一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路和方法

技术领域

本发明涉及油田加热炉集控装置技术领域，具体涉及一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路和方法。

背景技术

油田加热炉是油气集输系统中处理、输送等环节应用最多的一种油田专用设备，其作用是将原油、天然气、油气混合物等加热至工艺所需要的温度，满足油气集输工艺及加工工艺的要求，是一种非常重要的油田生产设施。随着油气田勘探开发面积的增大、开发难度的增加，油田加热炉的数量越来越多。由于国内油田场站所用的加热炉类型多样、参数不统一，导致多台加热炉同时工作时的热效率不均衡。另一方面，不同加热炉在生产运行时的介质流量也不同，因此对于燃气的利用能力也存在较大差异。

为了解决这个问题，早期国内油田企业一般都是采用数据监控、人工调整的方式，但是由于无法精准控制所以效率不高。随着技术的发展，很多油田企业会采用一些先进的算法来自动实现加热炉的管控。实现形式一般为：首先由下位机控制系统采集加热炉的运行数据，然后通过通信网络上传至上位机软件，上位机软件利用这些数据运行算法计算得到需要控制的结果，再将控制命令回传给下位机控制系统，下位机控制系统根据控制命令对加热炉的运行状况进行调整。

这种形式存在两个弊端：第一，当上位机软件出现运行Bug、崩溃，或者通信网络出现断开、延时、阻塞等现象时，加热炉将脱离正常的控制，容易出现运行事故；第二，这种方式需要在下位机控制系统和上位机软件之间多次传递数据，导致整体效率不高。

发明内容

本发明的主要目的是，针对现有技术存在的问题，提供一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路和方法，用于提高稳定性，提高效率。

为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路，包括：数据存储模块、温度判断模块、状态比较电路和决策电路；所述数据存储模块，用于接收和保存采样得到的温度数据，并将温度数据输出给所述温度判断模块和所述状态比较电路；所述温度判断模块，用于将接收到的温度数据与预设的温度区间进行比较，生成对应的编码，并对生成的编码进行分类后输出，不同的类别对应不同的调节模式，以及，当生成的编码对应于缓冲调节模式时，输出使能信号给所述状态比较电路；所述状态比较电路，用于当接收到有效的使能信号时，对接收到的温度数据完成一次数据锁存，计算锁存的一组温度数据的变化趋势，输出对应的变化趋势信号；所述决策电路，用于根据所述温度判断模块输出的不同类别的编码，结合所述状态比较电路输出的变化趋势信号，输出对应的控制指令。

可选的，该油田加热炉管控电路在硬件芯片FPGA中通过逻辑门电路实现，该FPGA集成到油田加热炉的下位机控制系统中。

可选的，所述数据存储模块利用FPGA芯片内部的块随机存储器BLOCK RAM实现。

可选的，所述温度判断模块包括8组比较器和2个译码电路，2个译码电路包括译码电路a和译码电路b；8组比较器的正端接收所述数据存储模块输出的温度数据，8组比较器的负端通过Set信号与通信电路连接并进而与上位机连接；8组比较器将输入的温度数据与9个温度区间进行比较，生成对应的编码；译码电路a将生成的编码分为表示不同调节模式的四个类别，分别通过四个编码输出端输出，其中第一类表示快速调节，第二类表示慢速调节，第三类表示缓冲调节，第四类表示不调节；当生成的编码属于表示缓冲调节模式的第三类时，译码电路b通过使能输出端输出使能信号1给所述状态比较电路，否则输出0。

可选的，所述状态比较电路包括定时器、锁存器和减法电路；所述定时器的设定端通过Set信号与通信电路连接并进而与上位机连接，使能输入端接收所述温度判断模块输出的使能信号，输出端与锁存器连接；当定时器的使能输入端为1时，定时器开始工作，并在完成一次定时后输出1，否则输出0；锁存器的使能输入端接收定时器输出的信号，数据输入端接收所述数据存储模块输出的温度数据，当锁存器的使能输入端为1时，锁存器对接收到的一组温度数据完成一次数据锁存，并将锁存的一组温度数据输出到减法电路中；减法电路的设定端通过Set信号与通信电路连接并进而与上位机连接，数据输入端接收锁存器输出的温度数据；减法电路通过计算锁存的一组温度数据的变化趋势，通过三个输出端分别输出表示上升趋势、下降趋势和稳定趋势的变化趋势信号。

