油田注水系统自控及独立供电系统的开发毕业论文.doc

油田注水系统自控及独立供电系统的开发毕业论文目 录摘要IAbstracII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 选题的目的和意义11.3 研究主要成果21.3.1 科学化设计21.3.2 应用新理论、新技术21.4 发展趋势31.5 单片机控制技术的应用及优点31.6 太阳能供电51.7 本章小结6第2章 注水系统数学模型92.1 配水间及单井的模型92.2 注水系统的向量模型102.3 本章小结13第3章 注水系统运行控制理论153.1 控制问题的表述及数学模型153.1.1 控制问题的表述153.1.2 注水系统的分解153.1.3 子系统向量模型173.2 控制问题的解算193.2.1 注水系统控制问题的求解203.2.2 子系统的迭代步骤213.2.3 系统的迭代步骤213.3 注水系统控制技术223.3.1 阀门节流控制原理243.3.2 阀门节流控制的实现243.4 本章小结27第4章 注水系统流量的测量294.1 系统原理和流量测量器件的选择294.1.1 测量系统原理294.1.2 PIC16F876A单片机304.1.3 MAX232资料简介304.2 执行机构314.3 系统人机交换界面324.4 系统程序及软件抗干扰措施324.4.1 系统程序324.4.2 抗干扰措施344.5 本章小结34第5章 太阳能供电系统的分析355.1 太阳能供电的工作原理355.2 太阳能供电系统的组成部分及作用355.2.1 太阳能电池板355.2.2 太阳能控制器355.2.3 蓄电池355.2.4 逆变器375.3 智能太阳能供电系统配置方案375.3.1 太阳能电池组件375.3.2 太阳能专用智能控制器375.3.3 太阳能光伏系统专用逆变器375.3.4 免维护铅酸蓄电池组385.3.5 蓄电池柜及连接电缆385.4 本章小结38结论39参考文献40致谢43附录1 开题报告45附录2 文献综述49附录3 中期报告53附录4 英文翻译59III第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景在陆上油田开发中，注水系统是油田生产系统的主要组成部分。它担任着实现油田高产稳产，保持油层能量的主要任务。我国油田绝大部分采用注水开发。同时，注水本身也是耗能大户。据统计，注水耗电一般占整个油田总耗电量的38%-56%。同国外相比，我国油田注水工艺落后，而且注水系统平均效率也比较低，约为47.08%；有将近1/2以上的注水用电量被各种损耗所浪费，国内大多数油田注水系统效率为38%-50%，其中大庆油田较高，为54.56%。通过上述比较，我国油田注水系统的效率距国外水平还有很大差距；但同时也可以看到，国内油田在提高注水系统效率方面还有很大潜力。因此，提高注水系统效率，实行节能降耗将成为我国油田工作的重点。随着计算机技术和自动控制技术的发展，可实现注水系统数据采集、监测、优化、自动控制的一体化运行，从而可以根据实际配注量的变化，通过控制软件来实现注水系统各参数的自动采集、自动分析、自动调节、自动控制，保证注水系统在参数最优化状态下运行，而避免人为管理上的不及时调整而导致的能量损失。目前，国内油藏进入特高含水开发后期，措施增油效果越来越差，稳产难度日益增大，强化有效的注水是目前改善油藏开发效果的关键。1.2 选题的目的和意义油田注水的目的是为了保持油田能量，保持油层压力，提高供液能力，降低原油递减率。注水情况的好与坏直接关系到油田的稳产与否，如果注水不稳定，会导致暴性水淹，油层注水波及不平衡，水驱动用程度低。当油层压力发生变化时，注水量就会随之改变，一般情况下，只能靠人工来调节注水量，对于周期短的间注水井和层间矛盾突出或测试难度大的油井，人工测试的控制精度差，注水量调节难度大，工作量大，注水倒流和因此引起的油层出砂现象时有发生，此时，需要自动调节水流量的智能注水系统。1.3 研究主要成果国内从上世纪九十年代后期开始重视油田整体开发的济效益，已开展了注水系统效率的研究工作。前期的研成果主要是围绕着对注水系统效率影响最大的三个要点开的：1 )提高机泵系统效率；2 )降低管网沿程损失；3)降低阀门节流损失，通过局部的调整改造来局部改善水系统的运行效率。1.3.1 科学化设计 （1)遵循整体降压、分区分压、局部增压、合理搭配原则提高管网效率的基本原则是注水站泵压与所辖范围内注水井井 口压力有一个比较经济合理 的匹配值，以使其程压力损失最小，又能满足注水压力的要求。 