基于SoPC的节流控制系统研究＊

何志敏，梅大成，郑 巧

(西南石油大学 计算机科学学院，四川 成都 610500)

在高压油气井的钻井过程中，当地层压力大于钻井液液柱压力时，地层流体有可能进入井眼环空中，导致溢流，甚至井喷等事故，所以需要及时进行压井控制。目前，国内外大多采用单级节流管汇，这种管汇结构简单，但在使用中存在一些问题：一是节流阀的压降大，阀芯、阀座损坏严重，寿命极短；二是节流阀都是手动操作，工人的劳动强度大，压力控制精度低，容易诱发潜在的不安全因素。因此本系统采用了多级节流管汇，在其中，有2个液动节流阀，5个液动平板阀[1-2]。常用的节控箱只能控制1个液动节流阀，而且需要手动调节液动节流阀的开度，这显然已不能满足多级节流控制的要求，必须设计一个全新的控制系统。压井远程智能监控系统正是为了解决上述问题而研制的系统。该系统主要包括井控施工、施工过程监测及计算机控制、关井决策3个部分。其中施工过程监测及计算机控制部分能够对套管压力、立管压力、节流阀开度和排量进行实时监测，并根据计算得到的理想压力，参考节流阀的开度，对节流阀实施自动调节，从而使实际压力和要求的压力保持一致。本文论述的基于SoPC的节流控制系统实现了压井远程智能监控系统对节流阀和平板阀的控制功能[3]。

1 系统整体设计

在基于SoPC的节流控制系统中，选用了FPGA芯片EP2C35F672C8N作为控制核心，并在其中嵌入了NIOS II软核CPU，这种软硬结合的方式，使得用户可以根据设计的要求，对NIOS II及其外围设备进行构建，使该嵌入式系统在硬件结构、功能特点、资源占用等方面全面满足用户系统设计的要求[4]。采用SoPC技术，可以极大地提高系统的性能。基于SoPC的节流控制系统整体结构图如图1所示。

系统上电后，先由静态存储器EPCS4自动将配置数据载入FPGA的SRAM之中，即将固化在其中的数字逻辑电路映射到FPGA器件中，完成系统的初始化。上位机通过前端的数据采集系统对相关物理量进行采集，采集到的数据经过处理后由无线数传模块发送给SoPC。SoPC接收到上位机发送的命令和数据后，先将其存入片外SRAM中，再从SRAM中取出，经PIO口送出。PIO送出的一部分数据经自制的控制板处理后，用于控制液动平板阀和节流阀的打开和关闭；另一部分经D/A转换成电压信号，经放大电路放大后，用于控制比例阀，再由比例阀控制液动节流阀的开度。

图1 系统结构图

在SoPC Builder中添加整个系统需要用到的各个模块，最后生成整个SoPC系统。在Quartus II中的顶层模块如图2所示。

图2 SoPC顶层模块图

2 液动平板阀的控制

液动平板阀由电动换向阀改变液控油的流向来实现打开和关闭。电动换向阀由左右3个电磁铁的通断电控制，图3为液动平板阀的控制原理图。

当磁铁A通电而磁铁B断电时，电动换向阀右移，左侧接通，液动平板阀的一侧流入液体后，推动活塞由D到C移动，液动平板阀打开。当磁铁A断电，磁铁B通电时，电动换向阀左移，右侧接通，液控油流向改变，活塞由C向D移动，平板阀关闭。

图3 液动平板阀控制原理图

电磁铁的通断电由固态继电器来实现。一般在驱动大型设备时，需要利用继电器作为测控系统的第一级执行机构，通过第一级继电器的输出，可完成从低压直流到高压交流的承接控制。在本系统中，选用的是阳明继电器厂生产的直流固态继电器JGX-1FA。为了便于更好地控制，本系统设计了1块控制电路板，用于连接SoPC与平板阀。该电路板包括总线隔离、信号锁存和继电器控制。其电路如图4所示。

每个继电器控制1个电磁铁的通断，本系统的多级节流管汇有5个平板阀和2个节流阀，每个平板阀由2个电磁铁控制，因此需要14个继电器，图4只给出了部分电路。SoPC从PIO口输出控制信号，当输出1个高电位信号时，固态继电器接通，将1个+24 V的电压加在电磁铁上，电磁铁吸合；当输出1个低电位信号时，固态继电器断开，电磁铁断电。经现场实验，该电路板控制开关速度快，抗干扰能力强。

图4 控制板电路图

3 液动节流阀的控制

液动节流阀的控制包括其开、关以及开度的调节。图5为液动节流阀的控制原理图。当需要调节节流阀J1时，首先令电磁铁 C1、C2接通，C3、C4断开，形成左路液控油通路。当需要调节节流阀J4b时，则需令电磁铁C3、C4接通，1C、2C断开，形成右路液控油通路。而液控油的流向和流量则由比例阀控制。

图5 液动节流阀控制原理图

电磁铁的接通和断开由前面所述的继电器控制板控制，在此不再累述。而比例阀则由SoPC输出的数据经D/A转换成-10 V～+10 V的电压。控制。当输出电压为 0 V～+10 V时，节流阀打开；输出电压为-10 V～0 V时，节流阀关闭。开度改变的多少与电压大小成正比。从图5可知，需要控制的节流阀共有2个，但每次只控制其中1个，所以只需要1路D/A。本系统选用了12位串行数模转换器MAX5312作为D/A转换芯片，使用它的双极性方式，双电源电压为+15 V，使其能提供-10 V～+10 V的输出。D/A转换的电路图如图6所示，为了获得精确稳定的+5 V参考电压，选用MAX6005作为基准电压源。

本系统采用的比例阀为带阀芯位置反馈的直动式比例方向控制阀4 WRE 6，为了实现对比例阀的控制，在D/A转换输出电压Vo之后，还选用了北京华德液压工业集团有限责任公司的VT5005电气放大器来控制比例阀。

基于SoPC的节流控制系统设计完成后，通过了在自制的SoPC实验平台上的调试，还分别进行了固态继电器过载实验、输出控制模拟实验和液动阀的室内实验。实验结果表明系统工作正常，控制可靠。该系统已用于压井远程智能监控系统中。经过反复的室内和现场试验，压井远程智能监控系统已在塔里木油田康村二井投入使用。运用情况表明，基于SoPC的节流控制系统与以往的控制系统相比，体积更小、功耗更低、运行可靠、控制灵敏，具有较好的应用前景。

图6 D/A转换电路图

[1]梅大成，王德玉，谢冲，等.多级节流计算机控制系统研究[J].计算机测量与控制，2007(9).

[2]刘绘新，孟英峰，唐继平，等.油气井多级节流压井系统研究[J].天然气工业，2007(8).

[3]潘松，黄继业.SoPC技术实用教程[M].北京：清华大学出版社，2005.

[4]周立功.SoPC嵌入式系统基础教程[M].北京：北京航天航空大学出版社，2006.