一种油田注水用物联网自动定量控制系统

技术领域

本发明涉及油田设备领域，具体涉及一种油田注水用物联网自动定量控制系统。

背景技术

油田开采到后期，一般采用向地层注水或者注聚合物驱油的方式来保证原油产量，因此注水是油田开采中的重要工艺。注水工艺中一般采用注水撬，注水撬包括了分水器，将水源分为多路供给多路注水井。分水器的水源流量波动时，会导致每个分路的流量产生波动，而在油田注水时恒压控制是非常重要的。现有技术中恒压控制的方式对注水泵出口压力进行控制，整体控制，控制不精确，流量波动大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种油田注水用物联网自动定量控制系统，其用于多路注水的恒流控制。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种油田注水用物联网自动定量控制系统，包括分水器的进水口通过平板闸阀一连接高压注水泵，平板闸阀一作为进水控制阀；分水器上设有N个出水口分别连接第一压力检测支路和N个注水支路的一端，N个注水支路的另一端分别连接至N路注水井；

N个注水支路上皆设有恒流控制结构，恒流控制结构包括从分水器至注水井方向，依次设置在支路上的平板闸阀三、智能流量计、电动调节阀、平板闸阀四；

每个支路上的智能流量计与电动调节阀直接连接，智能流量计采集到的数据发送至电动调节阀进行比较，根据比较结果，电动调节阀直接执行该支路上的输出控制，即控制阀门大小，从而控制流量。

作为一种优选技术方案，分水器上设有第一压力检测支路，第一压力检测支路上依次设置平板闸阀二、压力传感器一，平板闸阀二控制压力检测支路的导通，压力传感器一检测导通后的第一压力检测支路的内压；压力传感器一检测到的数据发送至中控室的中控系统；平板闸阀四和注水井之间的注水支路上还分支出一个第二压力检测支路，该压力检测支路上设有平板闸阀五、压力传感器二；平板闸阀五控制第二压力检测支路的导通，压力传感器二检测导通后的第二压力检测支路的内压。

作为一种优选技术方案，电动调节阀与智能流量计皆连接至中控室的中控系统，将比较的数据发送至中控系统进行存储记录。

作为一种优选技术方案，所述电动调节阀的控制电路包括主控芯片U3、通信电路、电源模块、驱动电路；主控芯片连接有通信电路、电源模块和驱动电路；通信电路还连接智能流量计信号输出端和中控系统的通信网络；电源模块给主控芯片U3、通信电路、驱动电路输出电压；主控芯片U3还连接有阀门位置采集电路；阀门位置采集电路还连接到电动阀门指示阀门行程的滑动电阻上，阀门位置采集电路采集阀门位置发送给主控芯片U3，智能流量计采集流量发送至主控芯片U3，主控芯片U3将两者数据比较厚输出控制指令给驱动电路，驱动电路连接交流电机，控制交流电机工作。

作为一种优选技术方案，还包括连接在火线、零线与主控芯片之间的过零检测电路，过零检测电路将交流电路电压信号发送给主控芯片，过零检测电压检测到交流电压处于正负0时，主控芯片输出控制驱动电路的工作。

作为一种优选技术方案，驱动电路包括包括可控光耦U8，可控光耦U8的型号为TLP521；可控光耦U8的4脚通过电阻R19连接到主控芯片U3的23脚；可控光耦U8的3脚连接到主控芯片U3的63脚；可控光耦U8的1脚连接极性电容C1的正极、稳压二极管DW1的负极、电阻R10的一端；可控光耦U8的2脚通过电阻R17连接到双向可控硅Q3的控制极，双向可控硅Q3的第一主电极连接电阻R10的另一端、整流桥CR1的正极输出端；双向可控硅Q3的第二主电极连接到稳压二极管DW1的正极、极性电容C1的负极、整流桥CR1的负极输出端；

整流桥CR1的火线输入端连接有交流电机M1的2脚；交流电机M1的1脚连接继电器K1的开关的一端，继电器K1的线圈一端连接PNP型三极管Q1的集电极，PNP型三极管Q1的发射极接入12V电压；PNP型三极管Q1的基极通过电阻R9连接到可控光耦U5的4脚，可控光耦U5的3脚连接公共点GND_12；可控光耦U5的1脚通过电阻连接到主控芯片U3的24脚输入正转控制；可控光耦U5的2脚连接到主控芯片U3的18脚。继电器K1的线圈的额另一端连接到公共点GND_12；继电器K1的开关的另一端连接到火线；