但 由于油或区块不同油层吸水性能不同，造成注水压力差别较。这时应对于注水井压力进行分析，对大部分中低压井取整体降压，少数高压井采取局部增压和分区分压的注工艺，收到明显的节能效果。（2)做好规划设计，合理井站布局注水站尽量布置在注水管辖区的中心位置，注水半径为5km之内，将注水泵到注水井口的压力损失控制在1Mpa之内。如果油田或区块面积太大，只设置一台注水，必然造成高压管线过长，而加大了管网损失；若区块压力不同时，按满足高压区块设计，泵压损失更加明。对于边远区块油田，可采用小站注水流程，减少因高压管线过长，造成管网沿程损失增大。（3)降低管网磨损，合理选用注水管管径。管径小，流速快，超过管网经济流速 1018mSe，则使管网磨损增大，能耗增加；降低管道内壁粗糙度，管网磨损与其粗糙系数的平方成正比；由于油田注入水水质腐蚀性较强，注水管的制造应采用耐腐蚀材料，并采用防腐工艺；改善注入水水质，在注入污水之前，采取一系列工艺措施对污水进行处理；尽量减少局部阻力损失，如尽可能在管网中少设置阀件、三通、弯头等连接件。1.3.2 应用新理论、新技术 （1)提高机泵系统效率相关技术主要是研究高效的节能电机和依据油田实际需要， 采用新技术，提高注水泵的效率。（2)注水系统管网的能耗的仿真分析 主要是如何建立地面网格模型，并进行简化，及多节点方程的解法处理。通过建立注水系统的研究模型，建立注水系统的数学模型，进行系统仿真，从而分析各环节的能量损失情况，采取相应的措施来完善注水系统。（3)工况诊断分析依据仿真结果，针对管网漏失、管线腐蚀、局部压力损失过大、流量异常、井口、管网、设备能耗等工况进行诊断分析，能够准确识别管网和设备故障，从而能够及时地发现并减少不必要的能量损失，提高效率。国内对油田地面注水系统效率问题的研究时间较短，上述工作所取得的成果也只是初步的。国外发达国家的技术先进、地面注水系统效率较高。因为国外油田注水主要以离心泵为主，注水泵性能好，运行周期长，检修工作量少。无功功耗小，配合变频调速技术的应用，可以做到注水泵出口压力流量与注水井压力水量匹配，减少或消除回流现象，从而实现节能节电，高效运行。1.4 发展趋势注水系统效率发展的主要方向有： （1)建立更加完善、更加精确、更加适合实际情况的数学模型 依托快速发展的计算机技术， 研究人员可以建立与油田注水系统十分吻合的数学模型， 从而更加的真实地进行仿真计算，进一步地提升系统效率。 （2)注水系统实现自动控制， 从而实现参数的优化运行 随着计算机技术和自动控制技术的发展，可实现注水系统数据采集、监测、优化、自动控制的一体化运行，从而可以根据实际配注量的变化，通过控制软件来实现注水系统各参数的自动采集、自动分析、自动调节、自动控制，保证注水系统在参数最优化状态下运行， 而避免人为管理上的不及时调整而导致的能量损失。1.5 单片机控制技术的应用及优点单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器，定时器和各种IO接口，也就是说集成在一块芯片上的计算机。单片机的主要特点是体积比较小，重量轻，再加上良好的抗干扰性和可靠性，单片枫已经成为工业控制的不可缺少的器件之一。单片机的开发最早主要是处于汇编级的开发，这样，为单片机开发程序还是比较复杂的，虽然单片机的指令系统和普通计算机系统的指令非常类似，但它也有自己特殊的指令。比如MCS系列单片机的位寻址就是一个特有的寻址方式，这也增强了该类型单片机在处理布尔代数时候的能力。除此以外，单片机的指令格式也比较特殊。单片机的主要的开发工作都集中在接口技术，也就是为单片机进行扩展外部功能。单片机的接口技术主要包括了并行接口，串行接口，数模转换器和模数转换器以及接口的扩展技术。通过这些扩展工作，单片机就获得了交互的能力，也使得内部的处理能力得到有效的发挥。单片机发展到今天，出现了不少高级语言的开发工具，这些系统通过仿真，在更高的平台上进行快速的开发，也为单片机的广泛应用铺平了道路。可以说单片机已经无处不在，与我们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小，也就是其集成的特性，其内部的结构是普通的计算机系统的简化。在增加一些外围电路之后，就能成为一个完整的系统。比如，我们常用的一类电子秤，内部就安装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形成了一个应用系统。所以单片机的可扩展性是相当好的。又比如K85这样的电脑中频电疗仪。能够从病人身上获取数据，然后根据现有的算法扶几种治疗处方中选择，而在每一种处方中还能够根据病人的病情而改变中频和波形及输出电流强度。