防 噴 器 控 制 裝 置 的 調 試 系 統 設 計

相恒富, 王龍庭， 張彥庭

(中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在油氣井鉆采作業中，井控設備起到了預防事故發生以及處理事故的作用，而防噴器(Blowout Preventer,BOP)作為一種典型的井控設備，它必須配備控制裝置，在發生井噴、井涌等突發情況時，通過控制裝置提供的壓力油及時對防噴器開關動作進行控制，若防噴器控制裝置不能及時對防噴器進行控制或出現故障，后果將不堪設想。所以為了確保防噴器控制裝置在使用時的控制能力，在控制裝置使用前，或在使用一段時間后，對其進行調試是非常重要的[1-2]。

防噴器控制裝置的調試試驗是指借助于防噴器控制裝置調試系統，對防噴器控制裝置進行一系列的調試試驗，用于評判防噴器控制裝置的反應速度、耐壓性和密封性等工作性能。包括：關閉時間試驗，蓄能器組充壓時間試驗，泵組自動啟停試驗，溢流閥超壓保護試驗，耐壓試驗和油密封試驗等。防噴器控制裝置的調試試驗是防噴器控制裝置正常使用的保證[3]。

現在市面上大多數是防噴器的調試系統，而關于防噴器控制裝置的調試產品很少，而且，大多數防噴器控制裝置的調試試驗是通過控制臺來進行的，不但不利于試驗數據的處理和保存，而且對于那些沒有控制臺的手動控制的防噴器控制裝置來說進行調試試驗非常不便[4-6]。

為了對防噴器控制裝置進行調試，本文采用Matlab開發了一個防噴器控制裝置調試試驗的平臺，能夠實時監測防噴器控制裝置中蓄能器組的壓力，并可通過人機交互控制防噴器控制裝置里的電泵啟動和停止。

1 防噴器控制裝置調試系統設計方案

1.1 實驗系統基本功能要求

根據地面防噴器及控制裝置標準SYT5053.2-2001的規定[7]，防噴器控制裝置在使用前必須進行一系列的調試試壓，才能投入生產使用，以保證防噴器控制裝置的安全性和可靠性。在廣泛調研國內外防噴器控制裝置調試實驗的基礎上，結合現有實驗室的實驗條件，設計防噴器控制裝置的調試實驗系統應能完成如下幾個主要的調試試驗。

(1) 關閉時間試驗。在調壓閥出口壓力為10.5 MPa條件下，操作各操作閥，記錄關閉閘板防噴器和液動閥的時間。

(2) 蓄能器組充壓時間試驗。遠程控制臺泄壓到7 MPa，各三位四通液轉閥位于“中位”的情況下，啟動泵組給蓄能器組充壓，記錄從充壓開始至壓力升高到21 MPa的時間。

(3) 泵組自動啟停試驗。試驗電泵，將蓄能器組壓力從(200±0.7) MPa緩慢下降18.9 MPa時，觀察泵是否能自動啟動；泵啟動后，當壓力升到(200±0.7) MPa時，觀察泵能否自動停止。

(4) 溢流閥超壓保護試驗。在主令開關放在手動位置、切斷液氣開關的情況下，啟動泵組逐漸升壓，觀察溢流閥開始產生溢流的壓力，并且觀察隨著系統壓力降低，導致溢流閥關閉的壓力。

(5) 耐壓試驗。油管末端用絲堵堵嚴，關閉蓄能器截止閥，開啟旁通閥。高壓溢流閥調定在34.5 MPa，啟動電泵，使壓力升至地面防噴器控制裝置標稱壓力的1.5倍。將各三位四通液轉閥放在“中位”，停泵保壓10 min后，檢查各個部件有無明顯泄漏，有無明顯變形、裂紋等缺陷，并檢查3 min內的壓力降。管排架和高壓軟管單獨進行1.5倍標稱壓力的耐壓試驗，保壓10 min，檢查各部位有無泄漏，有無明顯變形、裂紋等缺陷。

(6) 油密封試驗。在蓄能器壓力為21 MPa、調壓閥出口壓力為10.5 MPa和管匯壓力為21 MPa的情況下，用絲堵封嚴油管末端，并使各三位四通閥分別在“中位”“開位”和“關位”換向5 min后，觀測轉閥在中位、開位或關位時3 min的壓力降。

