防 喷 器 控 制 装 置 的 调 试 系 统 设 计

相恒富, 王龙庭， 张彦庭

(中国石油大学(华东) 机电工程学院， 山东 青岛 266580)

0 引 言

在油气井钻采作业中，井控设备起到了预防事故发生以及处理事故的作用，而防喷器(Blowout Preventer,BOP)作为一种典型的井控设备，它必须配备控制装置，在发生井喷、井涌等突发情况时，通过控制装置提供的压力油及时对防喷器开关动作进行控制，若防喷器控制装置不能及时对防喷器进行控制或出现故障，后果将不堪设想。所以为了确保防喷器控制装置在使用时的控制能力，在控制装置使用前，或在使用一段时间后，对其进行调试是非常重要的[1-2]。

防喷器控制装置的调试试验是指借助于防喷器控制装置调试系统，对防喷器控制装置进行一系列的调试试验，用于评判防喷器控制装置的反应速度、耐压性和密封性等工作性能。包括：关闭时间试验，蓄能器组充压时间试验，泵组自动启停试验，溢流阀超压保护试验，耐压试验和油密封试验等。防喷器控制装置的调试试验是防喷器控制装置正常使用的保证[3]。

现在市面上大多数是防喷器的调试系统，而关于防喷器控制装置的调试产品很少，而且，大多数防喷器控制装置的调试试验是通过控制台来进行的，不但不利于试验数据的处理和保存，而且对于那些没有控制台的手动控制的防喷器控制装置来说进行调试试验非常不便[4-6]。

为了对防喷器控制装置进行调试，本文采用Matlab开发了一个防喷器控制装置调试试验的平台，能够实时监测防喷器控制装置中蓄能器组的压力，并可通过人机交互控制防喷器控制装置里的电泵启动和停止。

1 防喷器控制装置调试系统设计方案

1.1 实验系统基本功能要求

根据地面防喷器及控制装置标准SYT5053.2-2001的规定[7]，防喷器控制装置在使用前必须进行一系列的调试试压，才能投入生产使用，以保证防喷器控制装置的安全性和可靠性。在广泛调研国内外防喷器控制装置调试实验的基础上，结合现有实验室的实验条件，设计防喷器控制装置的调试实验系统应能完成如下几个主要的调试试验。

(1) 关闭时间试验。在调压阀出口压力为10.5 MPa条件下，操作各操作阀，记录关闭闸板防喷器和液动阀的时间。

(2) 蓄能器组充压时间试验。远程控制台泄压到7 MPa，各三位四通液转阀位于“中位”的情况下，启动泵组给蓄能器组充压，记录从充压开始至压力升高到21 MPa的时间。

(3) 泵组自动启停试验。试验电泵，将蓄能器组压力从(200±0.7) MPa缓慢下降18.9 MPa时，观察泵是否能自动启动；泵启动后，当压力升到(200±0.7) MPa时，观察泵能否自动停止。

(4) 溢流阀超压保护试验。在主令开关放在手动位置、切断液气开关的情况下，启动泵组逐渐升压，观察溢流阀开始产生溢流的压力，并且观察随着系统压力降低，导致溢流阀关闭的压力。

(5) 耐压试验。油管末端用丝堵堵严，关闭蓄能器截止阀，开启旁通阀。高压溢流阀调定在34.5 MPa，启动电泵，使压力升至地面防喷器控制装置标称压力的1.5倍。将各三位四通液转阀放在“中位”，停泵保压10 min后，检查各个部件有无明显泄漏，有无明显变形、裂纹等缺陷，并检查3 min内的压力降。管排架和高压软管单独进行1.5倍标称压力的耐压试验，保压10 min，检查各部位有无泄漏，有无明显变形、裂纹等缺陷。

(6) 油密封试验。在蓄能器压力为21 MPa、调压阀出口压力为10.5 MPa和管汇压力为21 MPa的情况下，用丝堵封严油管末端，并使各三位四通阀分别在“中位”“开位”和“关位”换向5 min后，观测转阀在中位、开位或关位时3 min的压力降。

