张利国 马金山 齐金涛 郗凤亮 徐海潮 刘刚 黄强 马龙

摘 要：针对回压补偿配合单通道节流管汇全电自动控制系统，采用全电驱动控制策略，全电驱动在单通道节流管汇系统上的应用，可大大减少控制操控台的空间，减少传动环节提高传动效率。本文基于回压补偿的单通道节流管汇提出全电驱控制策略，硬件基础为阀门电动执行机构，在集中式控制柜的配合下，采用冗余控制和分层控制的组合，实现了节流管汇全电驱动控制，并保证了系统的可靠性、安全性和经济性。

关键词：全电驱动控制;回压补偿;电动执行机构;冗余控制;分层控制策略

1 引言

全电驱动控制策略，全电驱动是科技发展的必然趋势，电力驱动的优势开始展现。相较于传统的机械轴系全电推进有着节省空间、易于操控、噪音低等优点，电力推进虽然采用线路传输节省了大量的空间[1-4]。

在节流管汇阀门驱动中传统执行器为液动，随着电子技术的飞速发展，新的技术元器件在电动执行机构上得到广泛应用，对于执行器的功能与性能有了很大的提高，尤其是近年来交流变频调速，直流无刷电机等在电动执行器的应用，更是将电动执行器技术推向一个全新的高度。电动执行机构逐渐显现出优势，电动执行机构的输出推力大、稳定性高，但同时造价又低于液动执行器，是高性价比的选择。电动执行机构的安装成本也不高，和气动执行机构相比，它的能源更易获取，电动执行机构比气动执行机构更具优势的地方在于，电动执行机构的输出力更大，控制更精确，运行也更稳定，而且可以无需动力即保持负载。

全电驱动控制策略是基于控制的可靠性、快速性、稳定性的基础，此策略是参考全电飞机，全电汽车等控制发展的方向，力求在设备小型化，简化操作维修，智能控制等方面做更多的探索[5-9]。

2 节流管汇全电驱动控制

全电驱动控制考虑的是系统控制的整体顶层设计和各个控制环节底层的配合设计。

2.1 阀门电动执行机构选型

选择适合阀门控制的经济型电动执行机构，如图1所示，为电动执行器原理框图。阀门与电动执行器配套时，应根据阀门的类型选择电动执行器。如应用孔板节流阀，设计要求阀门应用在精细控压钻井中，流体对象为泥浆。在控压过程中，要求阀门动作要根据控制做出快速反应、执行到位，因此对执行器的执行时间要求越快越好。

电动执行机构是电动单元组合式仪表中的执行单元。它是以单相、三相交流或直流电源为动力，接受统一的标准直流信号，通过控制单元驱动电机旋转，带动减速机构运动，从而输出相应的转角位移，操纵风门、挡板等调节机构，可配用各种电动操作器完成调节系统“手动—自动”的无扰动切换，及对被调对象的远方手动操作，电动执行机构还设有电气限位和机械限位双重保护来完成自动调节的任务。

2.2 节流管汇全电驱动控制方案

现有电气控制和固体功率元件的技术进步使得电力驱动的优势得以发挥。相较于传统的动力传动方式，全电驱动更加节省空间、易于操控而且噪音低。并且在线路的稳定性上也取得了较大的进步。

电动节流管汇集中控制采用全电控方式，可精确控制三只电动节流阀和三只电动平板阀的通断。控制装置与电动节流管汇一体化设计，通过计算机可以远程控制电动节流阀和电动平板阀的开启或关闭，并在控制柜面板上显示电动节流阀的阀位开度、电动平板阀的开关位置及管汇上游、管汇下游的压力。

1）电动节流管汇集中控制柜。系统采集压力信号经过压力传感器转换成电信号，再经过采集器进行运算转换，将数值进行就地显示和数据传输，如图2所示。同时进行程序控制6个阀的自动开启和关闭。采用PLC程序控制形式，具有体积小和运行稳定等优点，安装在箱体输出防爆箱内（不再单独外挂防爆箱），为保证系统稳定工作，另辅一套PLC做为备用。

