用C語(yǔ)言完成系統(tǒng)上位機(jī)和下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)控制流程。

2.1 調(diào)試環(huán)境MPLAB-IDE

單片機(jī)的集成開發(fā)環(huán)境 IDE （Integrated Development Environment）是將單片機(jī)的匯編、模擬調(diào)試、編程器和硬件仿真器的應(yīng)用軟件集成在一起的一種單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用平臺(tái)，是一種集成開發(fā)軟件系統(tǒng)[3]。

2.2 PIC單片機(jī)編程

編寫好的C語(yǔ)言程序經(jīng)過(guò)編譯后生成HEX文件，需要將HEX文件下載到單片機(jī)中，單片機(jī)才能工作。PIC單片機(jī)的編程軟件界面如圖3所示[4]。按照界面顯示的步驟，先選擇單片機(jī)型號(hào)，然后載入HEX文件，接著修改配置字，最后程序下載，點(diǎn)擊自動(dòng)操作開始下載，編程界面上的進(jìn)度條顯示下載進(jìn)度，直到下載完成。

圖3 編程界面圖Fig.3 Programming interface Figure

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

VB.NET是Visual Basic.NET的簡(jiǎn)稱[5]，VB.NET采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，即通過(guò)觸發(fā)事件來(lái)運(yùn)行程序。按照界面設(shè)計(jì)的一般步驟來(lái)開始上位機(jī)軟件的編寫。步驟如下：

創(chuàng)建一新的項(xiàng)目，并為項(xiàng)目命名“OilWellProject”。

打開或創(chuàng)建項(xiàng)目后，默認(rèn)的窗體是form1,我們就使用它作為應(yīng)用程序的用戶界面。

向窗體添加文本、按鈕等控件，同時(shí)設(shè)置添加控件的屬性。

編寫程序代碼，即事件驅(qū)動(dòng)程序。

點(diǎn)擊工具欄上的運(yùn)行或按F5鍵即可運(yùn)行該程序，調(diào)試看是否達(dá)到預(yù)期目的，否則繼續(xù)修改程序，直到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。

按照步驟，經(jīng)過(guò)多次修改和調(diào)試，完成之后的界面圖如圖4所示。界面圖中分為四部分：設(shè)置操作、數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)顯示、下載數(shù)據(jù)及返回結(jié)果顯示文本框、按鈕操作。下面做簡(jiǎn)要介紹。

圖4 上位機(jī)界面圖Fig.4 PC interface Figure

設(shè)置操作部分可以設(shè)置電機(jī)動(dòng)作時(shí)間即第幾天執(zhí)行，設(shè)置動(dòng)作類型即打開或者關(guān)閉，同時(shí)需要給不同的智能開關(guān)控制器編號(hào)。這些設(shè)置會(huì)以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)起來(lái)，可以隨時(shí)添加數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)和查詢數(shù)據(jù)。執(zhí)行下載操作時(shí)還需要設(shè)置串口號(hào)。

設(shè)置操作完成之后的數(shù)據(jù)顯示功能由數(shù)據(jù)庫(kù)顯示控件完成。

按鈕部分可以完成的功能有：串口的打開和關(guān)閉、設(shè)置的數(shù)據(jù)寫入單片機(jī)、讀出單片機(jī)的記錄數(shù)據(jù)、清空文本顯示內(nèi)容、退出界面。

當(dāng)執(zhí)行寫入操作時(shí)，文本顯示部分會(huì)將上位機(jī)發(fā)送給下位機(jī)的數(shù)據(jù)內(nèi)容顯示出來(lái)，同時(shí)下位機(jī)返回給上位機(jī)的數(shù)據(jù)也會(huì)在文本顯示部分顯示出來(lái)。

3 系統(tǒng)總體調(diào)試

從以下3方面測(cè)試系統(tǒng)工作狀況。

1)低功耗。要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行和達(dá)到系統(tǒng)的運(yùn)行要求，首先要解決低功耗問(wèn)題。

2)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。向單片機(jī)的EEPROM中寫指令時(shí)要確保所發(fā)送的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)和字節(jié)內(nèi)容是完全沒(méi)有問(wèn)題的[6]。同時(shí)要求讀數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)也沒(méi)有錯(cuò)誤，這樣就要求串口發(fā)送接受數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

3)時(shí)鐘計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。電機(jī)的動(dòng)作指令是按照單片機(jī)的時(shí)鐘計(jì)時(shí)進(jìn)行的，所以要求降低時(shí)鐘的誤差。

3.1 低功耗調(diào)試

低功耗問(wèn)題受到幾個(gè)方面的影響：元件自身功耗、供電電壓、晶振頻率。要解決功耗問(wèn)題需要從這幾個(gè)方面全面考慮，各個(gè)解決，才能最終解決問(wèn)題本身。

從設(shè)計(jì)開始已經(jīng)考慮到系統(tǒng)的功耗和耐高溫性能，所以在元件選型時(shí)選擇了低功耗耐高溫的元件。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期采用5 V電壓供電，沒(méi)有考慮功耗問(wèn)題，但是當(dāng)系統(tǒng)功能逐步完善時(shí)就要考慮這個(gè)問(wèn)題。由于井下蓄電池供電電壓的限制，同時(shí)也是考慮到低電壓供電時(shí)系統(tǒng)功耗降低，所以決定采用3.3 V供電。開始遇到了問(wèn)題：3.3V電壓供電系統(tǒng)不工作。經(jīng)過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，PIC16F883的欠壓復(fù)位默認(rèn)為4 V，在5 V供電電壓時(shí)系統(tǒng)能正常工作，但是3.3 V電壓供電引起系統(tǒng)復(fù)位，所以工作不起來(lái)。經(jīng)過(guò)配置字配置將欠壓復(fù)位設(shè)置為2.1 V，這樣3.3 V電壓就能使系統(tǒng)正常工作了。這樣就解決了低電壓供電問(wèn)題。

