基于RFID技術的壓裂滑套控制系統設計

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(1.川慶鉆探工程有限公司 長慶鉆井總公司， 西安 710021；2.長慶油田分公司 儲氣庫管理處，陜西 靖邊 718500)

水平井分段壓裂技術是提升石油產能以及開采效率的有效途徑，但隨著水平井長度和壓裂級數增加，井內的流動性受到了嚴重的限制，且施工復雜[1]。為了有效地克服這些弊端，設計了一種基于射頻識別技術(RFID)的壓裂滑套控制系統，該系統是將RFID技術與控制系統有機結合，通過向井內投放RFID標簽球，當控制系統中的識別模塊識別標簽球中的信息后，系統根據相應指令驅動壓裂滑套系統工作。系統能有效地識別標簽球中的信息，可實現對滑套的多次壓裂，能有效地提高石油的開采效率[2]。

1 系統組成

基于RFID技術的壓裂滑套智能控制系統主要由RFID通信裝置、直流無刷電機控制裝置、數據信號采集裝置以及滑套執行裝置組成。通過RFID通信裝置獲取標簽球中的信息，由閱讀器識別并解碼后，將標簽球中的信息發送至電機控制裝置，由電機的正反轉實現滑套的開啟和關閉[3]。從而實現對滑套壓裂級數的準確控制，保證油井作業的可靠運行，系統整體控制框圖如圖1所示。

圖1 系統控制框圖

1.1 RFID技術原理

射頻識別技術(Radio Frequency Identification)具有非接觸自動識別的特點，其由標簽、閱讀器以及天線構成[4]。RFID結構框圖如圖2所示，標簽球內部是由天線和控制芯片構成，且每個控制芯片都燒錄唯一的ID，便于識別；天線是用來實現與閱讀器數據交互。閱讀器是用來識別解碼標簽球中的信息。

圖2 RFID結構框圖

本文采用天線耦合的方式實現標簽球與閱讀器之間的數據交互，其主要是利用電磁波原理。將天線置于滑套的內外管徑中間，閱讀器利用輸出電壓激勵天線產生一定頻率的射頻磁場，當標簽球流過射頻磁場區域時，閱讀器與標簽球通過天線發送耦合效應，標簽球將內部存儲的數據編碼后向外發送，閱讀器接收到此信號后，對其解調和解碼以還原標簽球內存儲的數據。閱讀器與標簽球數據交互原理如圖3所示。

圖3 RFID閱讀器與標簽球數據交互原理

1.2 工作流程

壓裂滑套控制系統以及RFID通信裝置均安裝在滑套內外管徑之間，壓裂滑套控制系統如圖4所示，將標簽球投放到滑套管道中，當RFID標簽球流過天線時就會被激活，然后由閱讀器識別解碼標簽球中的信息，電機控制系統根據接收到的信息驅動電機轉動[5]。當電機正轉時通過絲杠將電機轉動轉換為直線運動來拖動滑套開啟；當電機反轉時則滑套關閉。

1—投球器；2—RFID通信裝置；3—滑套控制系統；4—直線無刷電機。圖4 壓裂滑套控制系統

2 控制系統硬件電路設計

壓裂滑套控制系統主要由STM32F103單片機、電機驅動裝置、電機電流檢測與過流保護電路、壓力溫度采集電路、RFID閱讀器以及RFID標簽球組成[6]。RFID閱讀器由無線收發芯片、電源電路以及天線組成，其與STM32F103通過SPI總線方式進行數據通訊。控制系統接收來自RFID閱讀器中的信息實現對電機的驅動控制。壓力溫度檢測電路主要用于采集系統在油井下工作的各項參數，實時掌握控制系統的工況。電流檢測與過流保護電路的目的是為了保護電機正常運行，以防電機在過載和故障時運行造成裝置停車，造成經濟損失。控制系統硬件框圖如圖5所示。

圖5 控制系統硬件框圖

2.1 電機驅動電路

電機驅動電路是整個控制系統的核心部分，其主要作用是完成對RFID標簽球信息的轉換[7]。電機驅動部分由電機驅動電路和24V直流無刷電機組成，其中電機驅動部分主要由全橋驅動芯片IR2136以及6個N-MOS管IRFS4127P組成。IR2136全橋驅動芯片是高壓高速MOS管驅動芯片，具有自我保護功能，當檢測到輸出端過流時，芯片通過ITRIP引腳輸入高電平使得IR2136關閉輸出，起到保護電機的作用。N-MOS管IRFS4127P的漏極輸入電壓高達200 V以及可承受高達72 A的導通電流[8]。單片機STM32F103利用定時器輸出的6路PWM波去控制電機的正反轉，通過調節PWM波的占空比實現對電機轉速的控制，電機驅動電路圖如圖6所示。

