基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統。其特征在于系統設有基于可編程控制器（PLC）的Genius三重冗余控制模塊（GMR），調制解調器、水聲換能器和光電轉換器，可同時通過聲波以及光電纜實現水上平臺與水下的通信。水上的PLC可以根據水下無線傳感器網絡傳遞的信息實現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。自動剪切系統可通過常開型直動式的兩位三通電磁換向閥實現“禁止”和“待命”狀態的自動切換。本實用新型具有自動化程度高、遠程控制靈敏快捷、安全可靠性高等優點。
【專利說明】
基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統，屬于石油天然氣井控技術領域。
【背景技術】
[0002]深水鉆井防噴器系統是海洋水下最關鍵的井控設備，在保障海上油氣作業安全，保護海洋環境和人身安全中起著關鍵作用。深海鉆井遠離岸邊、作業區海況非常復雜，搶險、逃生及救援極為困難。鉆井作業過程中一旦發生井噴或在強臺風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備安全，水下防噴器組及其控制系統是否能更加安全可靠地控制住井口及井內流體以盡可能地縮短事故處理時間顯得尤為重要。目前，國內外深海防噴器組的主控制系統多采用多路電液控制系統，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，但發生緊急情況時，若光電纜發生損壞導致信號中斷將造成不可預計的嚴重后果，并且確認井噴后通過人工手動操作啟動關井也會增加事故處理的時間，不利于對井口進行緊急關閉。另外，現有的控制方式也無法采集顯示和記錄井噴前后的溫度、壓力等重要參數信息，不利于事故后的故障診斷和分析。因此，對現有技術加以改進，設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、遠程控制靈敏快捷的控制系統是十分必要的。除了主控制系統需要改進之外，二次井控系統中的自動剪切系統也存在不足之處:其一，必須手動或者由水下機器人系統(Remotely Operated Vehicle R0V)將自動剪切系統設定為待命模式，如果沒有預先設定即使隔水管下部總成(LMRP)脫開也無法啟動系統;其二，井噴過程中如果主控制系統的大部分功能已經失效，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。
【發明內容】
[0003]為了克服現有技術的不足，本實用新型提出了一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統。
[0004]本實用新型采用以下技術方案實施:一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統，它包括一個設置在水上平臺的中央控制單元和若干個設置在水下控制箱內的水下控制單元；中央控制單元由數據庫服務器、工作站、工業控制計算機、虛擬專用網絡(VPN)服務器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊(GMR)、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;水下控制單元由水下電子模塊、模/數轉換器(A/D轉換器)、水下傳感器組、液壓控制系統組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器以及光電轉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相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調制解調器以及基于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，該系統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，采用雙冗余工業以太網實現通訊。
[0005]工業控制計算機進行實時在線監控，接收中央控制單元、司鉆控制臺和隊長控制臺發出的指令信息，接收PLC可編程控制器發送的諸如壓力、溫度、可燃性氣體檢測等水下油井設備和周圍采油環境的數據信息。
[0006]PLC可編程控制器將接收到的壓力、溫度等數據信息進行比較分析處理，然后再根據處理結果控制啟動自動化關井和報警；同時，PLC可編程控制器還將數據信息發送給工業控制計算機，由工業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據以供相關工作人員參考。
[0007]本實用新型在自動剪切系統的液壓回路上進行了兩處改進。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式換向閥。該電磁閥在沒有危險或正常鉆井作業時處于得電狀態，即閥門關閉，自動剪切系統處于“禁止”狀態；當出現危急狀況時則會導致電磁閥失電，即閥門打開，自動剪切系統處于“待命”狀態。此改進能夠實現自動剪切系統“禁止”和“待命”狀態的自動切換。其二，采用常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥作為觸發裝置構成一條液壓回路，與由常開型直動式的兩位三通電磁換向閥和壓縮彈簧驅動的機械操作式的接近開關組成的回路并聯。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字信號時執行延時啟動程序，若在設定的時間范圍內收到水上平臺的反饋信號，則不啟動任何關井程序且延時程序終止;若沒有接收到任何信號，微型PLC便根據傳感器的數據信號做出判斷，選擇啟動正常關井程序或啟動自動剪切系統。
[0009]本實用新型的有益效果是:
[0010]1、控制系統對原有深水防噴器組主控制系統進行了優化，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絡采集到的數據信息，再由PLC可編程控制器對獲取的信息進行處理以實現報警和自動化控制關井，兩種信息獲取路徑互為冗余。
[0011]2、控制系統能將無線和有線兩種通信方式獲取的水下油井設備和周圍采油環境的兩組數據信息在一臺工業控制計算機的人機界面上同步顯示，控制系統利用基于水聲通信技術的水下無線傳感器網絡，實現了對油井設備和周圍采油環境的實時監控，確保了深水采油過程的人員和設備安全。
[0012]3、通過水下無線傳感技術和基于PLC可編程控制器的多路電液控制技術相結合，使得整個控制系統自動化程度高、遠程控制靈敏快捷，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自動剪切系統“禁止”和“待命”狀態的自動切換，避免了發生危險前必須提前通過手動或ROV操作完成系統“禁止”或“待命”狀態切換所存在的風險，增加了系統的安全可靠性；同時，采用微型PLC的控制，使得在發生井噴導致主控制系統的大部分功能已經失效、而LMRP未脫開的情況下也能啟動自動剪切系統，又進一步提高了系統的安全可靠性。
