基于dsPIC30F6014A的控压钻井专用控制器设计 -.pdf

学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 基于 d s P lC 3 0 F 6 O 1 4 A的控压钻井专用控制器设计刘进 。等 P WM脉冲 ，通过输 出电路转换为 4～ 2 0 mA的直流 电流送给节流管汇中的阀门。 1 ． 3 控制器系统模型构建 控制器控制模型如图 2所示。该模型主要依据 井 口流量计测得 的输 人输 出流 量 、井 口压力 计测 得的压力和泥浆泵 的排量等工 艺参数 ，通过 实时 比对 目标值 ，计算 出偏差并 以此为依据确定 各节 流管汇 中节流 阀的开度 或平板 阀的闭合状态 ，实 现井底压力平衡的控制。 图 2控压钻井控制器模型 控制模 型 中，目标 值设定 的是 由上位机 中水 力学模型根据 录井 台传 回的数 据计算得到 的 以维 持井底安全工作 的压力 值。控 制器采集井 口压力 值并与上位机传来 的压 力值做 比较 ，计算 出压力 偏差 ，由偏差值计算确定控制器该输出的电信号 。 2 控 制器 的硬 件构造 专用控制器模块以 d s P I C 3 0 F 6 0 1 4 A为核心，主 要包括模拟量采集通道模块 、R S 4 8 5电路和 R S 2 3 2 电路通讯模 块 、信号 隔离模块 、电源模块 、平板 阀及节流阀 D O输出控制模块 、平板阀及节流阀 D I 输人控制模块和工业 串 口服务器 N P 8 0 1以太 网通 讯模块。其硬件结构框图如 图 3所示 。 6 路压力信号 罗斯蒙特 AN0 OC0 一 OC 2 AN1 D1 0 一DI 5 AN DO0 一 DO2 AN3 d s PI C3 0 F 6 01 4 A AN5 S s D D O I； U1 RX U1 TX U2 RX 8 F 流量计3 图 3 测控系统总体框 图 2 ． 1 模拟量采集电路的设计 控制器采用 T L 0 8 4芯片来构建模拟量采集 电 路 。T L 0 8 4是一款多用途 四通道运算放大器。模拟 量采集 电路将采集得 到的信息经过 阻抗 匹配 、一 阶滤波、放大 、调零和调满量 程、限幅等环节之 后送到芯片 中，具体电路如图4所示 。 1 nK 图 4模拟量输入电路 2 ． 2开关量电路的设计 开关量电路 的设 计主要用 于检测和控制节 流 管汇中平板 阀的闭合状态 。电路选用 T L P 5 2 1光电 隔离芯片来构建 。T L P 5 2 1 是可控制光电耦合器件 ， 控制器芯片 I ／ O 口引脚接到 T L P 5 2 1发光二极管的 正极 ，发光二级管 的负极接地 。与之相应 的三极 管的集电极上接一个 2 4 V的 电压并引 出开关量控 制端 ，三极管的发射级接地 。 2 ． 3 通信电路的设计 控制器 6 0 1 4 A的 U A R T模 块通过 MA X 2 3 2芯 片实现和 P C机 以串 口模式通信 J 。控制器 与 P C 机以太网通信方式是通过 U A R T串口模块外接一个 工业 N P 8 0 1 模块来实现的。 N P 8 0 1三合一串口设备联网服务器是一款工业 级的串口联网设备 。它采用 3 2位 A R M处理器 ，嵌 入式实时多任 务操作 系统，提供 1 0 M ／ 1 0 0 M 的通 讯。将 N P 8 0 1与控制器 的串 口连接， 然后设 置控 制器和相应 的 P C机为服务器／ 客户机 ，控制器 与 P C机就能以以太网的方式实现远程监控。 2 ． 4 Ao输出电路的设计 设计流程框 图见 图 5 ，具体 电路见 图 6 。单 片 机发出 P WM信号经信号隔离、电压跟随 、2阶有 源滤波和电流转换电路 ，在 A O端 口输 出4～2 0 mA 电流信号控制现场阀 门。图 6中 V o u t 是单 片机控 制输出的 0～ 5 v电压值 ，1 0为 4～ 2 0 m A。 