圖6 電機驅動電路設計

2.2 電流檢測與過流保護電路

系統利用阻值為20 mΩ高精度采樣電阻R51將電機母線電流轉換為電壓信號，通過由AD817組成的放大電路，把此電壓信號放大5.7倍，將IMotor端送入單片機內部的A/D轉換器進行模數轉換，最后根據對應關系完成對電機電流的檢測[9]。過流保護電路是由AD8610構成的比較器組成，其原理是將過流電流信號轉換為電壓信號，再將此信號與基準電壓2.5 V進行比較，當電機過流時比較器電路就會輸出5 V電壓，最后通過ITRIP端給IR2136的ITRIP引腳一個高電平觸發信號，使得IR2136關閉輸出端起到保護電機的作用。電路圖如圖7所示。

圖7 電流檢測與過流保護電路

2.3 電機轉速采集電路

電機轉速的采集是利用無刷直流電機內部的3個霍爾傳感器實現，當磁極略過霍爾傳感器時，霍爾傳感器就會根據轉子當前磁極的極性輸出對應的高低電平[10]。通過分析霍爾傳感器輸出高低電平的時序，就可以得出電機轉子的位置。根據霍爾信號輸出高低電平時序的頻率，就可以計算出轉子的速度。電路圖如圖8所示。

圖8 電機轉速檢測電路

當采集電機霍爾信號時，為了不影響電機原始的霍爾信號，本系統利用反向器SN74AHC實現對霍爾信號的隔離采樣。利用15V上拉，當沒有霍爾信號時，使得反相器輸出低電平防止誤觸發。

3 軟件設計

滑套控制系統軟件采用C語言編寫，仿真調試環境為Keil 5.0。系統程序主要包括定時器輸出PWM波控制電機正反轉程序、電機轉速調節程序、A/D采樣程序以及RFID閱讀器通訊程序等。滑套控制系統的主程序主要完成系統初始化、I/O口初始化、寄存器初始化、定時器參數設置等操作。系統啟動時，根據識別到的RFID標簽球中的信號進行解碼，根據標簽球中的信號來控制電機的正反轉，實現對滑套壓裂級數的控制。A/D采樣程序以及中斷服務程序是用來檢測電機的電流以及轉速，根據采集到的轉速和設定的轉速來計算得到相應的PWM頻率、占空比。系統軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統軟件流程

4 試驗數據分析處理

根據軟硬件設計，研制出基于RFID技術的壓裂滑套控制系統。為了驗證系統性能，在試驗室條件下搭建如圖10所示的測試環境。把RFID標簽球從投球器投入到滑套管道中，利用輸液泵控制輸送到滑套中的流體流速在2.0～5.5 m/s，試驗時輸送的流體為水。首先驗證RFID閱讀器的準確率，將RFID標簽球投入到管道中，當標簽球經過RFID閱讀器時，閱讀器就會識別、解碼標簽球中的信號并驅動電機完成滑套開啟或關閉的控制。為了避免試驗的偶然性，在每種流速下投入10個標簽球，驗證系統能否有效的識別出10個標簽球。為了避免各個標簽球之間干擾，每次只投入1個。測試數據如表1所示。

圖10 試驗臺架原理

輸液泵輸送速度/(m·s-1)識別標簽球個數識別率/%接收數據正確率/%2.0101001002.5101001003.0101001003.5101001004.0101001004.5770705.0770705.566060

由表1測量數據可知，當流體的流速不超過4 m/s時識別率最高，當流體流速增加時，系統對標簽球的識別率逐漸降低。因此，為了保證系統的高可靠性，必須有效地控制輸送流體的速度不超過4 m/s，在此流速范圍內系統能100%識別到標簽球，并接收到標簽球中的數據及完成對電機的控制。

驗證完RFID閱讀器能有效識別標簽球后，接下來驗證系統能否有效地根據標簽球中的數據驅動電機實現對滑套開度的精確控制。試驗時向標簽球中寫入4種控制命令，分別對應滑套的開度為全開、3/4開、1/2開和全關，每一種控制命令控制電機轉動相應的圈數，即對應滑套的一個絕對開度。試驗數據如表2所示。

試驗結果表明，當流體流速在4 m/s之內時，滑套控制系統的執行率為100%，利用計量尺測量滑套的開度與實際的開度進行對比，可得滑套開度的誤差在5%內，符合設計預期。

表2 滑套開度測試數據

5 結語

設計了一種基于RFID技術的壓裂滑套控制系統，系統的創新點是將射頻識別技術(RFID)和無刷直流電機控制系統有機結合，通過識別RFID標簽球中的信息完成對電機正反轉的控制，從而實現對滑套壓裂級數的智能控制。試驗結果表明，系統能通過驅動電機轉動達到控制滑套開度的效果，實現對滑套開度的精確控制。經多次試驗，將系統控制滑套的開度與計量尺測得的開度進行對比，平均誤差在5%內，達到設計預期，具有一定的工程應用價值。