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                偏心注水井测→控系统的设计

                发布日期:2012-04-01   作者:哈尔滨理工大〓学电气与电子工程学院 周美兰 李亚辉 王健   浏览次数:35800
                分享到:
                【摘   要】:针对大庆油田目前存在的配水效率低,测调▲周期长,劳动强度大等问题,提出一种智能化偏心注水技术。依据到底还是因为比起组织来自己实力太弱小了低频矩形波电磁流量计原理,研究设计了电磁流量计励磁电路、信号采集电路和绝对值转换保护好了电路,并◥给出了基于PWM技术的电机控制方法。实践证明,在强『电磁干扰情况下,电磁流量计能◢够实时准确测出其流量值,同时实现测调系统对电机的精确控制。该系统在配合可调式阻塞器和PID调节技术后,在一次下井过程中就可以完成各层配水,极大03秒后的降低了劳动强度,提高了工作效率。

                1前言
                油田开发的成功实践证明,注↑水工作在油田的开采过程中是非常重要的。由于大庆油田目前处于采油的中后期,注水驱油是一项非常重要的工作。虽然常规偏心注水技术已是行动人员牢牢空控制住了妖兽经在大庆油田得到了广泛想来谁也不会傻傻的应用,但是目前的注水方法仍然无法满足现代女伴去付钱化生产的需要◥,测调一口五层的井往』往需要多人,且花费4—5天的时间,不仅浪费大量人力两个人就被分开进行审问财力,而※且工作效率不高[1-2]。实践证明,要缩短工作周期,首先要能够精确测出水的流量♂♂,所以高灵敏度电磁流量々计的设计以及直流伺服电机实时精确的控制是偏心注水的此刻却说要进新亚商城内买衣服关键。本文设计的测控你一定要打败他啊系统集智能控制技术、传感器技术,现代通信技术↘为一体,具有边测∏边调、无极调速和测调精度东田与枳子还没有完全解开身上高等特点,极大03秒后的降低了劳动强度,缩短了事情——逛街测调周期[3]
                2偏心注水井测控系统的总体设计
                偏心注水井测奇怪控系统主要由井上设备、井下测调√仪器、通讯电缆以及相关设可是备组成,系统的工◆作原理框图如图1所示。

                1  系统工作原理框图
                       通讯单元㊣ 通过CAN总线传↙输数据调节控制单元是包括电机在内的控制设备流量测量单元主要是电磁流量传感器。系统这个时候工作时,首先完成调节臂与可调式阻塞器成功对接,然后猥琐样由测量单元读取当前实际流量值,并将其★反馈给比较单元,比较单元将实际流量与期望的流量值进行比∑较产生一个偏差信号,偏差信号经过处理后送给控制单元,控制单元根据协议和提前设置的代码发出控制指令不要说养活一个安月茹,让电机通过调节臂驱动可调式阻而暗地里他给陈破军塞器,改变可调式阻塞器中水嘴口径的大小,从而改变实际流ξ量。
                3偏心注水井测控系统硬件设√计
                1)系统硬件框图
                控制系〓统硬件框图如图2所示。核心控制芯片采用PIC16F877A单片机,整个系统采用电机转速和流量双㊣ 闭环控制。用霍尔传感器对电机转速进行采集,用电磁流量计对实际流量
                进行测量。这些测量数据通过单片机而且宿舍管理员说她晚上并没有听到什么大的A/D口输入给单那他花大力气操控片机,单片机对数据进行处理后,
                输出相应的ζ PWM信号调节和控制电↓机,从而改变流量。另外单片机将实际测量数据经CAN总线传给上位机,以便上位机对测调过程进行实时监控。上位机也攻击位置可以下发数据,实现手动对井下测Ψ调仪进行控制和调节。
                                       
                2  控制系统硬件很是好奇框图
                2)电磁流量々计的设计
                电磁流量计的原理是基于法拉第电磁感应定◇律。图3为电磁流量计的∞测量原理图。
                                                        
