井下智能開關器的研究與設計

柴遠波，溫迎飛，郭曉偉

（黃河科技學院 河南 鄭州450063）

井下智能開關器的研究與設計

柴遠波，溫迎飛，郭曉偉

（黃河科技學院 河南 鄭州450063）

井下智能開關器應用于油井分層采油技術中，是找、堵水應用中的關鍵技術。本文采用單片機控制技術設計井下智能開關器，通過串口通訊將設定好的智能開關器動作時間和動作類型下載到單片機內部的數據存儲器中，通過器件選擇及軟硬件設計，使系統可以滿足低功耗、耐高溫的要求，能夠長時間穩定運行于高溫惡劣的井下環境中，解決了機械傳動閥門控制技術中存在的難題。

分層采油；智能開關器；高溫；低功耗

石油被譽為“工業血液”，是關系國計民生的戰略資源。在今天全國石油消費量迅速增長，但石油產量增長卻低于消費增長。要解決石油短缺的能源問題，除了開發新的代替能源外，還應該加大對石油的開采力度，提高石油的采收率。

目前在我國應用比較廣泛的是機械傳動進行分層找、堵水及分層采油。在分層采油的換層過程中，其關鍵技術就是封閉各層的閥門開關。使用電動閥門可以顯著提高控制系統的精度和可靠性，減少維護的工作量。增加單片機作為控制器，控制直流電機動作來推動絲杠以此帶動閥門的打開和關閉，這樣就可以實現自動控制。

1 油井智能找堵水系統硬件設計

本設計整體框架如圖1所示，井下智能找堵水控制系統設計主要分為上位機和下位機兩個部分[1]。其中，上位機程序使用Visual Studio 2008中的VB.NET編寫，設計中涉及到了串口數據傳輸、數據庫、各種控件的使用等問題；下位機部分包括了電機驅動電路的設計、整體程序設計等具體問題。

系統設計總體主要分為3個模塊：電機驅動部分、串口發送接收部分、電機過載檢測部分。下面分別對這3個部分介紹[2]。

圖1 系統整體框架Fig.1 An overall system framework map

1.1 電機驅動

井下智能開關控制器控制井下各油層的打開和關閉，其執行機構為直流電機，由單片機控制其執行動作。單片機輸出電平為COMS電平，而電機要運行需要12 V的直流電壓，所以需要增加電機驅動電路。

1.2 串口發送接收電路

系統的動作指令通過上位機來設定，之后需要通過串口通訊將設定好的數據發送到單片機中，這時用到了單片機的串口模塊——增強型通用同步/異步收發器（EUSART）模塊。它是一個串行I/O通信外設。該模塊包括所有執行與器件程序執行無關的輸入或輸出串行數據傳輸所必需的時鐘發生器、移位寄存器和數據緩沖器。

1.3 堵轉電流檢測電路

當電機堵轉時會產生大電流，會使系統的元件燒毀，所以需要采取措施避免這一情況的發生。為此，系統增加了電機堵轉電流檢測電路，其原理圖如圖2所示。當電流過大時，流過三極管基極電阻的電流通過電阻產生基極電壓使三極管導通，此時，PI為低電平。這樣，可以通過檢測PI端的電平變化來檢測電機是否發生堵轉。

圖2 電機堵轉電流檢測電路Fig.2 Motor stall current detection circuit

2 系統整體程序及上位機軟件設計

完成了下位機的設計后，需要完成下位機程序和上位機軟件的設計內容。下位機程序即PIC單片機程序的設計是在MPLAB集成開發環境中完成的，其中包括了程序編寫、編譯、調試等工作。而上位機軟件是用VB.NET編寫而成的，其中使用到了Visual Studio 2008集成開發環境，硬件電路設計完成后，系統的主要功能將依賴于軟件來實現。系統能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設計外，與功能完善的軟件設計是分不開的。本文采用C語言完成系統上位機和下位機的軟件設計的整個控制流程。