1.2 調試系統總體方案設計

防噴器控制裝置的調試試壓系統應具備壓力數據的實時采集與顯示，并能夠對防噴器控制裝置的電泵進行控制，是因為通過調試系統能對防噴器控制裝置的電泵實現控制，可在極大程度上方便試驗人員進行試驗，并且有些試驗例如電泵啟停試驗，需要測試防噴器控制裝置對控制的反應能力，這時候便用到了調試系統的功能。

為實現防噴器調試系統的數據采集與控制功能，采用PC上位機和單片機下位機系統架構的設計方案，通過使用Matlab上位機軟件進行圖形用戶界面程序的編寫，程序能夠實時采集電子壓力傳感器的壓力信號，與試驗壓力進行比較，然后將分析結果反饋到防爆磁力啟動器上來控制防噴器電泵的自動運行，數據采集與控制信號與計算機的通信均采用串行通信進行數據傳輸。防噴器控制裝置調試系統的建立可使學生掌握防噴器控制系統的基本操作規程，并完成控制裝置的整套調試試驗系統的設計，從而能夠完整掌握鉆井井控原理及重要意義。系統的功能框圖如圖1所示。

圖1 調試系統的總體方案設計

2 防噴器控制裝置調試系統硬件設計

2.1 數據實時采集系統設計

數據實時采集是通過壓力變送器檢測壓力值，然后傳到采集卡將壓力信號轉化為一個電壓的數值，接著采集卡通過串口通信將電壓值傳到上位計算機上，最后通過上位計算機上的應用程序將電壓值轉換為壓力值顯示在用戶界面上。如圖1所示，數據采集卡選用研華公司生產的16位A/D、8通道的模擬量輸入模塊的ADAM4117[8]，壓力變送器選用廣州施氏有限公司所生產的SDD602-B-1-35M-I-S-ZC，其工作原理是：壓力變送器里面有測量膜片，當它的表面受壓時，膜片會產生微小的形變，壓力變送器里的高精度電路會把此微小的形變進行轉換，轉換出的信號和壓力成正比且與激勵電壓成正比，接著內部芯片可以把這個電壓信號輸出[9]。由于ADAM4117采集卡是以RS-485接口輸出信號，而大多數計算機的接口為RS-232，為了讓采集卡和計算機進行通信，需在兩者之間加入一個UT-218轉換器，UT-218是由UOTEK公司生產的RS232/RS485/RS422轉換器，其工作方式為異步半雙工或異步全雙工。

2.2 控制系統設計

如圖1所示，控制系統將控制的指令通過串口通信從上位計算機傳輸到下位單片機中，單片機根據指令控制防噴器電泵的磁力啟動器，從而實現對防噴器的控制。由于單片機是弱電，而防噴器的磁力啟動器為380 V的強交流電，單片機不能直接控制強電，需要接一個光電耦合裝置，光電耦合裝置選擇美格爾公司生產的MGR-1 D4810固態繼電器，它是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關，用隔離器件實現控制端與負載端的隔離[10]，固態繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅動大電流負載。為保護單片機，采用單片機接弱電繼電器，再接固態繼電器的方案，以防電路出現異常，燒毀單片機。所用的單片機是STC89C52RC單片機，是STC公司生產的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系統可編程Flash存儲器[11]。

防噴器控制裝置調試系統的硬件實物圖如圖2所示，主要部件為ADAM4117采集卡、STC89C52RC單片機模塊和MGR-1 D4810固態繼電器之外，還有配電箱、DZ47LE-32空氣開關、T-100D變壓器、UT-218轉換器，RS-232串口通信線等。

圖2 防噴器控制裝置調試系統的硬件實物圖

3 防噴器控制裝置的調試系統軟件設計

防噴器控制裝置調試試壓的軟件程序主要包括壓力數據采集程序和防噴器控制程序的編寫。壓力采集程序采用Matlab語言編寫，主要分為串口通信、實時采集、壓力轉換三部分。要想采集卡與計算機進行通信，必須在應用程序里編寫串口通信的程序，串口通信程序包括創建串口、設置串口參數、打開串口、讀取串口信號、關閉串口、刪除串口等內容[12-14]。實時采集的程序采用for循環查詢，讓串口在循環周期內讀取信號，所設的時間間隔為0.5 s，當需要停止采集時，通過break函數跳出讀取信號的循環即可。計算機從采集卡里讀取到的壓力信號是以電壓值表示的數字信號，由于壓力變送器的量程是0～35 MPa，而輸出電壓范圍是0～5 V，所以實際的壓力值是其對應的電壓值的7倍。