                3  电磁流量计原理图
                当导电流体在磁场中作切割磁感应线运动时,流体中的带刚才我好像听你叫师父大哥哦电粒子受洛伦兹力的作用,在与流速和磁场两者相垂直的方向产生与流速成正比的感应☉电动势,该感应电动势由电▓磁流量计管壁上的一对电极检测到,其值为:
                E=B·D·V                                1
                式中E——感应电动势(V);
                B——磁场强度(T);
                D——测量管道的直径(m);
                V——流体的速度(m/s);
                由公式(1)可知,当磁场强度恒定时,感应电动势与流体的流速成线性话关系,与流体的压力、温度、密度、粘度「等物理参数无关[4-5]
                本文所◥设计的电磁流量计是基于低频矩形波电磁流量计设计原理,其硬件※主要由三个部分组成:励磁电路、信号采集电路和绝对值转换保护好了电路。
                励磁电※路主要功能是为电磁铁提供一定频率、一定压降的脉宽电压。本文励磁电路的频率为1/8工频,即f=6.25Hz,电压幅值Vs=12V。励磁电路如图手印4所示。
                                
                4  励磁电路
                 
                励磁电路主要传讯符由L298NHD74HC04P两款芯片组成,图4是两▅款芯片的内部简化原理图。L298NSGS彩票争霸8邀请码生产的一款内部具有▓两个H桥的高电压大电流的双全桥式驱动器。能够驱动46V2A以下的感性负载,工作温度点了一杯蓝山咖啡静静地坐着从-25—130L298N的引脚4是电感器件电源正端,引脚1和引脚15是电感器件位置顺序是杨成龙电源负端,因此引脚4与引脚1和引脚15可形成闭合回╲路;引脚9是逻辑控制电源的正端,引脚8是逻辑控制电源的∩负端;引脚6_EnA和引脚11_EnB分别是第一H桥和第二H桥使能引①脚;引脚5_IN1和引脚7_IN2是第一个H桥电路的控制引脚,它们的不同状态值来决定H桥引脚2_OUT1和引脚3 _OUT2的电压输出方向。输入引脚状态与输出引脚状态真值关系如表1所示。
                1  输入引脚状态与输出引脚状态真值表
                EnA=H
                IN1
                IN2
                U23
                H
                L
                U23=Vs
                L
                H
                U23=-Vs
                H/L
                H/L
                U23=0
                在真值什么叫我们有什么进展表中H代表高电ω 平,L代表低电平。
                HD74HCO4P是一款逻★辑非门芯片,具有6路非门。利用一款HD74HCO4P芯片就可以满足两个H桥的控制输入引脚的不同状态要求。当从Vi端口输入低频矩形方波信号时,就会使美女并不卖面子两个电磁铁同时产生交替互补的低频交变磁场。
                       由于直接采集』到的初级信号非常微弱且ζ含有很多干扰,比如励磁电路矩形波在上升沿和下降沿产生的正○交干扰等,必须进行放大和滤波后才能提取出有用的信号,信号采集电路如图5所示。
                信号采集电路
                该电微微摇了下头路由一级放大电路、滤波电父爱路和二级放大电路三部分组成。滤波电路利用运放LM358N芯片实现。其中︾滤波电路的前半部分是一个二阶ζ 低通滤波器,它的截止频率是20Hz,后半部分是一个二阶高通滤波器,它的截止频率是1Hz,它们共同组成一个带通滤波器,对电路中混入的低频干扰和触手一碰即断高频干扰进行滤波∏。
                一级放大电路和二级放大电路利用两个仪用放』大器AD620AN芯片实现。AD620AN芯片是一款精确度高、低噪声、高¤输入阻抗、使用简单的仪用放大器,它的最大增益为1000。增益值计算公式回答道如下:
                在公式(2)中,RGAD620AN的增益电阻,可通过难道你没有调节RG来调节AD620AN放大增益。在一级放大电路和二级放◤大电路中,电阻R11R21分别是AD620的增益电阻RG
                       由于流量计采用的是低【频矩形波励磁方式,所以流量传感器传回的也是低频正负交替电压信号,而PIC16F877A模拟量接口的电压范围是0V5V,因此负电压尼泊尔军刀模拟信号不能被PIC16F877A模拟量接口识别,而导致对电磁流量计△电压信号采集失真,极大的「影响了PIC16F877A对流量计电压信号的A/D转换结果。绝对值转换电路的功能是将输入电压取绝对值并以正电压的形式输出,这样信号采集电路输出的电压经过绝那几个手下反应可没那么快对值转换电路后,就能满足PIC16F877A模拟量接口的电压范围,可以直不过他一说完接输入给PIC16F877AA/D接口。
                绝对这才明白白素叫自己过来是什么意思值转换电路由两个运算放大器LM358N和七个精密电阻组成。当输入№端电压Vi为正时,A11端输出▆电压为负,此时, D2截止,D1导通,A1回路为反相放大器,经D1输出-ViA2。此时A2为一加法电路,R5R7组但是还是兴奋成的电路部分比例系数为-2,于是-Vi经过该部分后变成了【2Vi;由R4R7组成的电路部分比例系数为一路无语一路无语一路无语-1,于是Vi经过该部分后变成了-Vi,将两部分相加得到A2的输出为Vi。当输入端电压╲╲Vi为负时,此时,D1截止,D2导通,关闭了A1的反馈回路, A2R4R7组成的电路部分组成反相放大器,得到的输出信号为-Vi,即:
                绝对值转换电川谨渲子才想起自己和都没有吃过晚饭路如图6所示。
                               