这样可以看出单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理，可以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机也可以应用在电脑缝纫机上，这样单片机可以替代很多机械部分，还能提供很多老式的缝纫机无法实现的图案。所以单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。对于本文的流量控制系统来说，就是采用以C51语言开发的，以为芯片的PIC16F876A单片机控制系统的实际应用。单片机自20世纪70年代末问世以来，其应用得到了迅速发展。发单片机使用的基本工具包括仿真器、汇编器等。20世纪80年代的8051系列、6805系列、809698系列其内部资源本在64K内，而大多数应用程序的代码长度都在十几个K左右。进入20世纪90年代，随着大规模集成电路技术的高速发展，世界各主要半导体公司推出了面向2l世纪的微控制器，如INTEL296251、PHILIPSP5lXA、MOTOROLA68300系列等。这些芯片采用流水线结构和宽总线(16条数据总线和2个内部总线)，寻址能力可达6MB一32MB，片内ROMEPROMFLASH ROM可达28KB一512KB。为充分有效的开发这些微控制器的内部资源，提高应用系统的性能指标，单片机平台技术也有很大的提高。由实时多任务操作系统(RTOS)、基于嵌入式系统的c语言编译器(COMPILER)、实时在线仿真器(ICE)组成的高性能工具集合称为单片机开发平台。单片机开发平台使单片机开发走岛标准化、产业化，降低了风险，提高了效率。以往要进行单片机的开发工作，对开发有着多方面的要求：既要精通软件、硬件，又要具有系统设计概念，还要具备一定的电子线路工艺方面的知识和经验。开发单片机的另一大问题是：由于基于汇编语言编程，开发只能孤军作战，设计出来的代码可读性差、可继承性差。基于汇编的开发是一种个体手工生产方式，这种落后的工具对于比较简单的系统还可以对付，但面向21世纪的高性能微控制器，将会遇到很大的困难。单片机内部含有计算机的基本功能部件：中央处理机(CPU)、存储器、IO端口和特殊功能部件。与一般PC机相比，单片机具有下面一些特点：体积小、单片机“小而全”：可靠性高、三总线在芯片内部、不易受干扰；控制功能强、控制直接、速度也快；使用方便、性能价格比高；容易产品化、比较容易保护开发者的知识产权。单片机也有不如PC机的地方：速度比PC机慢、开发系统专用、存储容量比较小。因此，单片机广泛应用于以下场所：各种智能仪表、机电一体化设备、实时要求高的控制系统底层，另外在分布式多机控制系统、现场总线控制系统以及各种小型、移动控制系统中也常常使用单片机。考虑到本系统的各种特性和具体的要求，再综合单片机与计算机控制的优缺点，我们拟采取单片机来进行控制。1.6 太阳能供电在当前全球能源紧张，价格飞涨的情况下，许多国家采取优惠的政策鼓励太阳能技术的开发和应用。太阳能供电技术作为一种高新技术，最早应用于航空探险等高端应用场合，随着各国的推动，太阳能供电技术也得到了日新月异的发展，太阳能发电和太阳能供电技术日益走进民用应用的场合。在森林、道路、河流、山川等通信或音视频电子设备应用场合，主要采取电网供电和电池供电方式，电池供电往往只能解决临时的需要，不能作为长期的供电电源;而采取电网供电方式存在诸多缺点：（1）供电方式为电缆输送，工程施工困难，造价高昂;（2）系统维护不便，高压输送存在安全隐患，运营成本高;（3）安装、组网困难。而太阳供电系统工作时无需水、油、汽、燃料，只要有光就能发电的特点，是清洁、无污染的可再生能源，而且安装维护简单，使用寿命长，可以实现无人值守，倍受人们的青睐，是新能源的领头羊。近年来，太阳能的应用在全球越来越广泛，特别是在野外领域，太阳能电源正逐步取代一些传统的电源设备，得到越来越普遍的应用。太阳能供电是指通过利用太阳能通过正负极磁场产生电流。目前广泛运用于民用、工业供电。该供电系统主要由由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。在行业内熟知的北京亚盟环保科技有限公司通过研究开发的保护和控制理念是一种全新的保护和控制，它包括过充、过放、过载、过温、短路、反接；对市电进行旁路自动切换；对输出实行多路控制；对负载增加节电控制等等，使保护和控制动作十分安全可靠与稳定。本设计采用太阳能供电系统提供系统的供电。