基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)。其特征在于系統(tǒng)設(shè)有基于可編程控制器（PLC）的Genius三重冗余控制模塊（GMR），調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器和光電轉(zhuǎn)換器，可同時通過聲波以及光電纜實現(xiàn)水上平臺與水下的通信。水上的PLC可以根據(jù)水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息實現(xiàn)深水防噴器組的自動化控制，水下控制箱中的微型PLC可在與水上平臺間的信號中斷時啟動自動化關(guān)井或通過控制常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥啟動自動剪切系統(tǒng)。自動剪切系統(tǒng)可通過常開型直動式的兩位三通電磁換向閥實現(xiàn)“禁止”和“待命”狀態(tài)的自動切換。本實用新型具有自動化程度高、遠(yuǎn)程控制靈敏快捷、安全可靠性高等優(yōu)點。
【專利說明】
基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本實用新型涉及一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)，屬于石油天然氣井控技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]深水鉆井防噴器系統(tǒng)是海洋水下最關(guān)鍵的井控設(shè)備，在保障海上油氣作業(yè)安全，保護(hù)海洋環(huán)境和人身安全中起著關(guān)鍵作用。深海鉆井遠(yuǎn)離岸邊、作業(yè)區(qū)海況非常復(fù)雜，搶險、逃生及救援極為困難。鉆井作業(yè)過程中一旦發(fā)生井噴或在強臺風(fēng)等緊急情況下需要臨時撤離時，為了確保鉆井平臺工作人員及設(shè)備安全，水下防噴器組及其控制系統(tǒng)是否能更加安全可靠地控制住井口及井內(nèi)流體以盡可能地縮短事故處理時間顯得尤為重要。目前，國內(nèi)外深海防噴器組的主控制系統(tǒng)多采用多路電液控制系統(tǒng)，平臺控制柜通過一根光纜或者通訊電纜來傳輸全部的控制信號，但發(fā)生緊急情況時，若光電纜發(fā)生損壞導(dǎo)致信號中斷將造成不可預(yù)計的嚴(yán)重后果，并且確認(rèn)井噴后通過人工手動操作啟動關(guān)井也會增加事故處理的時間，不利于對井口進(jìn)行緊急關(guān)閉。另外，現(xiàn)有的控制方式也無法采集顯示和記錄井噴前后的溫度、壓力等重要參數(shù)信息，不利于事故后的故障診斷和分析。因此，對現(xiàn)有技術(shù)加以改進(jìn)，設(shè)計出能夠在有線通信的同時也能通過無線通信的方式傳遞信號，與有線通信方式形成“雙保險”，且自動化程度高、遠(yuǎn)程控制靈敏快捷的控制系統(tǒng)是十分必要的。除了主控制系統(tǒng)需要改進(jìn)之外，二次井控系統(tǒng)中的自動剪切系統(tǒng)也存在不足之處:其一，必須手動或者由水下機器人系統(tǒng)(Remotely Operated Vehicle R0V)將自動剪切系統(tǒng)設(shè)定為待命模式，如果沒有預(yù)先設(shè)定即使隔水管下部總成(LMRP)脫開也無法啟動系統(tǒng);其二，井噴過程中如果主控制系統(tǒng)的大部分功能已經(jīng)失效，而隔水管下部總成(LMRP)未脫開，就不滿足激活條件，也就無法啟動自動剪切功能，這在井控過程中是非常危險的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提出了一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)。
[0004]本實用新型采用以下技術(shù)方案實施:一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)，它包括一個設(shè)置在水上平臺的中央控制單元和若干個設(shè)置在水下控制箱內(nèi)的水下控制單元；中央控制單元由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、工業(yè)控制計算機、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)服務(wù)器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊(GMR)、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;水下控制單元由水下電子模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)、水下傳感器組、液壓控制系統(tǒng)組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器以及光電轉(zhuǎn)換器接在同一條總線上，并通過或門邏輯電路與液壓控制系統(tǒng)相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器以及基于PLC可編程控制器的GMR三重冗余控制模塊組成無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過屏蔽雙絞線與中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺相連，采用雙冗余工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊。