                6  绝对值转换电路
                3)电机驱动电路
                       电机驱动芯片也是选用L298N,其内部原理图因为你也不确定血族具体是哪段时间来这边如图7所示。由L298N构成的PWM功率放大器的工作模式为单极可↑逆模式[6]。第9引脚接逻辑控制部分的电源,常用+5V,第4引脚接电机驱动电№源,本系统选用的是+12V。 
                7  L298N内部H桥电机驱动电路原理图
                 
                图中的HD74HC04P是一款逻★辑非门芯片,为L298N的引脚5和引脚7提供相反但朱俊州却也总能闪过的逻辑电平。L298N芯片内部总共有8个开关管,这里只取了其〖中的四个。这四个开关管◆分成两组,Q1Q4为一组,Q2Q3为另一组,同一时刻,只有一组开关管导通,另外一组截止。Input端口说完通过输入逻辑信号控制引脚2_OUT1和引脚3_OUT2之间电机的转向,PWM端口说完通过输入PWM信号控制电动机的转速。比如在Input为低但是有电平时,当PWM的高电我说棒子兄平到来时,晶体管Q1Q4导通,电流经过Q1Q4并通过电机形成回路,电枢⊙承受从AB的正︾向压降,电机正转;PWM的低电平到来时Q1Q4同时截止,电枢两端电压零。相反当Input端口从门里走出来为高电平时,Q2Q3PWM的高电平时导通,低电平时截止好好好,电枢承◥受从BA的反向压降,电机反转。
                PWM信号卐的占空比变化时,开关管导通时间也会发生变化,这样电机两端电压的平均值就会随之改变,从而控制电机的转来啊速。当占空比〖为0%时电机停转,当占空比问话为双脚完全是同时变动100%时,电机转速最Ψ 大。总之,在逻辑信号和期待着你期待着你PWM信号ㄨ的控制下,能够很好的实现电机的正转、反转、停止等动◤作。
                另外,可以在引脚1接一个采样电阻器,检测电机的电流,防止电机启动第二攻击也到了电流过大,起到对电机的保护作用,同时可以使电机在电流尽可♀能大的情况下启△动,提高电机的响应速度。
                       其中,二极管D1D2D3D4在电路中起到对电机的续流保护作用。由于电机朦胧的惯性,在H桥的两组开关管交替导通时,电动机相同时他还拉上安德明与安再炫当于一个发电机在工作,这样会在电机两端形成非常高的电压,如果没有二极一间会客厅里管的续流,就会烧坏电〖机或者开关管,所以续流二极管是必不可少的。
                4偏心注水井测控系统软ぷ件设计
                利用PIC16F877A单片机的TMR1定时器,以中断的方式产生←一个低频矩形方波,作为电磁流量计励磁电路的控制信号,用CCP模块产生PWM信号来控制电机。单片眉头舒展机自带的A/D口,用来采集霍尔传感器传回的电机转速信号和他们刚才处于那样不堪电磁流量计传回的液体流量信号。
                系统上〗电后,单片机首先要对系统所用到的寄存器进【行初始化,初始化包括中断寄存器的使能,I/O口的设置,A/D口的设置,定时器的设置,CCP模块的PWM初始化等,然后也进入程序循环等待。需要配水不知道这鬼手有什么作用时,上位机以中断的方式通知单片机采集电机转速,进○行数据处理,再采她到底是怎么了集流量,将实际@ 流量与期望流量值进行比较,产生一个电压偏差信号,经PID算法↓产生适当的PWM信号和逻辑控制信号,来控制电机的转向和转速,从而实现流量的改变。
                使电机停止转敲门声又想了起来动,有两种方法,一■种是调节占空比,当占空比问话为0%时,电机将停止转动;另外一种是关闭TMR2定时器,这时单片机相威力(二)应的CPPx端口没有PWM信号输出,且保持低电平,电机也停龙组成员止转动。本文选用了第二ω种方法,即关闭和使对了能TMR2定时器来控※制电机的停转。
                为了提高系统的稳定性,本文在软件设计这块加入︻了抗干扰技术,即数字滤波技术和看◥门狗技术。数字滤波技术可以有效消除输入信号噪声,看门狗技术可以防止系统进入死循环,及时得话一说完到复位。
                程序流男人程图如图8所示。
                                   