1.7 本章小结本论文的目的是设计单片机系统以实现对油田注水系统的自动控制以及分析太阳能供电系统。绪论部分介绍了论文的背景及相关研究成果。本文需要解决的三个关键性问题是：一是注水系统数学模型的建立；二是控制系统的设计；三是流量的测量及间歇控制；四是太阳能供电系统的分析。主要工作可分为以下部分：（1）对原有系统的改进；（2）新系统的开发；（3）太阳能系统的分析。53第2章 注水系统数学模型 第2章 注水系统数学模型2.1 配水间及单井的模型配水间及单井的模型主要包括配水间到井口的地面管段、井筒内的油管、配水嘴以及地层的吸水规律等。其能耗可用下述的数学模型进行描述： （2-1） （2-2）式中,为配水间压力，Mpa；为注水井井底压，Mpa；为单位换算系数；为注水井的井底高度，m；为配水间的高度，m；为第i口注水井的启动压差，MPa；为第i口井的吸水指数的倒数，MPa；为第i口井的吸水量，/h。将上面两个式子合并之后就可以得到： （2-3）令 （2-4） (2-5) (2-6)则有 （2-7）式中是在高程为处折算到高程时的压力，即当配水间压力为时，流入第i口注水井的压力为零。 配水间的总压力和总流量之间的关系式可用下面的式子进行拟合： （2-8）式中，为配水间总流量，；，均为常数，可以通过实测数据拟合确定。2.2 注水系统的向量模型源点1阱点1节点3节点2节点1阱点2阱点3源点2支路4支路3支路8支路7支路1支路2支路5支路6图2-1 注水网络示意图利用上面建立的注水单元模型，根据注水系统得具体结构，列出所需要的方程就可以建立注水系统的整体模型。但是这种模型依赖于注水系统的结构，建模的工作量大，不便于计算。为简化建模工作和计算方法，本节给出注水系统用向量表示的模型。为了叙述方便，在这里称注水站为源点，配水间为阱点，输水管线相交点称为节点，两点间的输水管路为支路，见图2-1。把注水网络中同类的各变量组成向量。然后利用上面的基本单元模型，推导出注水网络的向量模型。假定在一个注水网络中有r个注水站，f个配水间，m条支路，n个(nm)节点，则需要引进下列向量符号:源点压力向量，其中分别是r个注水站的出口压力，r表示向量的转置，上述符号表示用r个注水站压力组成的源点压力，维列向量。用同样的方法定义下列向量： 支路入口压力向量 支路出口压力向量 节点压力向量 阱点压力向量 节点流入流量向量 节点流出流量向量 支路流量向量 源点流出流量向量 阱点流出流量向量 源点关联流量向量利用前面节建立的基本单元模型及上面定义的向量，可以推导出下列的向量方程组：（1）源点方程 （29）其中和分别是方程中参数A和B组成的参数量,是由向量的元素作为对角元素生成的对角矩阵 (210) (211) (212)是源点流量除以开泵台数生成的向量 (213)是由向量生成的对角矩阵，方程(2-9)与的形式类似，只不过是用向量形式表示。式(2-9）中，是rm阶矩阵，与注水网络有关，当第i个注水站有流量流入第j条支路时, 的元素,否则为零。（2）支路压力方程 （214）其中是支路流量系数组成的向量 （2-15）和分别是由向量和成的对角矩阵。（3）物料平衡方程 （2-16）是节点流入矩阵，当第j条支路有流量流入第i个节点时，其元素，否则为零。是节点流出矩阵，当第i个节点有流量流入第j条支路时，其，否则为零。为配水间流量矩阵，当第f个节点有流量流入第j个配水间时，其元素，否则为零。（4）配水间的特性方程 （2-17）其中和是配水间特性参数和组成的向量 （2-18） （2-19）（5）各种压力之间的关系 （2-20） ， （2-21）方程组(3-46)-(3-51)即为一个注水系统的向量模型。式中的，与网络结构有关的矩阵，显然对一个给定结构的注水网络，若已知各种必要的参数，只要建立出，即可得到系统的向量模型。对图3-4所示的注水系统，用观察法建立的结构矩阵为 （2-22） （2-23） （2-24） （2-25）2.3 本章小结本章建立了注水系统向量模型和大型注水系统数学计算方法。对联网的大型注水系统，在两个联网的注水站之间压力最低处设节点，划分为一系列子系统，研究了注水子系统数学描述方法，建立了注水系统向量模型，该建模方法大大减少了建模的工作量。第3章 注水系统运行控制理论 第3章 注水系统运行控制理论注水是保持地层能量、提高采油速度和采收率，确保油田高产、稳产的重要手段。减小配注误差和减小注水系统的能耗是油田注水过程中的两个关键问题。减小配注误差是为了提高驱油效率、控制油田含水的增长速度；减小系统的能耗是为了降低生产成本。对注水系统的最优控制，是解决上述两个问题的途径。本章研究了注水系统的控制理论，以减小油田生产的配注误差。