控制程序主要分為兩大部分：一個是應用程序里的控制程序，采用Matlab語言進行編寫，與采集程序一樣，具有與單片機進行串口通信的功能；另外一個是單片機里的程序，采用C語言進行編寫，主要設置串口通信，以及設置單片機控制管腳[15]。

采用Matlab GUI界面編程語言對防噴器控制裝置的軟件進行了功能設計[16-17]，該應用程序的功能框圖如圖3所示，主要由主界面，試驗內容界面，相關人員介紹界面，選擇控制裝置類型界面，試驗項目界面，關閉時間試驗界面，蓄能器組充壓時間試驗界面，泵組自動啟停試驗界面，溢流閥超壓保護試驗界面，耐壓試驗界面，油密封試驗界面，計時器界面等組成，每個界面的功能和內容都不一樣。

圖3 調試系統的功能框圖

調試系統應用程序主界面如圖4所示，這個界面主要說明了整個應用程序的名稱“防噴器控制裝置的調試系統”，還有一個“進入”的按鈕，點擊該按鈕可進入到下一個界面。在界面左上方的菜單欄里有四個子菜單，分別是“文件”“試驗裝置”“關于”“退出”，若按下“文件”菜單，將會彈出一個名為“數據”的文件夾，里面將保存著每次調試試驗的數據。若按下“試驗裝置”子菜單，則會彈出下級子菜單，分別為“FK普通防噴器控制裝置”“FKQ氣控防噴器控制裝置”“FKDQ電氣控防噴器控制裝置”“FKWDQ無線遙控防噴器控制裝置”，該子菜單作用是讓試驗人員選擇所要進行試驗的防噴器控制裝置的類型。例如點擊“FK普通防噴器控制裝置”會彈出試驗項目及基本參數設置如圖5所示，提供了6個試驗項目，分別為“關閉時間試驗”“蓄能器組充壓時間試驗”“泵組自動啟停試驗”“溢流閥超壓保護試驗”“耐壓試驗”和“油密封試驗”。

圖4 防噴器控制裝置調試系統軟件主界面

(a) 關閉時間試驗

(b) 蓄能器組充壓時間試驗

(c) 泵組自動啟停試驗

(d) 溢流閥超壓保護試驗

(e) 耐壓試驗

(f) 油密封試驗

圖5 防噴器控制裝置試驗項目界面圖

為了保證試驗人員能有序地完成調試試驗，剛進入試驗項目界面時，只有第1個試驗項目的按鈕可點擊，其余試驗項目按鈕為灰色且不可選，等做完第1個試驗時，第2個試驗的按鈕才可用，以此類推。界面底下有“保存數據”和“返回”的按鈕，在試驗未完成時點擊“保存數據”會彈出一個窗口，詢問你試驗未完成是否保存數據，點“是”的話，將數據存入名為“數據”的文件夾中；點“否”的話，則留在試驗項目界面。在試驗完成之后點擊“保存數據”，直接將數據存入名為“數據”的文件夾中。點擊“返回”按鈕會返回到主界面上。

以“蓄能器組充壓時間試驗”為例，如圖5(b)所示，試驗時先將蓄能器組泄壓和升壓的數值填入相應位置，然后點擊“采集”按鈕，進行壓力信號的采集，此時觀察蓄能器組從泄壓值升到規定壓力上限的情況，并用上述計時器進行計時，并將時間值填入相應位置，完成試驗之后，點擊“保存數據”，數據會保存到創建的Excel表格里。試驗后必須點擊“停止”，不然在點擊“返回”時，會彈出警示窗口，提示試驗人員停止采集，只有保存完數據以及停止采集之后，點擊“返回”才能退出返回試驗項目界面。

4 結 語

對防噴器控制裝置的調試系統進行了設計，系統包括數據采集和控制兩個功能。數據采集通過傳感器將壓力信號轉換為電信號傳到采集卡中，然后通過串口通信將采集卡中的電信號傳到計算機中，最后通過調試系統的應用程序進行處理，并將采集到的壓力值顯示在用戶界面上；而控制功能的實現主要是通過調試系統的應用程序發出指令，然后通過串口通信將指令傳到單片機上，單片機通過繼電器來控制防噴器控制裝置中的防爆磁力啟動器，進而控制防噴器電泵的運行。

該調試系統的主體功能是能為防噴器控制裝置進行一系列的調試試驗，該調試系統具備了數據實時采集與顯示、程序執行控制及串口通信等功能，并對用戶界面的操作進行了說明。

該裝置結構簡單，易于實現模塊化，裝配和拆裝方便，占用實驗空間小。通過模擬實驗表明實驗運行可靠，可信度高。