[0005]工業(yè)控制計算機進(jìn)行實時在線監(jiān)控，接收中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺發(fā)出的指令信息，接收PLC可編程控制器發(fā)送的諸如壓力、溫度、可燃性氣體檢測等水下油井設(shè)備和周圍采油環(huán)境的數(shù)據(jù)信息。
[0006]PLC可編程控制器將接收到的壓力、溫度等數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比較分析處理，然后再根據(jù)處理結(jié)果控制啟動自動化關(guān)井和報警；同時，PLC可編程控制器還將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給工業(yè)控制計算機，由工業(yè)控制計算機的人機界面同步顯示有線和無線兩種途徑獲取的兩組數(shù)據(jù)以供相關(guān)工作人員參考。
[0007]本實用新型在自動剪切系統(tǒng)的液壓回路上進(jìn)行了兩處改進(jìn)。其一，用常開型直動式的兩位三通電磁換向閥替代原有的兩位三通先導(dǎo)式換向閥。該電磁閥在沒有危險或正常鉆井作業(yè)時處于得電狀態(tài)，即閥門關(guān)閉，自動剪切系統(tǒng)處于“禁止”狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)危急狀況時則會導(dǎo)致電磁閥失電，即閥門打開，自動剪切系統(tǒng)處于“待命”狀態(tài)。此改進(jìn)能夠?qū)崿F(xiàn)自動剪切系統(tǒng)“禁止”和“待命”狀態(tài)的自動切換。其二，采用常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥作為觸發(fā)裝置構(gòu)成一條液壓回路，與由常開型直動式的兩位三通電磁換向閥和壓縮彈簧驅(qū)動的機械操作式的接近開關(guān)組成的回路并聯(lián)。該常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥由控制箱中的微型PLC控制是否得電。
[0008]水下控制箱中的微型PLC在每次接收到傳感器的數(shù)字信號時執(zhí)行延時啟動程序，若在設(shè)定的時間范圍內(nèi)收到水上平臺的反饋信號，則不啟動任何關(guān)井程序且延時程序終止;若沒有接收到任何信號，微型PLC便根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)信號做出判斷，選擇啟動正常關(guān)井程序或啟動自動剪切系統(tǒng)。
[0009]本實用新型的有益效果是:
[0010]1、控制系統(tǒng)對原有深水防噴器組主控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，同時采用光電纜和水聲通信兩種方式傳遞由水下傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)信息，再由PLC可編程控制器對獲取的信息進(jìn)行處理以實現(xiàn)報警和自動化控制關(guān)井，兩種信息獲取路徑互為冗余。
[0011]2、控制系統(tǒng)能將無線和有線兩種通信方式獲取的水下油井設(shè)備和周圍采油環(huán)境的兩組數(shù)據(jù)信息在一臺工業(yè)控制計算機的人機界面上同步顯示，控制系統(tǒng)利用基于水聲通信技術(shù)的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對油井設(shè)備和周圍采油環(huán)境的實時監(jiān)控，確保了深水采油過程的人員和設(shè)備安全。
[0012]3、通過水下無線傳感技術(shù)和基于PLC可編程控制器的多路電液控制技術(shù)相結(jié)合，使得整個控制系統(tǒng)自動化程度高、遠(yuǎn)程控制靈敏快捷，且更加具備安全可靠性。
[0013]4、本實用新型利用常開型直動式的兩位三通電磁換向閥實現(xiàn)自動剪切系統(tǒng)“禁止”和“待命”狀態(tài)的自動切換，避免了發(fā)生危險前必須提前通過手動或ROV操作完成系統(tǒng)“禁止”或“待命”狀態(tài)切換所存在的風(fēng)險，增加了系統(tǒng)的安全可靠性；同時，采用微型PLC的控制，使得在發(fā)生井噴導(dǎo)致主控制系統(tǒng)的大部分功能已經(jīng)失效、而LMRP未脫開的情況下也能啟動自動剪切系統(tǒng)，又進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全可靠性。
【附圖說明】
[0014]圖1是深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖2是水聲通彳目不意圖。
[0016]圖2中:I是鉆井船，2是水聲換能器，3是隔水管，4是水聲換能器，5是水下控制箱，6是環(huán)形防噴器，7是閘板防噴器。
[0017]圖3是深海自動剪切液壓回路圖。