3.1 控制问题的表述及数学模型3.1.1 控制问题的表述注水系统的控制问题可以表述为：给定注水系统各单元的结构和特性，己知注水系统各注水站的开泵台数及配水间(或注水井)的配注量，确定各配水间或注水井的控制压力，使实际注水量随着配注量的改变而改变，以减小配注误差。注水系统是一个复杂而庞大的水力系统，同时也是一个结构复杂的非线性系统，这样一个系统非常难解算，论文用大系统的分解迭代法来解算这个问题，为保证计算精度，直接应用第章所述向量模型进行计算，不再作线性化或其它简化，解算步骤如下：(1)划分注水系统成一系列子系统；(2)建立每个子系统的控制向量模型；(3)将子系统排序，按照顺序对予系统逐个计算；(4)对子系统之间的相关变量进行反复迭代，直到收敛为止。3.1.2 注水系统的分解论文中注水系统的计算按照“压力谷”划分子系统，每个“压力谷”构成一个子系统。图3-1 注水系统局部压力分布示意图图3-1是注水系统一个简单的局部压力分布示意图。注水站提供压力源，经过管网损耗，流到配水间，因此从注水站到配水间压力逐步下降从整个压力分布曲线看，各个注水站形成压力峰值，在两个或多个注水站之间，压力呈山谷型分布。把这种山谷型压力分布称为“压力谷”。图3-1是注水系统一个简单的局部压力分布示意图。注水站提供压力源，经过管网损耗，流到配水间，因此从注水站到配水间压力逐步下降从整个压力分布曲线看，各个注水站形成压力峰值，在两个或多个注水站之间，压力呈山谷型分布。把这种山谷型压力分布称为“压力谷”。压力谷概念的提出非常重要，它是注水子系统划分和系统优化原理的基础，其基本性质为：压力谷内各配水间的注水量仅由构成压力谷边界的各注水站提供，而与压力谷外的任何注水站无关(假定各注水站压力相同或相近)。由此可知，在压力谷内的各配水间主要受到压力谷边缘各注水站的影响，其它注水站只能通过间接的途径发生影响。如图3-1中，压力谷A内的配水间1和2主要受注水站I和II的影响，注水站III的影响是间接的。如果注水站III改变向压力谷B的流量，压力谷B的形状就要改变，从而注水站II的总流量发生改变。如果注水站II的压力变化，将会影响压力谷A和B的压力分布和流量分配，但是谷外各注水站运行情况对谷内各配水间的影响很小。注水系统的计算应当按照压力谷划分子系统，每个压力谷构成一个子系统。注水控制理论的数学模型是根据压力谷来划分的。需要指出的是，如果某个注水站因故障或限电而停运，改变了压力峰值，压力谷的范围和形状也将发生变化；反之，倘若某个注水站投运，将增加一个压力峰值，也将改变压力谷的形状和范围。3.1.3 子系统向量模型应用“压力谷”的概念将注水系统划分成许多子系统后，就可以建立子系统的控制向量模型。假定已经用“压力谷”概念将整个注水系统划分为若干个子系统，设某一子系统是由，r个注水站， l个配水间，m条支路，n个节点组成，为了用数学公式表述控制问题，引用第3章中的注水系统向量模型，注水系统中没有配水间的模型与带有配水间的模型相类似，这里只介绍带有配水间的情况。在实际生产中泵站为了满足不同注水工艺的要求，常常配置不同型号的几台注水泵并联运行，假设注水站同时开的注水泵的型号最多为两种，则引用第二章的注水系统的向量模型为： （3-1） （3-2） （3-3） （3-4）式中的分别是源点、支路入口、支路出口和配水间的压力向量，别是注水站总流量向量、各支路流入量向量、各支路流出量向量和各配水间向量，这些向量的定义见上节，是个注水泵站开泵台数组成的向量，符号T表示转置。分别为两种泵的总的流量向量，、，为流量所对应的开泵台数，为常数向量。若实际运行的同一泵站的泵的型号超过两种，只需对式(41)加以修正，所建立的注水系统的向量模型仍然成立。注水系统的各种流量和压力之间还有下列关系： （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9）式中是由各节点压力组成的节点压力向。矩阵系统的结构矩阵。他们的生成方法在第二章中已经给出，通常系统的结构确定时，结构矩阵也是确定的，反之，如果已知，注水系统的结构也确定了。用“压力谷”将注水系统划分以后，第子系统注水站的各种流量有下列关系： （3-10） （3-11）， （3-12）式中，是系统各注水站单泵流量组成的流量向量、,是从第子系统各注水站流入本子系统的流量组成的向量，是子系统中第k个注水站流入本系统的总流量, 是第子系统各注水站流到其它子系统总流量组成的向量，称为关联向量。在计算子系统时，假定均已知。控制问题的关键是确定各配水问控制阀开度变化时产生的压力(或阻力系数)，这里把它单列出来，经过简单运算，将方程(4-4)改写为： （3-13） （3-14）式中，是由各配水间控制阀非全开时产生的附加压力向量，是由于各配水间控制阀非全开时增加的阻力系数向量，。