據(jù)前面單片機(jī)特點(diǎn)的介紹：在32 kHz、2.0 V時(shí)工作電流典型值為11 μA，4 MHz、2.0 V時(shí)工作電流典型值為220 μA。對(duì)比之下，晶振頻率對(duì)功耗有重要影響?？紤]到系統(tǒng)其他設(shè)計(jì)對(duì)震蕩頻率沒(méi)有特殊，于是將晶振頻率設(shè)置為32 kHz。

3.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性調(diào)試

串口發(fā)送接收數(shù)據(jù)遇到了很多問(wèn)題：數(shù)據(jù)發(fā)送丟數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)接收不準(zhǔn)確導(dǎo)致電機(jī)不動(dòng)作、串口亂發(fā)數(shù)據(jù)等等，但是這些問(wèn)題最終都一一解決，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確接收發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)發(fā)送與接收數(shù)據(jù)如圖5所示。上面是上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，下面為單片機(jī)根據(jù)上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)返回對(duì)應(yīng)的操作數(shù)據(jù)。單片機(jī)根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)發(fā)送不同的數(shù)據(jù)，當(dāng)前兩字節(jié)為0xDD時(shí)，單片機(jī)將上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入EEPROM規(guī)定的地址段中，同時(shí)將其中的數(shù)據(jù)從EEPROM中讀出再發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)根據(jù)返回?cái)?shù)據(jù)判斷設(shè)置是否正確，同時(shí)將信息顯示出來(lái)。當(dāng)前兩字節(jié)為0xCC時(shí)，單片機(jī)在EEPROM的特定地址段分別寫0x00和0xAA，同時(shí)將其中的數(shù)據(jù)從EEPROM中讀出再發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)判別是否擦除EEPROM成功。當(dāng)前兩字節(jié)為0xBB時(shí)，單片機(jī)將EEPROM中存放記錄電機(jī)操作類型的數(shù)據(jù)讀出來(lái)發(fā)送給上位機(jī)。

圖5 串口發(fā)送與接收數(shù)據(jù)Fig.5 Serial port to send and receive data

3.3 時(shí)鐘計(jì)時(shí)準(zhǔn)確性調(diào)試

時(shí)鐘計(jì)時(shí)的任務(wù)由定時(shí)器1來(lái)完成，而定時(shí)器1的時(shí)鐘源由內(nèi)部振蕩器決定，所以計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性主要由內(nèi)部振蕩器的時(shí)鐘頻率決定。內(nèi)部振蕩器時(shí)鐘不是不變的，在外部溫度變化的情況下，溫漂是影響系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的難題。高溫條件下的井下智能開關(guān)控制器的時(shí)鐘控制信號(hào)由內(nèi)部振蕩器提供。其精度隨溫度和電壓的變化曲線如圖6所示。

圖6 HFINTOSC頻率的精確度與器件VDD和溫度之間的關(guān)系Fig.6 HFINTOSC frequency accuracy of the device between VDD and temperature

經(jīng)過(guò)以上3個(gè)方面的調(diào)試，系統(tǒng)整體的測(cè)試基本完成，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的目標(biāo)。下面設(shè)置前3天電機(jī)動(dòng)作分別為打開、關(guān)閉、打開，編號(hào)為111111，下載數(shù)據(jù)到單片機(jī)，下載的數(shù)據(jù)和返回的數(shù)據(jù)分別顯示在文本框中，接著自動(dòng)擦除EEPROM記錄電機(jī)動(dòng)作地址段，上位機(jī)顯示返回?cái)?shù)據(jù)及擦除結(jié)果。系統(tǒng)調(diào)試上位機(jī)顯示結(jié)果如圖7所示。

圖7 上位機(jī)顯示結(jié)果Fig.7 Shows the results PC

4 結(jié)論

常規(guī)井下關(guān)井作業(yè)及測(cè)試都影響了現(xiàn)代生產(chǎn)，井下智能開關(guān)器在生產(chǎn)中直接對(duì)某層位實(shí)現(xiàn)關(guān)閉與打開，消除了井儲(chǔ)及層間矛盾對(duì)試井資料的影響，提高了測(cè)試效率。井下智能開關(guān)器同時(shí)也具有適用性強(qiáng)、見(jiàn)效快、堵層可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，為進(jìn)一步油田良性開發(fā)拓展了空間，由此可見(jiàn)井下智能開關(guān)器具有很好的應(yīng)用前景。

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Research and design of underground smart sw itch

CHAI Yuan-bo,WEN Ying-fei，GUO Xiao-wei
（Huanghe S&T College,Zhengzhou 450063,china）

Smart Switch is used in downhole oil well stratified techniques,is to find,water shutoff applications in key technologies.In this paper,single-chip control technology design downhole intelligent switches,via serial communication will set a good intelligent switching device operating time and the type of action to the MCU internal data memory,and hardware and software design through component selection,allowing the system to meet the low power consumption,temperature requirements,can long and stable operation at high temperature harsh downhole environments,solve the mechanical transmission valve control technology exists problem.

layering oil production;intelligent switch;high temperature;low power consumption

TN0

A

1674－6236（2015）10-0118-03

2014-08-26 稿件編號(hào)：201408141

鄭州市無(wú)線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(121PCXTD511)

柴遠(yuǎn)波(1965—)，男，河南鄭州人，博士，教授。研究方向：移動(dòng)與無(wú)線通信以及微電子SoC設(shè)計(jì)技術(shù)。