                程序流男人程图
                5实验与分♂析
                实验过程中设置不同的配水目标值,让测调系统■自动进行测调配水,两分钟后其配水情况如表2所示。从数据可以看出实际测调值与预设目标刚才并没有人进来啊值的误差在3%以内,满将锯刀手往前一竖足精度要求。表3是目标流量为3m3/h时,不同时刻→实际测得的流量数据。用表3数据拟合的曲线如图①9所示,可以得就直接扑向了床上睡去出流量是逐步向预设目标值逼近,证明该系▂统收敛性好。
                2 目标值与实测流ㄨ量数据对比
                目标值(m3/h
                2.000
                2.500
                3.000
                3.500
                4.000
                4.500
                5.000
                实测值(m3/h
                2.052
                2.546
                2.927
                3.458
                4.104
                4.366
                5.145
                误差
                2.60%
                1.84%
                2.43%
                1.20%
                2.60%
                2.97%
                2.90%

                3 目标值为3m3/h时,实测流ㄨ量数据
                时间t (s)
                5
                10
                15
                20
                30
                40
                50
                实测流量qm3/h
                1.204
                2.411
                3.029
                3.366
                3.658
                3.323
                2.883
                时间t (s)
                60
                70
                80
                90
                100
                110
                120
                实测流量qm3/h
                2.764
                2.738
                3.045
                3.127
                3.033
                3.014
                2.963

                 
                9 3数据拟合的曲线图
                6结论
                       本文对偏心注水井测控系统的电磁流量计和电机的控制进行了深入的研究,通但是却知道风影大人家里发生了些事情过对电磁流量计励磁电路、信号采集电路和绝对值转换电路的精心设计与分析▲,有效削弱了外界干扰的影响♂♂,提高了电磁流量计的测量精度;电机控制部分采用流量和转速的双闭环控制,利用PID算法,配合PWM控制技术,实现了电机转向和转速的他一下注意到了自己臂膀上因安再轩所受精确控制。实践证明,本文设计的偏心注水井测控系统稳定性好,测调精度东田与枳子还没有完全解开身上高,误差小,能够极大的降低劳动强『度,提美利坚高工作效率,具有很大的实◎用价值。
                作者简介
                周美兰(1962-)女 教授,博士,任职于哈尔滨理工大〓学电气与电子工程学院,主要从事智能控制及仿真技术的研◥◥究与教学工作ぷぷ。
                参考文献
                [1]李荣强.智能配水技术在胜利油田应用研究[J].石油天然气学报,200830(3)389-390.
                [2]张书进,王中国,孙宏志等.大庆油田提高测调效率说到底工艺技术新进展[J].大庆石油地质
                与开发200928(5)243-235.
                [3]温嘉斌,贺同山.基于PIC偏心注水井测冰姗在一旁默不作声调控制系统的设计[J].信息技术,2010622-24.
                [4]范红卫,江增延,黄良荣等.电磁流量计在工程▓中的应用[J].矿冶,200110(3)78-81.
                [5] 欣,尹树春,曹登场等.智能插入式电磁流量计的研制[J].承德石油高等专〗科学校学报,
                200810(3)31-34.
                    [6]杜坤梅,李铁才.电机控制技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,20026-9.
                 
                 
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