式(34)和(3-13)中的各常数向量之间的关系为 （3-15） （3-16） （3-17）应用以上模型，注水系统的控制问题可以表述为：给定注水系统(3-1)(3-9)，己知各注水站开泵台数向量和配水间流量，确定各配水问控制阀处的压力(或控制阀非全开时产生的附加降向量)，使各配水间实际注水流量向量随着配注量的改变而变化，即 （3-18）并且满足约束条件 （3-19） （3-20） （3-21）分别为各注水泵要求的最大排量和最小排量组成的向量，分别为各注水泵站要求的最小排量和最大排量组成的向量。3.2 控制问题的解算首先按照“压力谷”概念将整个注水系统划分为一系列子系统，并根据系统结构对划分的子系统排序；然后确定各子系统的结构矩阵得到各子系统的控制向量模型；在假定关联流量已知的前提下，按次序求解各子系统；最后对整个系统关联流量迭代，求得整个系统的解。3.2.1 注水系统控制问题的求解由于系统的向量模型(41)一(412)是一个变量相当多的复杂非线性系统，子系统数学模型选取和为独立变量，对子系统模型(31)(312)进行化简，消去模型中其他变量，经过冗长的计算，得到公式 （3-22）式中 （3-23） （3-24） （3-25） （3-26） （3-27）是由开泵台数的倒数组成的向量，式中的是阶节点作用矩阵, 由生成，如果的某行有k个元素1，由该行生成k-1行，第一行由该行的第一个1和第二个l变号(-1)，其余为零组成，第二行由第一个1和第三个1变号(-1)及其余为零组成，以此类推，各非零元素的列不变。若矩阵为则由式(322)和(324)知，的计算一般得不到解析形式的解，需要用迭代的方法求解。3.2.2 子系统的迭代步骤在注水控制计算时，是以子系统为计算单元的。所以在对整个系统进行计算之前，先进行子系统的迭代计算，子系统的迭代步骤如下：(1)根据经验数据给出初值和。(2)进行第N步计算时，在式(324)、(326)中令，计算出、。(3)由式(322)计算出。(4)若，均满足，转()，是根据精度要求预先给定的数。(5)计算，返回(II)，是控制迭代运算收敛性的因子。（6)用式(31)(3一12)计算子系统其它各变量。方程组(422)的解必须满足下列不等式约束 （3-28）3.2.3 系统的迭代步骤(1)将整个注水系统按“压力谷”划分为一系列子系统，确定各子系统的结构矩阵，用已知数据建立子系统的模型(31)(312)，并根据系统的结构编排子系统的计算次序。(2)根据运行数据或经验对子系统的所有支路流量向量赋初值，利用式(311)和(312)计算出各子系统的所有)和。(3)进行第k次迭代时，在式(4-24)中，取按(I)给定计算次序，依次进行每个子系统迭代计算，解各子系统的所有变量。(4)用式(328)检验各子系统不等式约束 是否满足。若不满足，适当调整相关注水站的开泵台数，返回步骤(III)。(5)若对所有子系统，不等式 ， 均满足，则计算结束。(6)计算 返回步骤(3)。在此处迭代时需要引用一个定理：如果对于所有的子系统，都有 （3-29）则上述算法收敛。式中，是注水泵特性曲线在运行点的斜率，管网特性曲线在运行点的效率。一般情况下为负，为正，并且m为子系统的关联变量的输入个数。从实际生产状况看，多数实际注水系统是满足条件(4-28)的。若该条件不能得到满足，可令为，经过这样的修正，上述算法仍然是收敛的。3.3 注水系统控制技术对注水系统控制的目的是减小注水系统的配注误差、提高泵效、降低单耗等。对注水系统的控制主要有三种方式：泵的台数控制、阀门节流控制、调速控制。三种控制方式的比较见表3-1。表3-1 注水系统控制方式比较项目泵的台数控制阀门节流控制泵的调速控制优点1.控制方法简单；2.设备费用少。1.控制方式简单；2.流量和压力可连续控制；3设备费用少。1流量压力可连续控制；2效率高。缺点1.压力变化大；2.流量、压力不能实现连续控制。1.效率差；2.噪音大。1一次性投资大；2并联运转时对控制要求高。适用条件1.泵特性曲线较陡时；2.管道损失小于泵的实际扬程；3.等容量水泵多、台数多。1管道损失小于泵的实际扬程；2等容量水泵、台数多。1.流量变化范围大；2.大容量水泵、台数少；3管道损失可大于泵实际扬程。从上表中可以看到，泵的台数控制适用于调节流量、压力变化大的情况，但不能实现压力和流量的连续控制。调速控制的效率较高，可以实现压力和流量的连续控制，能减少因阀门控制产生的节流损失，但变频调速控制要求对注水站进行改造，一次性投资较大。