交流电机M1的3脚连接继电器K2的开关的一端，继电器K2的线圈一端连接PNP型三极管Q2的集电极，PNP型三极管Q2的发射极接入12V电压；PNP型三极管Q2的基极通过电阻R9连接到可控光耦U7的4脚，可控光耦U7的3脚连接公共点GND_12；可控光耦U7的1脚通过电阻R16连接到主控芯片U3的25脚输入反转控制；可控光耦U7的2脚连接到主控芯片U3的18脚；继电器K2的线圈的额另一端连接到公共点GND_12；继电器K2的开关的另一端连接到火线。

作为一种优选技术方案，过零检测电路包括可控光耦U1和可控光耦U2；可控光耦U1的1脚连接可控光耦U2的2脚并连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到火线；可控光耦U1的2脚连接可控光耦U2的1脚并连接到零线；可控光耦U1的3脚连接可控光耦的4脚并连接到芯片U3的18脚；可控光耦U1的4脚连接可控光耦U2的4脚并连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到主控芯片U3的27脚。

作为一种优选技术方案，电源模块包括输入电路、输出电路和连接在输入电路和输出电路直接的开关电源。

输入短路包括排插J3、排插J3连接外部电源，排插J3的火线连接保险丝F1的一端，保险丝F1的另一端连接到电容C7的一端、共模电感TF1的1脚；

排插J3的零线连接电容C7的另一端、共模电感TF1的3脚；共模电感TF1的2脚连接电容C8的一端、整流桥CR2的火线输入端；共模电感TF1的4脚连接电容C8的另一端、整流桥CR2的零线输入端；

整流桥CR2的正极输出端连接极性电容C9的正极、电容C10的一端并作为+V_ON直流输出点连接开关电源；整流桥CR2的负极输出端连接极性电容C9的负极、电容C10的另一端并接地；

开关电源包括变压器T1，该变压器T1的型号为EE19；变压器T1的5脚连接电阻R18的一端并接入上述+V_ON直流输出点；变压器T1的1脚连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极连接电阻R18的另一端、电容C11的一端、三极管Q5的集电极；三极管Q6的发射极连接电阻R24的一端、二极管D4的正极；变压器T1的2脚连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端连接电容C11的另一端；变压器T1的3脚连接电阻R24的另一端、三极管Q5的发射极、电阻R25的一端、电阻R22的一端并接地；三极管Q5的基极连接电阻R25的另一端、二极管D4的负极、二极管D3的正极；二极管D3的负极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接三极管Q4的集电极，三极管Q4的发射极连接稳压二极管DW2的正极，稳压二极管DW2的负极连接电阻R21的一端并输入电压VC，电阻R21的另一端连接三极管Q4的基极、电阻R22的另一端；

变压器T1的4脚连接电容C12的一端、电容C13的一端、极性电容C15的负极并接地；变压器T1的6脚连接二极管D5的正极，二极管D5的负极连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、极性电容C15的正极并输出电压VC，该输出电压作为一个反馈电压；

变压器T1的7脚连接极性电容C14的负极并接地；变压器T1的8脚连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接极性电容C14的正极并输出电压12V；

变压器T1的9脚连接极性电容C2的负极并接地；变压器T1的10脚连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接极性电容C2的正极并输出电压5V；

输出电路包括芯片U9和芯片U10；芯片U9的型号为AMS1117-3.3；芯片U10的型号为基准电压芯片REF3030；

芯片U9的Vin脚接入5V电压并连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接芯片U9的GND脚、极性电容C4的负极、电容C6的一端、芯片U3的31脚；芯片U9的Vout脚连接极性电容C4的正极、电容C6的另一端并输出电压VCC；

芯片U10的Vin脚接入芯片U9输出的VCC电压并连接电容C16的一端，电容C16的另一端连接芯片U3的12脚、芯片U10的GND脚、极性电容C17的负极、电容C18的一端、电阻R27的一端；芯片U9的Vout脚连接极性电容C17的正极、电容C18的另一端并输出电压REF_3V；电阻R27的一端连接到芯片U3的31脚。