可选的，所述决策电路包括4个译码电路和3个与门，4个译码电路包括译码电路1、译码电路2、译码电路3和译码电路4；4个译码电路的输入端分别连接温度判断模块的四个编码输出端；3个与门各自的输入端1连接译码电路3的输出端，各自的输入端2连接所述状态比较电路的三个输出端；4个译码电路和3个与门，根据接收到的编码和变化趋势信号的不同，分别输出不同的信号作为控制指令。

本发明第二方面，提供一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控方法，硬件芯片上部署有数据存储模块、温度判断模块、状态比较电路和决策电路；所述方法包括：所述数据存储模块接收和保存采样得到的温度数据，并将温度数据输出给所述温度判断模块和所述状态比较电路；所述温度判断模块将接收到的温度数据与预设的温度区间进行比较，生成对应的编码，并对生成的编码进行分类后输出，不同的类别对应不同的调节模式，以及，当生成的编码对应于缓冲调节模式时，输出使能信号给所述状态比较电路；所述状态比较电路接收到有效的使能信号时，对接收到的温度数据完成一次数据锁存，计算锁存的一组温度数据的变化趋势，输出对应的变化趋势信号；决策电路根据所述温度判断模块输出的不同类别的编码，结合所述状态比较电路输出的变化趋势信号，输出对应的控制指令。

可选的，所述的数据存储模块、温度判断模块、状态比较电路和决策电路，在硬件芯片FPGA中通过逻辑门电路实现，该FPGA集成到油田加热炉的下位机控制系统中。

可选的，记温度管控范围的下限值和上限值分别是T

温度区间1，≤T

温度区间2，[T

温度区间3，[T

温度区间4，[T

温度区间5，[T

温度区间6，[T

温度区间7，[T

温度区间8，[T

温度区间9，≥T

可选的，所述输出对应的控制指令包括：

当进入快速调节模式时，编码为0时输出表示大提火操作的控制指令，编码为255时输出表示大降火操作的控制指令；

当进入慢速调节模式时，编码为1时输出表示小提火操作的控制指令，编码为127输出表示小降火操作的控制指令；

当进入缓冲调节模式时，且编码为3或7时，若所述状态比较电路输出的上升趋势信号有效，则输出表示不操作的控制指令，若所述状态比较电路输出的下降趋势信号或者稳定趋势信号有效，则输出表示小提火操作的控制指令；

当进入缓冲调节模式时，且编码为31或63时，若所述状态比较电路输出的下降趋势信号有效，则输出表示不操作的控制指令，若所述状态比较电路输出的上升趋势信号或者稳定趋势信号有效，则输出表示小降火操作的控制指令；

当进入不调节模式时，编码为15，输出表示不操作的控制指令。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明将原来在上位机软件中实现的算法直接在硬件芯片中通过逻辑门电路来实现，同时将硬件芯片直接集成到下位机控制系统中，这样一来既避免了软件崩溃和通信中断带来的问题，提高了稳定性，又可以在下位机控制系统中直接通过算法对加热炉进行管控，有效提高了整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例和现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明实施例的油田加热炉管控电路的结构图；

图2是本发明实施例中温度判断模块的原理框图；

图3是本发明实施例中状态比较电路的原理框图；

图4是本发明实施例中决策电路的原理框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面通过具体实施例，进行详细的说明。

本发明实施例提供一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路。本发明实施例采用的方案是：将加热炉管控算法在硬件芯片FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列)中通过逻辑门电路来实现，利用FPGA中的逻辑门电路组成本发明实施例的油田加热炉管控电路，同时将FPGA集成到下位机控制系统中，直接实现对于加热炉的管控。

如图1所示，是本发明实施例的油田加热炉管控电路的结构图，也是加热炉管控算法在FPGA中实现的整体框图。本发明实施在FPGA中主要规划设计4个模块，包括：①数据存储模块、②温度判断模块、③状态比较电路、④决策电路。此外，FPGA可通过内部的通信电路与远程的上位机进行通信。

(1)数据存储模块

加热炉运行过程中的生产指标主要是温度，所以被控对象也是温度。该数据存储模块主要用于接收和保存采样得到的温度数据。温度传感器一般输出4-20mA标准模拟信号，经过精密采样电阻后转化为1-5V电压信号，再经过跟随电路以后被ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)芯片采样，采样后的数据进入FPGA的数据存储模块。可选的，数据存储模块调用的是FPGA内部的块随机存储器(BLOCK RAM)，将采样后的温度数据直接存储在BLOCK RAM中。数据存储模块还用于输出这些温度数据给后续需要的模块，包括温度判断模块和状态比较电路。