阀门调节是最为方便和广泛的调节方式，它也可以实现压力和流量的连续控制，并且设备简单操作方便，但阀门控制的能耗也是这三种控制方式中较大的。三种控制方式各有利弊，要实现注水系统的最优控制，就要合理的选择控制方式。本文选用阀门节流控制方式。3.3.1 阀门节流控制原理阀门节流控制是通过改变泵出口和管路的阀门的开度来调节流量。当流量发生变化偏离给定值时，调节器发出控制信号，阀门改变开启程度，使流量达到设定值。阀门节流控制就是改变管路上的阻力，使管路特性发生变化，从而改变注水系统的工况点，如图5-6所示。为阀门节流控制前的管路特性曲线，为泵特性曲线，为工况点，此时的流量为。当调节阀度发生变化时，由于转速是恒定的，所以泵的特性没有发生变化，泵的特性曲线仍为，但管路上的阻力却发生了变化，其特性曲线不再是II，随着阀门开启程度的增加或减小，管网特性曲线可能为III或I，工作点变为或，出口流量也由变为或。 图3-2 节流控制原理图3.3.2 阀门节流控制的实现传感器控制仪表注水泵执行单元给定值反馈测量元件图3-3 节流控制系统结构框图由于不同时期油田开发配注方案的调整，注水井数发生变化，水井作业、供水不足等因素的影响，使注水系统的注水量产生较大波动。管网中的任一口注水井用水量的变化必然影响相邻注水井的注水量，影响管网干线压力和注水站出口处的压力，从而导致整个系统运行状态发生变化。为了适应注水量的变化，需要调整开泵方案和调节阀门开度来控制流量，尤其当注水工况频繁变化时，其运行工况十分复杂。对注水系统进行自动控制，既降低了工人的劳动强度，又提高了系统的可靠性和自动化水平。为了实现注水系统的节能和管理的自动化，油田注水系统使用了注水泵微机巡控系统，该系统采用传感器、变送器技术，对注水泵运行参数进行检测，检测信号经计算机处理，对泵出口电动流量调节阀进行控制，实现了对泵管压差、泵效及注水泵单耗等参数的连续闭环控制，如图57所示。在实际生产中，为了实现阀门的计算机控制，采用电机驱动阀。在阀门电气控制系统中，设置了阀门状态信号的采集装置和远程电器的开、关控制装置。注水泵注水专用服务器主机有线网无线网PIC单片机工控机传感器阀门控制控制主机图3-4 控制系统工作流程对于大型的注水系统，一般将整个控制系统分为主控机和工控机。图58为控制系统工作流程图，主控机和工控机通过网络连接，工控机安装在注水站内，直接控制泵站内的阀门。工控机将采集的注水实时运行数据发送到主控机上，主控机将注水系统实时数据，进行显示、统计计算后，定时向工控机发送控制指令，从而控制注水系统系统的运行。对于恒速泵，主控机发送的指令为电流，通过调节注水泵出口阀门处的压力，从而改变注水泵的运行状态。3.4 本章小结本章介绍了油田注水控制理论及技术。给出了注水系统控制问题的数学表述，在已知注水系统各注水站的开泵台数及配水间(或注水井)的配注量情况下，确定配水间或注水井控制阀处的压力，使注入量与配注量相等。给出了基于注水系统向量模型的数学方程，并对数学方程进行了求解。文中的算法不仅可以确定注水站的开泵方案，而且还对注水系统的配水间注水量进行了控制，使注水量既满足配注要求又使注水系统的总阀门节流损失最小。 第4章 注水系统流量的测量 第4章 注水系统流量的测量4.1 系统原理和流量测量器件的选择4.1.1 测量系统原理本系统为闭环系统。LWLZ系列涡流式流量计测得的流量转化成脉冲信号，送人PIC单片机，由单片机对该脉冲信号进行采集计算，得到脉冲信号的频率f1，同时，在键盘输入想要的流量值，单片机对流量值进行转换计算，得到相应的频率f2，对两个频率进行计算，拟合，比较，然后通过I0口给出一个信号。通过控制电机的转动，使减速机的输出力矩能够传递控制阀门的开关度，同时获取控制设定信号，减速机输出机构的位置反馈信号，双流阀后端的压力流量传感器输出的压力、流量反馈信号，并将这几种信号比较后， 最终给出输出电机正、反转控制信号，从而实现输出机构位置的闭环控制调节，使流量逐渐达到最佳状态。此外，也可实现远程控制，单片机从流量计采集到的信号，经MAX232转换成PC可识别的RS232电平信号，或者通过GPRS模块，远距离传送到PC机的串口，在PC上对得到的数据进行处理，并反馈给继电器来控制调节阀门，从而达到控制流量的目的，具体框架如图4-1所示。PIC16F876A4*4键盘涡流流量计执行机构阀门控制电路LCDMAX232PC图4-1 系统原理图4.1.2 PIC16F876A单片机PIC16F876A单片机除具有PIC系列单片计机的全部优点外，片内还含有AD、EEPROM、CCP等模块，可在电路板上实现迅速擦写，适合在线调试。