1.2 调试系统总体方案设计

防喷器控制装置的调试试压系统应具备压力数据的实时采集与显示，并能够对防喷器控制装置的电泵进行控制，是因为通过调试系统能对防喷器控制装置的电泵实现控制，可在极大程度上方便试验人员进行试验，并且有些试验例如电泵启停试验，需要测试防喷器控制装置对控制的反应能力，这时候便用到了调试系统的功能。

为实现防喷器调试系统的数据采集与控制功能，采用PC上位机和单片机下位机系统架构的设计方案，通过使用Matlab上位机软件进行图形用户界面程序的编写，程序能够实时采集电子压力传感器的压力信号，与试验压力进行比较，然后将分析结果反馈到防爆磁力启动器上来控制防喷器电泵的自动运行，数据采集与控制信号与计算机的通信均采用串行通信进行数据传输。防喷器控制装置调试系统的建立可使学生掌握防喷器控制系统的基本操作规程，并完成控制装置的整套调试试验系统的设计，从而能够完整掌握钻井井控原理及重要意义。系统的功能框图如图1所示。

图1 调试系统的总体方案设计

2 防喷器控制装置调试系统硬件设计

2.1 数据实时采集系统设计

数据实时采集是通过压力变送器检测压力值，然后传到采集卡将压力信号转化为一个电压的数值，接着采集卡通过串口通信将电压值传到上位计算机上，最后通过上位计算机上的应用程序将电压值转换为压力值显示在用户界面上。如图1所示，数据采集卡选用研华公司生产的16位A/D、8通道的模拟量输入模块的ADAM4117[8]，压力变送器选用广州施氏有限公司所生产的SDD602-B-1-35M-I-S-ZC，其工作原理是：压力变送器里面有测量膜片，当它的表面受压时，膜片会产生微小的形变，压力变送器里的高精度电路会把此微小的形变进行转换，转换出的信号和压力成正比且与激励电压成正比，接着内部芯片可以把这个电压信号输出[9]。由于ADAM4117采集卡是以RS-485接口输出信号，而大多数计算机的接口为RS-232，为了让采集卡和计算机进行通信，需在两者之间加入一个UT-218转换器，UT-218是由UOTEK公司生产的RS232/RS485/RS422转换器，其工作方式为异步半双工或异步全双工。

2.2 控制系统设计

如图1所示，控制系统将控制的指令通过串口通信从上位计算机传输到下位单片机中，单片机根据指令控制防喷器电泵的磁力启动器，从而实现对防喷器的控制。由于单片机是弱电，而防喷器的磁力启动器为380 V的强交流电，单片机不能直接控制强电，需要接一个光电耦合装置，光电耦合装置选择美格尔公司生产的MGR-1 D4810固态继电器，它是由微电子电路，分立电子器件，电力电子功率器件组成的无触点开关，用隔离器件实现控制端与负载端的隔离[10]，固态继电器的输入端用微小的控制信号，达到直接驱动大电流负载。为保护单片机，采用单片机接弱电继电器，再接固态继电器的方案，以防电路出现异常，烧毁单片机。所用的单片机是STC89C52RC单片机，是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系统可编程Flash存储器[11]。

防喷器控制装置调试系统的硬件实物图如图2所示，主要部件为ADAM4117采集卡、STC89C52RC单片机模块和MGR-1 D4810固态继电器之外，还有配电箱、DZ47LE-32空气开关、T-100D变压器、UT-218转换器，RS-232串口通信线等。

图2 防喷器控制装置调试系统的硬件实物图

3 防喷器控制装置的调试系统软件设计

防喷器控制装置调试试压的软件程序主要包括压力数据采集程序和防喷器控制程序的编写。压力采集程序采用Matlab语言编写，主要分为串口通信、实时采集、压力转换三部分。要想采集卡与计算机进行通信，必须在应用程序里编写串口通信的程序，串口通信程序包括创建串口、设置串口参数、打开串口、读取串口信号、关闭串口、删除串口等内容[12-14]。实时采集的程序采用for循环查询，让串口在循环周期内读取信号，所设的时间间隔为0.5 s，当需要停止采集时，通过break函数跳出读取信号的循环即可。计算机从采集卡里读取到的压力信号是以电压值表示的数字信号，由于压力变送器的量程是0～35 MPa，而输出电压范围是0～5 V，所以实际的压力值是其对应的电压值的7倍。