(2)温度判断模块

该温度判断模块的原理框图如图2所示，主要包括8组比较器和2个译码电路，即译码电路a和译码电路b。

数据存储模块输出的温度数据进入温度判断模块后接入到8组比较器的正端，而8组比较器的负端通过Set信号与通信电路连接，进而与上位机连接。比较器负端的值为设定值，由上位机来设定；比较器正端的值为输入的温度数据，当比较器正端的值大于负端的值时，输出1，当比较器正端的值小于负端的值时，输出0。8组比较器的输出值组成8位二进制编码。

加热炉管控算法中采用2个温度设定值，即第一设定值Δ1和第二设定值Δ2，再加上温度被控区间的两个端点，即下限值T

以温度被控区间[50℃,70℃]为例，假设第一设定值为3℃，第二设定值为0.5℃，划分后的温度区间如表1所示。从表1可以看出，共包括2个快速调节模式，2个慢速调节模式，4个缓冲调节模式，以及一个不调节模式，每个模式都有其对应的编码。

译码电路a主要负责将比较器输出的编码进行分类后输出，具体规则为：①0和255为第一类，表示快速调节，通过Fast输出端输出；②1和127为第二类，表示慢速调节，通过Slow输出端输出；③3、7、31、63为第三类，表示缓冲调节，通过Buffered输出端输出；④15为第四类，表示不调节，通过No输出端输出。译码电路a还将生成的编码转发给译码电路b。

译码电路b主要负责判断是否进入了缓冲调节模式，当编码为3、7、31、63中的一个时，译码电路b通过使能输出端State_en输出使能信号1，否则输出0。译码电路b的输出端与状态比较电路的使能输入端相连，意味着只有温度判断模块判定温度进入了缓冲调节时，状态比较电路才开始工作。

如上，该温度判断模块主要用于将接收到的温度数据与预设的温度区间进行比较，生成对应的编码，并对生成的编码进行分类后输出，不同的类别对应不同的调节模式，以及，当生成的编码对应于缓冲调节模式时，输出使能信号给状态比较电路。

表1

(3)状态比较电路

该状态比较电路的原理框图如图3所示，主要包括1个定时器、1个锁存器、1个减法电路(由多个减法器构成)。

定时器的使能输入端接收温度判断模块输出的使能信号，为1时开始工作，为0时不工作。定时器的设定端通过Set信号与通信电路连接，进而与上位机连接，由上位机来设定定时器的定时周期。定时器的输出端与锁存器连接，当定时器完成一次定时后输出1，否则输出0。

锁存器的使能输入端与定时器的输出端相连，为1时锁存器开始工作，为0时不工作。锁存器的数据输入端接收来自数据存储模块输出的温度数据，当锁存器的使能端为1时对接收到的一组温度数据完成一次数据锁存，并将锁存后的温度数据输出到减法电路中。

减法电路的数据输入端接收锁存器输出的温度数据。减法电路的设定端通过Set信号与通信电路连接，进而与上位机连接，由上位机来设定减法电路中的比较阈值。减法电路通过计算锁存的一组温度数据的变化趋势，通过三个输出端Up、Down和Smooth分别输出表示上升趋势、下降趋势和稳定趋势的变化趋势信号。

以温度被控区间[50℃,70℃]为例，假设一个信号采集周期内，状态比较电路锁存了4个数据，分别为50℃、51℃、52℃、53℃，同时设定的阈值为1℃。通过计算各个单位时间间隔内平均值得出，50.5℃、51.5℃、52.5℃，计算52.5℃-51.5℃＝1℃，则合点，即将50℃替代51℃，合点后变为50℃、52℃、53℃，再次计算平均值得51℃、52.5℃，计算52.5℃-51℃＝1.5℃>1℃，得出变化趋势为上升，下降趋势同理可得。重复上述过程，若超过3次未判断出上升或下降趋势，则视为稳定趋势。

如上，状态比较电路主要用于当接收到有效的使能信号时，对接收到的温度数据完成一次数据锁存，计算锁存的一组温度数据的变化趋势，输出对应的变化趋势信号。变化趋势信号包括上升趋势信号、下降趋势信号和稳定趋势信号，分别通过三个输出端输出，值为1时为有效信号，为0是为无效信号。