作为一种优选技术方案，阀门位置采集电路包括排插J2，排插J2连接到电动调节阀上指示阀门位置行程的滑动电阻上，排插J2的3脚接入电压REF_3V；排插J2的2脚连接电阻R20的一端；排插J2的1脚连接电容C5的一端并连接芯片U3的12脚；电阻R20的另一端连接电容C5的另一端，并连接到芯片U3的8脚。

现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明中，本发明中多路注水，每一路皆设有调节阀和流量计，根据每一路的流量进行调节阀的阀门控制，使得每一路都恒压。由于分水器分水也会有一定误差，因此每一路独立控制比起整体控制来说更加精准。

在进行油井多路注水时，直接将流量计采集的流量数据发送至电动调节阀门的控制电路，由其直接完成比对控制输出的工作，从而使得控制更速度且精准。相比于将数据发送给中控系统再由中控系统完成数据比较并输出执行指令的常见物联网中控控制方式来说，其响应速度更快，因此波动更小，能做到更好的恒压效果。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2位主控芯片的电路原理图；

图3为通信电路的电路原理图；

图4为电源模块中，输入电路的电路原理图；

图5为为电源模块中，开关电源的电路原理图；

图6为为电源模块中，输出电路的电路原理图；

图7为阀门位置采集电路的电路原理图；

图8为交流电过零检测电路的电路原理图；

图9为阀门驱动电路的电路原理图。

其中，附图标记如下所示：1-分水器、2-平板闸阀一、3-平板闸阀三、4-智能流量计、5-电动调节阀、6-平板闸阀四、7-平板闸阀二、8-压力传感器一、9-平板闸阀五、10-压力传感器二、11-中控室。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。

实施例一：

如图1所示，一种油田注水用物联网自动定量控制系统，分水器的进水口通过平板闸阀一连接高压注水泵，平板闸阀一作为进水控制阀。分水器上设有N+1个出水口分别连接第一压力检测支路和N个注水支路的一端，N个注水支路的另一端分别连接至N路注水井。

压力检测支路上依次设置平板闸阀二、压力传感器一，平板闸阀二控制压力检测支路的导通，压力传感器一检测导通后的第一压力检测支路的内压。压力传感器一检测到的数据发送至中控室的中控系统。

N个注水支路上皆设有恒流控制结构，恒流控制结构包括从分水器至注水井方向，依次设置在支路上的平板闸阀三、智能流量计、电动调节阀、平板闸阀四，平板闸阀四和注水井之间的注水支路上还分支出一个第二压力检测支路，该压力检测支路上设有平板闸阀五、压力传感器二。平板闸阀五控制第二压力检测支路的导通，压力传感器二检测导通后的第二压力检测支路的内压。

该压力传感器二将采集的数据发送至中控系统与压力传感器一进行压力比较。通过压力传感器将注水支路压力传送到中控室后，便于中控室对各注水支路及支路部件压力随时掌握，及时做出相对应的安全保证措施。

本发明的核心技术点在于，每个支路上的智能流量计与电动调节阀直接连接，智能流量计采集到的数据发送至电动调节阀进行比较，根据比较结果，电动调节阀直接执行该支路上的输出控制，即控制阀门大小，从而自动控制流量。且电动调节阀连接至中控室的中控系统，将比较的数据发送至中控系统进行存储记录。

该注水调节橇各路流量控制是分别独立开的，因此一路注水和多路注水都能适应该结构。在某路智能流量计接到中控室的流量信号指令后，是直接与该路电动调节阀进行信号对比，并控制该路电动调节阀做出相应的调节动作，不用反馈到中控室进行数据处理后再发出调节指令，这样大大的缩短了调节阀进行动作反应的时间，从而提高了相应的流量控制精度。从用户现场实际使用的流量控制精度返馈的数据统计中可看出，这样的控制调节方式得到的流量波动为约为0.2-0.6％以内，且做出流量调节反应的时间约为2-5秒内实现稳定的恒流状态。

进一步的，为了使得电动调节阀能够实现与智能流量计采集的数据进行直接比较，本发明对电动调节阀进行控制电路改进。

控制电路包括主控芯片U3、用于与智能流量计和中控系统通信的通信电路、用于给电动调节阀供电的电源模块、驱动电动调节阀工作的驱动电路、用于采集电动调节阀阀门位置的位置采集电路。