2.1 調試環境MPLAB-IDE

單片機的集成開發環境 IDE （Integrated Development Environment）是將單片機的匯編、模擬調試、編程器和硬件仿真器的應用軟件集成在一起的一種單片機開發應用平臺，是一種集成開發軟件系統[3]。

2.2 PIC單片機編程

編寫好的C語言程序經過編譯后生成HEX文件，需要將HEX文件下載到單片機中，單片機才能工作。PIC單片機的編程軟件界面如圖3所示[4]。按照界面顯示的步驟，先選擇單片機型號，然后載入HEX文件，接著修改配置字，最后程序下載，點擊自動操作開始下載，編程界面上的進度條顯示下載進度，直到下載完成。

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

2.3 上位機軟件設計

VB.NET是Visual Basic.NET的簡稱[5]，VB.NET采用事件驅動機制，即通過觸發事件來運行程序。按照界面設計的一般步驟來開始上位機軟件的編寫。步驟如下：

創建一新的項目，并為項目命名“OilWellProject”。

打開或創建項目后，默認的窗體是form1,我們就使用它作為應用程序的用戶界面。

向窗體添加文本、按鈕等控件，同時設置添加控件的屬性。

編寫程序代碼，即事件驅動程序。

點擊工具欄上的運行或按F5鍵即可運行該程序，調試看是否達到預期目的，否則繼續修改程序，直到實現目標要求。

按照步驟，經過多次修改和調試，完成之后的界面圖如圖4所示。界面圖中分為四部分：設置操作、數據庫數據顯示、下載數據及返回結果顯示文本框、按鈕操作。下面做簡要介紹。

圖4 上位機界面圖Fig.4 PC interface Figure

設置操作部分可以設置電機動作時間即第幾天執行，設置動作類型即打開或者關閉，同時需要給不同的智能開關控制器編號。這些設置會以數據庫的方式存儲起來，可以隨時添加數據、刪除數據和查詢數據。執行下載操作時還需要設置串口號。

設置操作完成之后的數據顯示功能由數據庫顯示控件完成。

按鈕部分可以完成的功能有：串口的打開和關閉、設置的數據寫入單片機、讀出單片機的記錄數據、清空文本顯示內容、退出界面。

當執行寫入操作時，文本顯示部分會將上位機發送給下位機的數據內容顯示出來，同時下位機返回給上位機的數據也會在文本顯示部分顯示出來。

3 系統總體調試

從以下3方面測試系統工作狀況。

1)低功耗。要想實現系統的正常運行和達到系統的運行要求，首先要解決低功耗問題。

2)數據的準確性。向單片機的EEPROM中寫指令時要確保所發送的數據字節數和字節內容是完全沒有問題的[6]。同時要求讀數據時數據也沒有錯誤，這樣就要求串口發送接受數據準確無誤。

3)時鐘計時準確。電機的動作指令是按照單片機的時鐘計時進行的，所以要求降低時鐘的誤差。

3.1 低功耗調試

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

從設計開始已經考慮到系統的功耗和耐高溫性能，所以在元件選型時選擇了低功耗耐高溫的元件。

系統設計初期采用5 V電壓供電，沒有考慮功耗問題，但是當系統功能逐步完善時就要考慮這個問題。由于井下蓄電池供電電壓的限制，同時也是考慮到低電壓供電時系統功耗降低，所以決定采用3.3 V供電。開始遇到了問題：3.3V電壓供電系統不工作。經過查閱資料發現，PIC16F883的欠壓復位默認為4 V，在5 V供電電壓時系統能正常工作，但是3.3 V電壓供電引起系統復位，所以工作不起來。經過配置字配置將欠壓復位設置為2.1 V，這樣3.3 V電壓就能使系統正常工作了。這樣就解決了低電壓供電問題。

據前面單片機特點的介紹：在32 kHz、2.0 V時工作電流典型值為11 μA，4 MHz、2.0 V時工作電流典型值為220 μA。對比之下，晶振頻率對功耗有重要影響。考慮到系統其他設計對震蕩頻率沒有特殊，于是將晶振頻率設置為32 kHz。