(4)决策电路

该决策电路的原理框图如图4所示，主要包括4个译码电路和3个与门。4个译码电路记为译码电路1、译码电路2、译码电路3、译码电路4，各自的输入端分别连接温度判断模块的四个编码输出端Fast、Slow、Buffered和NO。3个与门各自的输入端1连接译码电路3的输出端，各自的输入端2连接所述状态比较电路的三个输出端Up、Down和Smooth。该决策电路的译码电路1、译码电路2、译码电路4以及3个与门，主要用于根据温度判断模块输出的不同类别的编码，结合状态比较电路输出的不同的变化趋势信号，分别输出对应的信号作为控制指令。

决策规则主要包括4种情况：

①当进入快速调节模式时

a:如果编码为0，译码电路1输出1，对加热炉进行大提火操作；

b:如果编码为255，译码电路1输出0，对加热炉进行大降火操作；

②当进入慢速调节模式时

a:如果编码为1，译码电路2输出1，对加热炉进行小提火操作；

b:如果编码为127，译码电路2输出0，对加热炉进行小降火操作；

③当进入缓冲调节模式时

a:如果编码为3或7，译码电路3输出1，此时，如果上升趋势信号有效(1有效，0无效)，与门1输出1，对加热炉不进行操作；如果下降趋势信号有效(1有效，0无效)，与门2输出1，对加热炉进行小提火操作；如果稳定趋势信号有效(1有效，0无效)，与门3输出1，对加热炉进行小提火操作；

b:如果编码为31或63，译码电路3输出0，此时，如果上升趋势信号有效(1有效，0无效)，与门1输出0，对加热炉进行小降火操作；如果下降趋势信号有效(1有效，0无效)，与门2输出0，经反相器后输出1，对加热炉不进行操作；如果稳定趋势信号有效(1有效，0无效)，与门3输出0，对加热炉进行小降火操作；

④当进入不调节模式时

如果编码为15，译码电路4输出1，此时对加热炉不进行操作。

本发明实施例还提供一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控方法，硬件芯片上部署有数据存储模块、温度判断模块、状态比较电路和决策电路；所述方法包括：

S1、数据存储模块接收和保存采样得到的温度数据，并将温度数据输出给所述温度判断模块和所述状态比较电路；

S2、温度判断模块将接收到的温度数据与预设的温度区间进行比较，生成对应的编码，并对生成的编码进行分类后输出，不同的类别对应不同的调节模式，以及，当生成的编码对应于缓冲调节模式时，输出使能信号给所述状态比较电路；

S3、状态比较电路接收到有效的使能信号时，对接收到的温度数据完成一次数据锁存，计算锁存的一组温度数据的变化趋势，输出对应的变化趋势信号；

S4、决策电路根据温度判断模块输出的不同类别的编码，结合所述状态比较电路输出的变化趋势信号，输出对应的控制指令。

可选的，所述的数据存储模块、温度判断模块、状态比较电路和决策电路，在硬件芯片FPGA中通过逻辑门电路实现，该FPGA集成到油田加热炉的下位机控制系统中。

可选的，记温度管控范围的下限值和上限值分别是T

温度区间1，≤T

温度区间2，[T

温度区间3，[T

温度区间4，[T

温度区间5，[T

温度区间6，[T

温度区间7，[T

温度区间8，[T

温度区间9，≥T

可选的，步骤S4具体包括：

当进入快速调节模式时，编码为0时输出表示大提火操作的控制指令，编码为255时输出表示大降火操作的控制指令；

当进入慢速调节模式时，编码为1时输出表示小提火操作的控制指令，编码为127输出表示小降火操作的控制指令；

当进入缓冲调节模式时，且编码为3或7时，若所述状态比较电路输出的上升趋势信号有效，则输出表示不操作的控制指令，若所述状态比较电路输出的下降趋势信号或者稳定趋势信号有效，则输出表示小提火操作的控制指令；

当进入缓冲调节模式时，且编码为31或63时，若所述状态比较电路输出的下降趋势信号有效，则输出表示不操作的控制指令，若所述状态比较电路输出的上升趋势信号或者稳定趋势信号有效，则输出表示小降火操作的控制指令；

当进入不调节模式时，编码为15，输出表示不操作的控制指令。

综上，本发明实施例公开了一种基于硬件芯片实现的油田加热炉管控电路和方法。本发明取得有益效果如下：

本发明将原来在上位机软件中实现的算法直接在硬件芯片中通过逻辑门电路来实现，同时将硬件芯片直接集成到下位机控制系统中，这样一来既避免了软件崩溃和通信中断带来的问题，提高了稳定性，又可以在下位机控制系统中直接通过算法对加热炉进行管控，有效提高了整体效率。

以上，通过具体实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

应当理解，上述各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。本领域的普通技术人员，可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和保护范围。