主控芯片U3的型号为STM32F103RBT6，芯片U3连接有LCD显示屏。

电源模块包括输入电路、输出电路和连接在输入电路和输出电路直接的开关电源。

输入短路包括排插J3、排插J3连接外部电源，排插J3的火线连接保险丝F1的一端，保险丝F1的另一端连接到电容C7的一端、共模电感TF1的1脚；

排插J3的零线连接电容C7的另一端、共模电感TF1的3脚；共模电感TF1的2脚连接电容C8的一端、整流桥CR2的火线输入端；共模电感TF1的4脚连接电容C8的另一端、整流桥CR2的零线输入端；

整流桥CR2的正极输出端连接极性电容C9的正极、电容C10的一端并作为+V_ON直流输出点连接开关电源；整流桥CR2的负极输出端连接极性电容C9的负极、电容C10的另一端并接地。

开关电源包括变压器T1，该变压器T1的型号为EE19。变压器T1的5脚连接电阻R18的一端并接入上述+V_ON直流输出点；变压器T1的1脚连接三极管Q6的集电极，三极管Q6的基极连接电阻R18的另一端、电容C11的一端、三极管Q5的集电极；三极管Q6的发射极连接电阻R24的一端、二极管D4的正极；变压器T1的2脚连接电阻R26的一端，电阻R26的另一端连接电容C11的另一端；变压器T1的3脚连接电阻R24的另一端、三极管Q5的发射极、电阻R25的一端、电阻R22的一端并接地；三极管Q5的基极连接电阻R25的另一端、二极管D4的负极、二极管D3的正极；二极管D3的负极连接电阻R23的一端，电阻R23的另一端连接三极管Q4的集电极，三极管Q4的发射极连接稳压二极管DW2的正极，稳压二极管DW2的负极连接电阻R21的一端并输入电压VC，电阻R21的另一端连接三极管Q4的基极、电阻R22的另一端。

变压器T1的4脚连接电容C12的一端、电容C13的一端、极性电容C15的负极并接地；变压器T1的6脚连接二极管D5的正极，二极管D5的负极连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、极性电容C15的正极并输出电压VC，该输出电压作为一个反馈电压。

变压器T1的7脚连接极性电容C14的负极并接地；变压器T1的8脚连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接极性电容C14的正极并输出电压12V。

变压器T1的9脚连接极性电容C2的负极并接地；变压器T1的10脚连接二极管D2的正极，二极管D2的负极连接极性电容C2的正极并输出电压5V。

输出电路包括芯片U9和芯片U10；芯片U9的型号为AMS1117-3.3；芯片U10的型号为基准电压芯片REF3030。

芯片U9的Vin脚接入5V电压并连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接芯片U9的GND脚、极性电容C4的负极、电容C6的一端、芯片U3的31脚；芯片U9的Vout脚连接极性电容C4的正极、电容C6的另一端并输出电压VCC。

芯片U10的Vin脚接入芯片U9输出的VCC电压并连接电容C16的一端，电容C16的另一端连接芯片U3的12脚、芯片U10的GND脚、极性电容C17的负极、电容C18的一端、电阻R27的一端；芯片U9的Vout脚连接极性电容C17的正极、电容C18的另一端并输出电压REF_3V。电阻R27的一端连接到芯片U3的31脚。

阀门位置采集电路包括排插J2，排插J2连接到电动调节阀上指示阀门位置行程的滑动电阻上，电动调节阀的阀门上设有与电机分离设置的指示行程滑动电阻是现有技术，本实施例不作详细说明。排插J2的3脚接入电压REF_3V；排插J2的2脚连接电阻R20的一端；排插J2的1脚连接电容C5的一端并连接芯片U3的12脚；电阻R20的另一端连接电容C5的另一端，并连接到芯片U3的8脚。

通信电路包括排插J1、芯片U4、芯片U6，排插J1的1脚连接电阻R6的一端，电阻R6的另一端连接电阻R3的一端、电阻R4的一端并连接到芯片U4的7脚；排插J1的2脚连接电阻R7的一端，电阻R7的另一端连接电阻R4的另一端、电阻R5的一端并连接到芯片U4的6脚；电阻R5的另一端接入5V电压；芯片U4的型号为SN75176；排插J1的1脚和2脚与智能流量计的信号输出端连接，采集其数据；芯片U4的1脚、2脚、3脚、4脚连接到主控芯片U3。电阻R3的另一端连接到主控芯片U3对应引脚。