【附圖說明】
[0014]圖1是深水防噴器組自動化控制系統結構圖。
[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的深水防噴器組自動化控制系統，它包括一個設置在水上平臺的中央控制單元和若干個設置在水下控制箱內的水下控制單元；中央控制單元由數據庫服務器、工作站、工業控制計算機、虛擬專用網絡(VPN)服務器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊(GMR)、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;7K下控制單元由水下電子模塊、模/數轉換器(A/D轉換器)、水下傳感器組、液壓控制系統組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器以及光電轉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相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調制解調器以及基于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，該系統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，采用雙冗余工業以太網實現通訊。
[0019]圖1中安裝在油井設備和周圍采油環境中的傳感器組通過模/數轉換器(A/D轉換器)后連接到總線上，工作時將采集到的有關海底壓力、溫度、可燃性氣體等數據信息轉換為數字信號后通過總線同時傳遞給水下微型PLC可編程控制器、調制解調器和光電轉換器；微型PLC可編程控制器接收到數字信號后即刻執行延時啟動程序，調制解調器則將接收到的數據信號轉換為電信號傳遞給水聲換能器，再由水聲換能器將調制解調器傳遞的電信號轉換成聲信號后發送給水上平臺中的水聲換能器，經過解碼后還原成數據信息向上傳遞，該過程利用水聲通信技術實現了水下無線傳感器網絡的通信，圖2為水聲通信示意圖；另一方面，光電轉換器將接收到的數字信號通過光電纜傳遞到水上的光電轉換器，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水上的時間也就不同，于是就需要將不同時間接收到的數據信息先發送到GMR三重冗余控制模塊中的存儲器，再由存儲器將其同時發送給水上電控系統中的PLC可編程控制器;水下傳感器組必須設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行下一次采樣;所有數據在PLC中分為有線和無線兩組傳遞給工業控制計算機，并于一個人機界面上同步顯示。
[0020]PLC根據采集到的數據信息來判斷啟動報警和自動化關井程序。正常情況下，兩組數據中每對相同類型的數據應在誤差允許范圍內相等，若相等即判定數據有效，反之無效。數據有效則需要進一步判斷一一共有可控井噴狀態、不可控井噴狀態、安全作業狀態三種狀態，分別對應不同的數值區間，根據有效數據所處的區間判定其狀態后啟動相應的報警和關井程序。溫度、壓力等不同類型的數據，只有全部判斷為處于安全作業狀態才不執行任何報警和關井程序，若判斷后出現處于兩種及兩種以上不同狀態，則最優先執行不可控井噴狀態下的報警和關井程序。若數據無效，則終止深水防噴器組自動化控制系統的運行，并發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到水下的藍、黃控制箱:一種通過調制解調器和水聲換能器轉變為聲信號后發送到水下控制箱；另一種則通過光電轉換器轉換為光信號由光電纜傳輸到控制箱。當兩種途徑都能正常傳輸信號時，由于信號到達不同步，需要通過或門邏輯電路來控制啟動液壓系統。當有線和無線傳輸途徑有一種途徑傳遞的信號中斷，水下藍、黃控制箱仍能通過另一種途徑接收到水上發出的信號。水下用于接收信號的水聲調制解調器和光電轉換器通過總線相連，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到執行元件。
[0021]如圖1所示，水下微型PLC控制系統用于危急狀況下，與水上平臺失聯、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，根據傳感器組傳遞的數字信號做出判斷，選擇啟動正常關井程序或啟動自動剪切系統。
[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動的機械操作式的接近開關相連，構成一條液壓回路控制啟動自動剪切系統。電磁閥在沒有危險或正常鉆井作業時處于得電狀態，即閥門關閉，自動剪切系統處于“禁止”狀態；當出現危急狀況時則會導致電磁閥失電，即閥門打開，自動剪切系統處于“待命”狀態。“待命”狀態下，LMRP平臺脫開，彈簧驅動式的開關閉合，自動剪切系統啟動。常閉型直動式的兩位三通電磁換向閥作為觸發裝置構成另一條液壓回路，與上述液壓回路并聯，由水下微型PLC控制是否得電，得電時閥門打開，自動剪切系統啟動。
【主權項】
1.一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統，其特征是:它包括一個設置在水上平臺的中央控制單元和若干個設置在水下控制箱內的水下控制單元；中央控制單元由數據庫服務器、工作站、工業控制計算機、虛擬專用網絡VPN服務器、基于PLC可編程控制器的Genius三重冗余控制模塊GMR、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;水下控制單元由水下電子模塊、模/數轉換器、水下傳感器組、液壓控制系統組成，其中水下電子模塊由微型PLC可編程控制器、調制解調器、水聲換能器、光電轉換器組成;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器以及光電轉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相連;水下電子模塊中的水聲換能器、調制解調器、微型PLC可編程控制器與中央控制單元中的水聲換能器、調制解調器以及基于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，該系統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，采用雙冗余工業以太網實現通訊。2.根據權利要求1所述的一種基于水聲通信技術的深水防噴器組自動化控制系統，其特征是:所述控制系統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的液壓回路，兩條液壓回路之間采取并聯的連接方式;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、壓縮彈簧驅動的機械操作式的接近開關、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
【發明人】孫全平, 蔣希楠, 蔣宇
【申請人】淮陰工學院