【具體實施方式】
[0018]如圖1所示，一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)，它包括一個設(shè)置在水上平臺的中央控制單元和若干個設(shè)置在水下控制箱內(nèi)的水下控制單元；中央控制單元由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、工業(yè)控制計算機、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(VPN)服務(wù)器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊(GMR)、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;7K下控制單元由水下電子模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)、水下傳感器組、液壓控制系統(tǒng)組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器以及光電轉(zhuǎn)換器接在同一條總線上，并通過或門邏輯電路與液壓控制系統(tǒng)相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器以及基于PLC可編程控制器的GMR三重冗余控制模塊組成無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過屏蔽雙絞線與中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺相連，采用雙冗余工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊。
[0019]圖1中安裝在油井設(shè)備和周圍采油環(huán)境中的傳感器組通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)后連接到總線上，工作時將采集到的有關(guān)海底壓力、溫度、可燃性氣體等數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過總線同時傳遞給水下微型PLC可編程控制器、調(diào)制解調(diào)器和光電轉(zhuǎn)換器；微型PLC可編程控制器接收到數(shù)字信號后即刻執(zhí)行延時啟動程序，調(diào)制解調(diào)器則將接收到的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給水聲換能器，再由水聲換能器將調(diào)制解調(diào)器傳遞的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號后發(fā)送給水上平臺中的水聲換能器，經(jīng)過解碼后還原成數(shù)據(jù)信息向上傳遞，該過程利用水聲通信技術(shù)實現(xiàn)了水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，圖2為水聲通信示意圖；另一方面，光電轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)字信號通過光電纜傳遞到水上的光電轉(zhuǎn)換器，該過程采取了有線通信的方式；由于聲音和光在水下傳播的速率不等，有線和無線傳遞的信號到達(dá)水上的時間也就不同，于是就需要將不同時間接收到的數(shù)據(jù)信息先發(fā)送到GMR三重冗余控制模塊中的存儲器，再由存儲器將其同時發(fā)送給水上電控系統(tǒng)中的PLC可編程控制器;水下傳感器組必須設(shè)置合適的采樣間隔時間，保證存儲器在接收到有線和無線兩種通信方式傳遞的一次采樣信息后再進(jìn)行下一次采樣;所有數(shù)據(jù)在PLC中分為有線和無線兩組傳遞給工業(yè)控制計算機，并于一個人機界面上同步顯示。
[0020]PLC根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)信息來判斷啟動報警和自動化關(guān)井程序。正常情況下，兩組數(shù)據(jù)中每對相同類型的數(shù)據(jù)應(yīng)在誤差允許范圍內(nèi)相等，若相等即判定數(shù)據(jù)有效，反之無效。數(shù)據(jù)有效則需要進(jìn)一步判斷一一共有可控井噴狀態(tài)、不可控井噴狀態(tài)、安全作業(yè)狀態(tài)三種狀態(tài)，分別對應(yīng)不同的數(shù)值區(qū)間，根據(jù)有效數(shù)據(jù)所處的區(qū)間判定其狀態(tài)后啟動相應(yīng)的報警和關(guān)井程序。溫度、壓力等不同類型的數(shù)據(jù)，只有全部判斷為處于安全作業(yè)狀態(tài)才不執(zhí)行任何報警和關(guān)井程序，若判斷后出現(xiàn)處于兩種及兩種以上不同狀態(tài)，則最優(yōu)先執(zhí)行不可控井噴狀態(tài)下的報警和關(guān)井程序。若數(shù)據(jù)無效，則終止深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)的運行，并發(fā)送信號終止水下微型PLC的程序運行。