P W M P W M l 波 形一 离 单 元一 整 形一 佰 芎 捌 挫一现 切闻 l 图 5 模拟量输 出流程框 图 一 5 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 仪器仪表与分析监测2 0 1 3年第 4期 A0 i 图 6 模拟量输出电路图 4实验结果与分析 4 ． 1 模拟采集通道与通信 电路的测试 为了验证控制器的工作状态 ，以变化的0～5 V 电压信号来模拟压力信号 ，控制器 实时监 控电压 值 的变化 。表 1所示为一路 A N 5模拟量输入通道 采集值与实际输入值 的对 比表格 。从 表 中可 以看 3 控制器硬件 系统的软件设计 控压钻井专用控制器程序包括 5个部分 ，其框 图见图7 。其 中，初始化模块进行接 口的定义和单 片机 中各模块的初始化 ，主要包括单片机 I ／ O口的 定义、串 口通信模 块 的定 义 、A ／ D模 块 的配 置。 初始化配 置完成之 后控制 器 即进 入到数 据采集 。 通过用户配置 的 A ／ D转换模块将采集数据转换为 所需 的数 据形式 ，同时将数据通过通信模块 发送 到 P C机上显示 ，并将数据送入到数据处理模块进 行 比较 ，最后发出信号调节节流管汇中各阀门。 图 7 控制器软件流程框 图 在整个流程框 图中数据处理是整 个控制模块 的核心部分。其具体流程算法如图 8所示。 一 6 一 实时检测 井 口压力P f I计 算 压 力 偏 差 值 △ P k P r P f I 计算控制信号增量 △Uk Kp AP ∞ 一A 1 十 K i A ● 计算调节器控制信号 Uk 一l △ 0 I 控 制 信 号 u k 输 出l l ％ t IU k A A I 图 8 恒压控制算法流程图 出其误差小于 0 ． 9 ％。 表 1 实际 电压值与测量值的比对 输入 电压值 实测值 相对误差 0． 5 02 0． 5l 0 1 ． 9％0 0． 9 95 1 ． 0 02 1 ． 7％0 1 ． 4 97 1 ． 5l 3 3 ．9 ％D 1 ． 8 04 1 ． 82 6 5 ．3 ％0 2 ． 01 2 ． 03 8 6 ．8 ％D 2． 5 2． 53 8 9 ． 2‰ 2． 8 2． 8 52 1 ．2 ％0 3 ． 0 3 3 ． 08 4 1 ．3 ％0 3 ． 5 3 ． 5 73 1 ． 7 ％0 3 ． 8 3 ． 87 3 1 ． 7 ％0 4 ． 2开关量输入输出通道的测试 选用 3个按键 K 1 、K 2 、K 3来模拟 3路 D I 的 输入 ，同时设计 3 个相应 的L E D灯来模拟 D O的输 出。当按下按键 K i 时 ，单片机接收到外部开关量 的输入 ，通过 D O输 出电路让相应的 I J i 灯点亮 。 4 ． 3 P WM 输出通道的测试 控制器实现了 3路 P WM 的输出。控制器接收 上位机发送 出的电压偏差信号通过计算 出相应的 占空比赋值 ，发 出不 同宽度 的脉冲 ，再通过转 换 电路转换为 4～ 2 0 m A 电流。4 m A表示开度的 0 ％ ， 2 0 m A表示开度的 1 0 0 ％。如 图 9所示 ，调节 占空 比为 6 0 0 ，输出 1 2 mA，调节节流阀的开度为 6 0 ％。 图 9占空为 6 0 0的 P WM 波 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 蠕动式管道爬行器运动控制 系统建模与误差分析 郑毅 。等 蠕动式管道爬行器运动控制系统建模 与误差 分析 De s i g n a n d Er r o r An a l y s i s o f Mo v e me n t Co n t r o l Sy s t e m i n W o r mi n g Pi p e l i n e Cr a wl e r 郑毅 ， 2 ， 。 郑 苹4 1南京航 空航天大学民舷／ 飞行学院，江苏南京2 1 0 0 1 6 ；2西安电子科技大学技术物理学院，陕西西安7 1 0 0 7 1 ； 3山东工商学院信 息与 电 子工 程 学 院，山 东烟 台 2 6 4 0 0 5 ；4华 中科技 大 学图像 识 别 与人 工智 能研 究所 ，湖 北 武汉 4 3 0 0 7 4 [ 摘要】 针对火炮 身管内壁的特殊环境 ，设计 了一种能够高精度蠕动式运动的管道爬行器。