控制程序主要分为两大部分：一个是应用程序里的控制程序，采用Matlab语言进行编写，与采集程序一样，具有与单片机进行串口通信的功能；另外一个是单片机里的程序，采用C语言进行编写，主要设置串口通信，以及设置单片机控制管脚[15]。

采用Matlab GUI界面编程语言对防喷器控制装置的软件进行了功能设计[16-17]，该应用程序的功能框图如图3所示，主要由主界面，试验内容界面，相关人员介绍界面，选择控制装置类型界面，试验项目界面，关闭时间试验界面，蓄能器组充压时间试验界面，泵组自动启停试验界面，溢流阀超压保护试验界面，耐压试验界面，油密封试验界面，计时器界面等组成，每个界面的功能和内容都不一样。

图3 调试系统的功能框图

调试系统应用程序主界面如图4所示，这个界面主要说明了整个应用程序的名称“防喷器控制装置的调试系统”，还有一个“进入”的按钮，点击该按钮可进入到下一个界面。在界面左上方的菜单栏里有四个子菜单，分别是“文件”“试验装置”“关于”“退出”，若按下“文件”菜单，将会弹出一个名为“数据”的文件夹，里面将保存着每次调试试验的数据。若按下“试验装置”子菜单，则会弹出下级子菜单，分别为“FK普通防喷器控制装置”“FKQ气控防喷器控制装置”“FKDQ电气控防喷器控制装置”“FKWDQ无线遥控防喷器控制装置”，该子菜单作用是让试验人员选择所要进行试验的防喷器控制装置的类型。例如点击“FK普通防喷器控制装置”会弹出试验项目及基本参数设置如图5所示，提供了6个试验项目，分别为“关闭时间试验”“蓄能器组充压时间试验”“泵组自动启停试验”“溢流阀超压保护试验”“耐压试验”和“油密封试验”。

图4 防喷器控制装置调试系统软件主界面

(a) 关闭时间试验

(b) 蓄能器组充压时间试验

(c) 泵组自动启停试验

(d) 溢流阀超压保护试验

(e) 耐压试验

(f) 油密封试验

图5 防喷器控制装置试验项目界面图

为了保证试验人员能有序地完成调试试验，刚进入试验项目界面时，只有第1个试验项目的按钮可点击，其余试验项目按钮为灰色且不可选，等做完第1个试验时，第2个试验的按钮才可用，以此类推。界面底下有“保存数据”和“返回”的按钮，在试验未完成时点击“保存数据”会弹出一个窗口，询问你试验未完成是否保存数据，点“是”的话，将数据存入名为“数据”的文件夹中；点“否”的话，则留在试验项目界面。在试验完成之后点击“保存数据”，直接将数据存入名为“数据”的文件夹中。点击“返回”按钮会返回到主界面上。

以“蓄能器组充压时间试验”为例，如图5(b)所示，试验时先将蓄能器组泄压和升压的数值填入相应位置，然后点击“采集”按钮，进行压力信号的采集，此时观察蓄能器组从泄压值升到规定压力上限的情况，并用上述计时器进行计时，并将时间值填入相应位置，完成试验之后，点击“保存数据”，数据会保存到创建的Excel表格里。试验后必须点击“停止”，不然在点击“返回”时，会弹出警示窗口，提示试验人员停止采集，只有保存完数据以及停止采集之后，点击“返回”才能退出返回试验项目界面。

4 结 语

对防喷器控制装置的调试系统进行了设计，系统包括数据采集和控制两个功能。数据采集通过传感器将压力信号转换为电信号传到采集卡中，然后通过串口通信将采集卡中的电信号传到计算机中，最后通过调试系统的应用程序进行处理，并将采集到的压力值显示在用户界面上；而控制功能的实现主要是通过调试系统的应用程序发出指令，然后通过串口通信将指令传到单片机上，单片机通过继电器来控制防喷器控制装置中的防爆磁力启动器，进而控制防喷器电泵的运行。

该调试系统的主体功能是能为防喷器控制装置进行一系列的调试试验，该调试系统具备了数据实时采集与显示、程序执行控制及串口通信等功能，并对用户界面的操作进行了说明。

该装置结构简单，易于实现模块化，装配和拆装方便，占用实验空间小。通过模拟实验表明实验运行可靠，可信度高。