排插J1的4脚和5脚用于接入物联网连接至中控系统通信网络；排插J1的4脚连接电阻R14的一端，电阻R14的另一端连接电阻R11的一端、电阻R12的一端并连接到芯片U6的7脚；排插J1的5脚连接电阻R15的一端，电阻R15的另一端连接电阻R12的另一端、电阻R13的一端并连接到芯片U5的6脚；电阻R13的另一端接入5V电压；芯片U5的型号为SN75176；排插J1的1脚和2脚与智能流量计连接，采集其数据；芯片U5的1脚、2脚、3脚、4脚连接到主控芯片U3；电阻R11的另一端连接到主控芯片U3的对应引脚。

驱动电路包括可控光耦U8，可控光耦U8的型号为TLP521；可控光耦U8的4脚通过电阻R19连接到主控芯片U3的23脚；可控光耦U8的3脚连接到主控芯片U3的63脚；可控光耦U8的1脚连接极性电容C1的正极、稳压二极管DW1的负极、电阻R10的一端；可控光耦U8的2脚通过电阻R17连接到双向可控硅Q3的控制极，双向可控硅Q3的第一主电极连接电阻R10的另一端、整流桥CR1的正极输出端；双向可控硅Q3的第二主电极连接到稳压二极管DW1的正极、极性电容C1的负极、整流桥CR1的负极输出端。

整流桥CR1的火线输入端连接有交流电机M1的2脚；交流电机M1的1脚连接继电器K1的开关的一端，继电器K1的线圈一端连接PNP型三极管Q1的集电极，PNP型三极管Q1的发射极接入12V电压；PNP型三极管Q1的基极通过电阻R9连接到可控光耦U5的4脚，可控光耦U5的3脚连接公共点GND_12。可控光耦U5的1脚通过电阻连接到主控芯片U3的24脚输入正转控制；可控光耦U5的2脚连接到主控芯片U3的18脚。继电器K1的线圈的额另一端连接到公共点GND_12。继电器K1的开关的另一端连接到火线。

交流电机M1的3脚连接继电器K2的开关的一端，继电器K2的线圈一端连接PNP型三极管Q2的集电极，PNP型三极管Q2的发射极接入12V电压；PNP型三极管Q2的基极通过电阻R9连接到可控光耦U7的4脚，可控光耦U7的3脚连接公共点GND_12。可控光耦U7的1脚通过电阻R16连接到主控芯片U3的25脚输入反转控制；可控光耦U7的2脚连接到主控芯片U3的18脚。继电器K2的线圈的额另一端连接到公共点GND_12。继电器K2的开关的另一端连接到火线。

本发明中，通过驱动电路对电动调节阀进行高精度精确调节，因为电动调节阀阀门位置稍微走一点，对流量影响很大。本发明中，通过控制可控硅的导通脚，从而控制交流电机慢慢转，完成精确的控制。即通过可控硅的导通脚频繁导通、停止导通的循环，完成控制交流电机的缓慢转动。

本发明还包括连接在零线、火线与主控芯片U3之间的交流电源过零检测电路，交流电源过零检测电路包括可控光耦U1和可控光耦U2；可控光耦U1的1脚连接可控光耦U2的2脚并连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接到火线；可控光耦U1的2脚连接可控光耦U2的1脚并连接到零线。可控光耦U1的3脚连接可控光耦的4脚并连接到芯片U3的18脚；可控光耦U1的4脚连接可控光耦U2的4脚并连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接到主控芯片U3的27脚。

设计交流电源过零检测电路的原因是上述交流电机，该交流电机通过可控硅控制，而可控硅为降低功耗，检测交流电路的电压，交流电路是正弦波，检测正负电压刚好为0的位置，此时主控芯片控制电阻R19(零线)所在线路，控制可控硅导通，将电流输入交流电机，控制波形完成型和可控硅的触发的功耗，避免在高电压时输入的高功耗。

本发明中，通过通信电路采集智能流量计的流量数据并发送给主控芯片，与阀门位置采集电路采集的阀门位置进行比对，主控芯片输出控制给驱动电路，驱动电路控制阀门工作，调节阀门位置控制流量。

本发明中，由电动调节阀的主控芯片直接进行流量比较并完成输出控制。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述结构设计的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明上做出的一些无实质性改进，也落入本发明的保护范围内。