介绍 了 爬行器运动控制系统的组成和单元结构，以及爬行器的蠕动式运动方式 ，建立 了进深运动 的动力学模型 ， 研 究了影响爬行 器进深定位精度的误差源，并对进深定位误差进行 了定量分析。 [ 关键词 ] 管道爬行 器；运动控制；进深 ；误差分析 [ 中图分类号]T P 2 4 2 [ 文献标识码]A 引言 管道爬行器是一种能够在管道 内运动 的测量载 体 ，其上可以携带一种或多种传感器对管道进行一 系列的检测维修任务，如测量火炮身管弯 曲度 1 1 、 检测输油管线泄漏点 和检测管道对接环焊缝 等。 火炮身管与输油管 线不 同 ，具 有特殊 性。在 火炮身管 内部 ，除 了光 洁如镜 的 内壁 ，不 同 的身 管还会有特 征参 数各 异的旋转排列 的膛 线 以及挂 铜等内壁损 伤。光洁表 面给依靠摩擦力做爬 行运 动的机构带 来不利影响 ；旋 转膛线容易使 运动机 构发生旋转 ；随机分布 的挂铜等 内壁损伤 ，使 得 测量装置 定 中不 准，破坏 了载体 运动 的平 稳性 。 由于这些影 响因素的存在 ，运动机构 准确 、稳 定 地爬行成为技术难 题 ，常 见的轮式 、履 带式 和惯 性冲击式等爬行 器进深方法 不再适用 。因此 ，针 对火炮身管 内壁 的特殊环境 ，需 要重新设计爬行 器的机械结构和运动方式 。 七 - 4 - “ 七 - 4 - “ 七 女 -4 - “ 七 - o r 女 七 - 4 - “ 七 七 -4 -“ 5 结论 实验结果表明，基于 d s P I e 3 0 F 6 0 1 4 A的控压钻 井专用控制器 ，不仅能够 采集 电压信息 ，还能实 时比对 目标 电压值 发 出信号来 调节 节 流 阀开度。 此控制器增加 的以太 网通 信功能增加 了钻 井监控 的距离 ，提高 了钻 井系统 的安全性 。该硬 件控制 器将应用 到钻井 现场。通 过下一步 的实验 对系统 进行验证 和改进 ，能开发 出功能更加完善 的控压 钻井专用控制器。 参考文献 [ 1 ]杨雄文，周英操．控压钻井分级智能控制系统设计与 室内试验．[ J ]石油钻探技术，2 0 1 1 ，3 9 4 1 4一l 8 [ 2]s a a d s a e e d ，r a n d y l o v o ．A u t o ma t e d D r i l l i n g s y s t e m s f o r MP Dt h e R e a l i t y ． [ J ]I A D C ／ S P E D r i l l i n g c o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n ，2 0 1 2 ． 1 5 1 4 1 6 3 6 8 [ 3 ]张兵，陈永军．基于 d s P I C 3 O F 4 0 1 3的传感器检测系统 [ J ] ．仪器仪表与分析监测 ，2 0 1 1 ，3 2 1 7～1 9 [4 ] D o n M． H a n n e g a n ， MP D D ri l l i n g O p t i m i z a t i o n T e c h n o l o g y ，R i s k Ma n a g e m e n t T o o l ，o r B o t h [ J ]S P E ． An n u a l T e c h n i c a l C o n f e r e n c e a n d E x h i b i t i o n h e l d i n D e r n v e r ，2 0 1 1 ，1 4 6 4 4 2 6 7 [ 5 ]周英操，杨雄文．P C D SI 精细控压钻井系统研制与 现场试验．[ J ] [ 6 ]周超群．电磁阀原理及其在工程设计中的应用探讨． [ J ]石油化工 自动化 ，2 0 0 6 ，5 9 2 9 2 9 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m