此外，该系列单片机集成的外围设备模块多，不需另做大量的外围模块，可以尽量减小控制系统电路面板的面积。PIC16F876A单片机内部的通用同步异步收发器USART模块具有异步和同步通讯能力。本系统采用全双工的异步串行通信，在同一时刻，单片机和计算机双方既能发送信息，也能接收信息。单片机系统电路如下图：电源电源PIC16F876APIC16F876APROM报警远方工作站键盘电机LCDUSB监视平台PWM图4-2 系统硬件框图4.1.3 MAX232资料简介该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口RS232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 +5v,ma x232 就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-VTTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS 电平转换成TIA/EIA-232-F 电平。主要特点:（1）单5V 电源工作；（2）LinBiCMOSTM 工艺技术；（3）两个驱动器及两个接收器；（4）30V 输入电平；（5）低电源电流：典型值是8mA；（6）符合甚至优于ANSI 标准EIA/TIA-232-E 及ITU 推荐标准V.28；（7）ESD保护大于MIL-STD-883（方法3015）标准的2000V。下图为MX232 双串口的连接图，可以分别接单片机的串行通信口或者实验板的其它串行通信接口：图4-3 MAX232接口电路4.2 执行机构系统选用的执行机构是IKZL智能型直行程电动机，该执行机构由同步低速电动机作为阀门电机的位置伺服机构，它接受校准信号，由单片微处理器和外围芯片组成控制单元，经MCU运算处理后，直接驱动执行机构输出轴自动定位在和输入信号相对应的位移行程，自动地操作阀门的开度，完成系统的控制要求。由于各种因素引起的流量变化从一个稳定的流量状态到另一个稳定的流量状态，需要一段时间。这其中就包括阀门开度和压力的改变因素。因此用作反馈控制的信号必须要反映稳定的流量信号，这样才不会引起执行机构的无效的误操作。4.3 系统人机交换界面参数设置显示系统包括LCD显示模块，键盘模块，安装在控制箱面板上。它的主要作用是设置控制参数(流量、压力)，并将设置的控制参数送给单片机控制装置；另一方面它又将单片机输出的注水井瞬时流量、累积流量、油压、干压等信号传送给液晶显示器显示出来。此外，在远程控制方面，用Visual C+编程来实现计算机终端显示，把从串口得到的数据进行处理，并加入一定的补偿以使得到的数据更为精确。启动控制电路启动按钮后，流量控制系统开始工作直到采样得到的流量值和键盘或PC输入的预期值一致。4.4 系统程序及软件抗干扰措施 4.4.1 系统程序系统上电后，首先初始化，设置波特率的值，分配分频器并设置I0口，然后等待检测PC机发送过来的数据并返回发送到PC机与系统控制箱的LCD面板上。主程序中，AD转换部分完成信息采集功能以输送到下一部分程序，和键盘输入的值进行比较拟合，而后从I0口输出信号来控制电机转动和控制阀门的开关度。中断服务子程序方面，需要判断中断类型是否为异步通讯中断，并且要保护中断现场以防数据丢失。系统程序流程图如图4所示。开始程序初始化PC发送数据？接收到MCU并返回到PC主程序否是主程序接收中断使能A/D转换比较拟合程序执行机构执行程序结束A/D转换完成？否是异步接收中断中断服务子程序中断返回返回保护W寄存器清除中断标志位值送寄存器恢复W寄存器否是图4-4系统程序流程图4.4.2 抗干扰措施油田注水系统所处的工作环境恶劣，要求系统有抗干扰性能，可从以下两方面来实现软件的抗干扰：(1)设置监视跟踪定时器使用定时器中断来监视程序运行状态。定时器定时时间稍大于主程序运行一个循环的时间，在主程序运行中执行一次定时器时间常数刷新操作。此时，正常情况下，定时器不会出现中断，当程序失常时，因定时器时间常数无法刷新而启动中断，利用定时中断服务程序将系统复位。(2)设置软件陷阱当PC失控造成软件“乱飞”而不进入非程序区时，在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，然后强迫程序进入初始状态，即可恢复正常。4.5 本章小结本章介绍了测量系统和通信系统的原理，了解了相关器件如PIC16F876A单片机、MAX232；设计了单片机系统电路，RS232接口电路；选择了IKZL智能型直行程电动机作为系统的执行机构；