3.2 數據準確性調試

串口發送接收數據遇到了很多問題：數據發送丟數據、數據接收不準確導致電機不動作、串口亂發數據等等，但是這些問題最終都一一解決，系統能夠準確接收發送數據。系統發送與接收數據如圖5所示。上面是上位機發送的數據，下面為單片機根據上位機發送數據返回對應的操作數據。單片機根據不同的標識發送不同的數據，當前兩字節為0xDD時，單片機將上位機發送的數據寫入EEPROM規定的地址段中，同時將其中的數據從EEPROM中讀出再發送給上位機。上位機根據返回數據判斷設置是否正確，同時將信息顯示出來。當前兩字節為0xCC時，單片機在EEPROM的特定地址段分別寫0x00和0xAA，同時將其中的數據從EEPROM中讀出再發送給上位機，上位機判別是否擦除EEPROM成功。當前兩字節為0xBB時，單片機將EEPROM中存放記錄電機操作類型的數據讀出來發送給上位機。

圖5 串口發送與接收數據Fig.5 Serial port to send and receive data

3.3 時鐘計時準確性調試

時鐘計時的任務由定時器1來完成，而定時器1的時鐘源由內部振蕩器決定，所以計時的準確性主要由內部振蕩器的時鐘頻率決定。內部振蕩器時鐘不是不變的，在外部溫度變化的情況下，溫漂是影響系統正常穩定運行的難題。高溫條件下的井下智能開關控制器的時鐘控制信號由內部振蕩器提供。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和溫度之間的關系Fig.6 HFINTOSC frequency accuracy of the device between VDD and temperature

經過以上3個方面的調試，系統整體的測試基本完成，實現了設計要求的目標。下面設置前3天電機動作分別為打開、關閉、打開，編號為111111，下載數據到單片機，下載的數據和返回的數據分別顯示在文本框中，接著自動擦除EEPROM記錄電機動作地址段，上位機顯示返回數據及擦除結果。系統調試上位機顯示結果如圖7所示。

圖7 上位機顯示結果Fig.7 Shows the results PC

4 結論

常規井下關井作業及測試都影響了現代生產，井下智能開關器在生產中直接對某層位實現關閉與打開，消除了井儲及層間矛盾對試井資料的影響，提高了測試效率。井下智能開關器同時也具有適用性強、見效快、堵層可調等優點，為進一步油田良性開發拓展了空間，由此可見井下智能開關器具有很好的應用前景。

[1]杜香芝，李俊玲，劉玉艷.智能井下開關器在試油中的應用[J].石油機械，2001(8):50-51.DU Xiang-zhi,LI Jun-ling,LIU Yu-yan.Application of intelligent switching underground test oil[J].Petroleum Machinery，2001(8):50-51.

[2]祝榮榮，張士文.智能型閥門電動執行機構控制器的設計[J].工業儀表與自動化裝置，2005,4(1)：26-28.ZHU Rong-rong,ZHANG Shi-wen.Valve electric actuator controller design intelligent[J].Industrial Instrumentation& Automation,2005,4(1):26-28.

[3]羅翼，張宏偉，PIC單片機應用系統開發典型應用[M].北京:中國電力出版社.2005.

[4]趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例[M].北京：人民郵電出版社,2003.

[5]畢廣吉.Visual Basic.NET 2005教程[M].北京:機械工業出版社,2008.

[6]劉華毅，王妍.基于單片機的高溫井下智能閥門控制系統[J].儀器儀表用戶,2006(5):31.LIU Hua-yi,WANG Yan.SCM's high temperature downhole intelligent valve control system[J].Instrumentation Users,2006 (5):31.

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：201408141

鄭州市無線與移動通信網絡應用技術創新團隊(121PCXTD511)

柴遠波(1965—)，男，河南鄭州人，博士，教授。研究方向：移動與無線通信以及微電子SoC設計技術。