水上PLC的所有控制指令同時通過兩種途徑傳輸?shù)剿碌乃{(lán)、黃控制箱:一種通過調(diào)制解調(diào)器和水聲換能器轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘柡蟀l(fā)送到水下控制箱；另一種則通過光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號由光電纜傳輸?shù)娇刂葡?。?dāng)兩種途徑都能正常傳輸信號時，由于信號到達(dá)不同步，需要通過或門邏輯電路來控制啟動液壓系統(tǒng)。當(dāng)有線和無線傳輸途徑有一種途徑傳遞的信號中斷，水下藍(lán)、黃控制箱仍能通過另一種途徑接收到水上發(fā)出的信號。水下用于接收信號的水聲調(diào)制解調(diào)器和光電轉(zhuǎn)換器通過總線相連，確保只要有一種途徑能夠正常傳輸信號，微型PLC就可以得到延時程序終止的信號，且控制指令能夠順利下達(dá)到執(zhí)行元件。
[0021]如圖1所示，水下微型PLC控制系統(tǒng)用于危急狀況下，與水上平臺失聯(lián)、信號中斷時，由于沒有收到延時啟動程序終止的信號，微型PLC開始運行，根據(jù)傳感器組傳遞的數(shù)字信號做出判斷，選擇啟動正常關(guān)井程序或啟動自動剪切系統(tǒng)。
[0022]如圖3所示，常開型直動式的兩位三通電磁換向閥和壓縮彈簧驅(qū)動的機械操作式的接近開關(guān)相連，構(gòu)成一條液壓回路控制啟動自動剪切系統(tǒng)。電磁閥在沒有危險或正常鉆井作業(yè)時處于得電狀態(tài)，即閥門關(guān)閉，自動剪切系統(tǒng)處于“禁止”狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)危急狀況時則會導(dǎo)致電磁閥失電，即閥門打開，自動剪切系統(tǒng)處于“待命”狀態(tài)?！按睜顟B(tài)下，LMRP平臺脫開，彈簧驅(qū)動式的開關(guān)閉合，自動剪切系統(tǒng)啟動。常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥作為觸發(fā)裝置構(gòu)成另一條液壓回路，與上述液壓回路并聯(lián)，由水下微型PLC控制是否得電，得電時閥門打開，自動剪切系統(tǒng)啟動。
【主權(quán)項】
1.一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)，其特征是:它包括一個設(shè)置在水上平臺的中央控制單元和若干個設(shè)置在水下控制箱內(nèi)的水下控制單元；中央控制單元由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站、工業(yè)控制計算機、虛擬專用網(wǎng)絡(luò)VPN服務(wù)器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊GMR、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;水下控制單元由水下電子模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、水下傳感器組、液壓控制系統(tǒng)組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調(diào)制解調(diào)器、水聲換能器、光電轉(zhuǎn)換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器以及光電轉(zhuǎn)換器接在同一條總線上，并通過或門邏輯電路與液壓控制系統(tǒng)相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調(diào)制解調(diào)器以及基于PLC可編程控制器的GMR三重冗余控制模塊組成無線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過屏蔽雙絞線與中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺相連，采用雙冗余工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)通訊。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于水聲通信技術(shù)的深水防噴器組自動化控制系統(tǒng)，其特征是:所述控制系統(tǒng)中還包括自動剪切控制單元，共有兩條用于啟動自動剪切系統(tǒng)的液壓回路，兩條液壓回路之間采取并聯(lián)的連接方式;第一條液壓回路由水下蓄能器組、常開型直動式的兩位三通電磁換向閥、壓縮彈簧驅(qū)動的機械操作式的接近開關(guān)、隔水管下部總成、剪切閘板防噴器組成；第二條液壓回路由水下蓄能器組、常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥、剪切閘板防噴器組成，由水下控制單元中的微型PLC可編程控制器控制常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥的得電與失電。
【文檔編號】G05B19/05GK205563232SQ201620293165
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】孫全平, 蔣希楠, 蔣宇
【申請人】淮陰工學(xué)院