2）平板阀阀组控制部分。自动控制：远程开启电动执行器，电动执行器带动平板阀闸板移动，实现对平板的开启和关闭。当节流管汇压力过高时，系统会自动关闭平板阀。计算机操作界面显示3个平板阀的开启和关闭状态。现场手动控制：现场开启电动执行器，电动执行器带动平板阀闸板移动，实现对平板的开启和关闭。现场操作面板显示3个平板阀的开启和关闭状态。

3）节流阀阀组控制部分。自动控制：节流阀阀位传感器接收信号，计算机自动控制电动执行器，调整节流阀阀芯的开度，可实现节流阀的开大或关小的速度及位置。计算机操作界面显示三个节流阀的阀位。现场手动控制：手动按钮控制电动执行器（面板操作），可控制节流阀开大或关小的速度及位置。现场操作面板显示三个节流阀的阀位。

3 电动节流管汇集中控制系统控制策略

双PLC冗余控制。节流管汇控制回压补偿系统在精细控压中是确保控压补压是否能够实现的关键环节，安全可靠、简便的操作是自动控制系统设计的关键，考虑采用双PLC冗余，一台运行，一台待机，高质量的执行控制机构，配合冗余控制算法实现冗余控制。如图3所示，为双PLC冗余控制流程图。

1）冗余控制。大系统控制采用硬件冗余，虽有成本投入，但在系统可靠性和软件编程上具有优势，纯硬件冗余的CPU的状态监视和控制权的转移由模块切换完成。软件冗余是通过软件编程解决的。因此，软件冗余编程相对比较复杂，工作量较大。纯硬件冗余的优点之一是软件编程控制只需一套程序，在两个PCL中下载后，主PLC工作的同时，备用PCL待机工作，两块PLC同时在系统中运行，一块运行于主控模式，另一块运行于热备份模式。当其中任一PLC发生故障时另一块PLC立即监视到并发出报警，自动将正常的备用PCL投入主控模式无扰动切换，使系统一直受控，确保了安全性的同时，是控压系统能够正常的实现控制。

2）同步控制。备用PLC实时待机，当主PLC故障时，切换模块工作，备用PLC就立即获取主控制权而成为主控PLC，主PCL与备用PLC实时保持信息传递，主PLC传递信息给备用，备用也要隨时跟踪主PLC变化，与主PLC保持同步，两块PLC进行控制权的转移时，实现无扰动切换。

4 结束语

1）全电驱动控制策略在基于回压补偿的单通道节流管汇应用属于方式方法移植;

2）有助于提高能量转换效率，改变简化操作方式，减少维修保养提高可靠性。

参考文献

[1]张涛，李军，柳贡慧，等.控压钻井自动节流管汇压力调节特性研究[J].石油钻探技术，2014（2）：000018-22.

[2]马瑞民，窦英心，李龙.节流管汇节流压力控制研究及其控制仿真模型[J].计算机与数字工程，2017（9）.

[3]张涛，柳贡慧，孟振期，等.控压钻井复合型节流管汇压力控制机制研究[J].钻采工艺，2014，37（4）：36-38.

[4]张奎林.微流量控制钻井自动节流管汇的设计及应用[J].石油钻采工艺，2012，34（6）：053-56.

[5]艾志久，刘旭，李杰，等.控压并联节流管汇压降特性研究[J].钻采工艺，2013，36（4）：76-78.

[6]辛鹏，朱万军，等.节流压井管汇控制系统设计应用[J].造船技术，2016（5）：53-57.

[7]李枝林，薛秋来，唐国军，等.精细控压钻井系统控制策略设计及实践[J].钻采工艺，2014，37（1）：14-17.

[8]付加胜，刘伟，周英操，等.单通道控压钻井装备压力控制方法与应用[J].石油机械，2017（1）：6-9，共4页.

[9]姜智博，周英操，刘伟，等.精细控压钻井井底压力自动控制技术初探[J].天然气工业，2012，32（7）：55-58+111-112.