基於can總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統的製作方法

2023-05-11 10:07:51 2

專利名稱：基於can總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種油氣開發施工設備液氮泡沫壓裂泵車電控系統，尤其是涉及一種基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統。
背景技術：
液氮泡沫壓裂泵車是泡沫壓裂車組的核心設備，承擔提供滿足施工工藝需要的高壓、大排量氮氣的任務。液氮泡沫壓裂泵車本身結構複雜，包括將液氮增壓的泵注系統，將高壓液氮轉化成高壓氮氣的蒸發系統，維持液氮罐內壓力平衡的管匯及節流和壓力控制系統等；除此之外，液氮泡沫壓裂泵車還包括動力系統，機械變速調速系統和運載系統。作為整車的控制系統，需要採集上述各系統的信號並按要求加以控制，由於設備複雜，決定了其控制系統具有如下特點(1)採集信號多傳統的控制系統使用的信號線多，聯接接頭多，使得各種信號相互幹擾；(2)傳統的控制方式，每一路信號需要進行驅動放大，信號處理復 雜，影響到控制系統的品質；(3)直燃蒸發器內為高壓、大流量液氮/氮氣介質，壓裂作業過程中，載荷變化導致溫度大幅波動；(4)液氮泡沫壓裂泵車屬於野外作業的工程設備，現場作業條件惡劣，同時設備要具有在原始地貌條件下的移動性能，對各種連接的耐震性、環境適應性有特殊要求。

實用新型內容為了克服現有液氮泡沫壓裂泵車控制系統採用傳統控制方式存在的不足，本實用新型提供一種基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，該基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統提出了一種集成的控制技術，即採集液氮泵車的各種信號，通過主處理器處理，對液氮泵車進行控制，相應的電控系統將主控單元、輸入/輸出單元、電源及驅動放大集成在一起，並對數據進行統計、分析，實現在線監控，以及直燃蒸發器溫度自動控制。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統包括溫度傳感器、壓力傳感器，電控系統的IQAN-MDM主控模塊、IQAN-XP模塊、IQAN-XT模塊、觸控螢幕、柴油機組ECU、直燃蒸發器溫控單元均有CAN接口，通過CAN總線連接組成分布式現場控制系統，安裝壓力傳感器、溫度傳感器，實現電控系統的整體控制；IQAN-MDM主控模塊是電控系統的主控制器，完成邏輯控制和複雜的數據運算處理；IQAN-XP模塊通過溫度傳感器、壓力傳感器測量採集壓裂作業過程中設備的工作參數，採集數據通過CAN總線傳輸到IQAN-MDM主控模塊中進行數據處理後顯示到觸控螢幕上。IQAN-MDM主控模塊、IQAN-XP模塊、IQAN-XT模塊、觸控螢幕組成分布式CAN總線系統，實際壓力、溫度數據在CAN總線上雙向傳輸，並顯示在觸控螢幕上；可設置壓力、溫度控制參數的上限和下限，報警記錄並進行聲光報警。IQAN-XT模塊與柴油機組E⑶通過CAN總線，以J1939協議通訊，獲得柴油機組的工作參數，顯示到觸控螢幕上，並能通過CAN總線控制柴油機的啟動、停止，實施故障查詢。溫度傳感器為熱電偶，其中增壓泵吸入口溫度傳感器、液氮泵吸入口溫度傳感器為N型，蒸發器氮氣排出溫度傳感器為K型。K型熱電偶溫度傳感器帶冷端補償電路；冷端補償電路中採用集成溫度傳感器AD590檢測環境溫度，補償電阻採用精度為+0. 1%，溫度係數為25PPM / °C的精密電阻。直燃蒸發器溫控單元包括點火變壓器、紫外光敏管、火焰檢測器、溫度控制器、點火開關電磁閥、大火開關電磁閥。溫度控制器基於S3C2410 (Samsung公司基於ARM公司的ARM920T處理器核的32位微控制器)的控制系統，採用晶片SJA1000擴展CAN總線接口，通過該接口連接到CAN總線，成為總線系統的一個節點，獲得操作人員從觸控螢幕給定的設定溫度及實測溫度。溫度控制器的一輸出口連接點火變壓器觸發線圈，點燃蒸發器內的燒嘴；紫外光敏管連接火焰檢測器，用於溫度控制過程火焰檢測，檢測信號以閉合節點的形式連接到溫度控制器的一輸入口。溫度控制器為脈衝調節控制，每個燒嘴系統由大流量燒嘴和點火燒嘴組成，點火燒嘴由點火開關電磁閥引燃後始終保持燃燒；溫度控制器根據實測溫度經PID運算後，通過一輸出口調節固定周期內的大火開關電磁閥的導通時間調整供給燃油量，實現蒸發器溫度自動控制。觸控螢幕為紅獅G310人機互動終端，內置快閃記憶體卡擴展槽和USB 口 ；觸控螢幕配製CAN 總線接口模塊，成為總線的一個節點；在實現壓裂作業過程中運行參數顯示、報警，控制參數的設定基礎上，可以將數據存儲到快閃記憶體卡中，並可通過USB 口高速下載，便於壓裂作業完成後的數據分析。本實用新型的有益效果是,採用了 IQAN (Parker Hannif in,派克漢尼汾公司的一種電子控制系統)模塊組成的分布式現場總線體系結構，IQAN內置驅動放大電路，具有高集成度的優點；IQAN-XP模塊安裝到測量傳感器的附近，大大縮短了傳感器信號線直接到操作臺的長度，並避免了信號相互幹擾帶來的誤差；所有的數據通過一根CAN總線輸出到觸控螢幕顯示，可靠性高，大大減少了車載系統經常出現的連接鬆動及接觸不良等故障。該實用新型的另一個效果是，設計的直燃蒸發器溫控單元，可實現壓裂作業過程中的溫度自動控制，不依賴操作人員的熟練程度，提高了安全性。

圖I為本實用新型基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統結構框圖。圖2為本實用新型基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統的溫度測量原理圖。圖3為本實用新型基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統的直燃蒸發器溫控單元結構框圖。圖中1. IQAN-MDM主控模塊，2. IQAN-XP模塊，3. IQAN-XT模塊，4.觸控螢幕，5.柴油機組E⑶，6.直燃蒸發器溫控單元，7.壓力傳感器，8.溫度傳感器，9.點火變壓器，10.紫外光敏管，11.火焰檢測器，12.溫度控制器，13.點火開關電磁閥，14.大火開關電磁閥，15. CAN 總線。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。但是，本領域技術人員應該知曉的是，本實用新型不限於所列出的具體實施方式
，只要符合本發明的精神，都應該包括於本實用新型的保護範圍內。參見圖I。本發明基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統電控系統，IQAN-MDM主控模塊UIQAN-XP模塊2、IQAN-XT模塊3、觸控螢幕4、柴油機組ECU (Eletronic ControlUnit電子控制單元)5、直燃蒸發器溫控單元6均有CAN (Controller Area Network控制器區域網路)接口，通過CAN總線15連接組成分布式現場控制系統，安裝壓力傳感器7、溫度傳感器8，採用CAN總線通訊，實現電控系統的整體控制。 IQAN-MDM主控模塊I是電控系統的主控制器，完成邏輯控制和複雜的數據運算處理；IQAN-XP模塊2通過溫度傳感器8、壓力傳感器7測量採集壓裂作業過程中設備的工作參數，採集數據通過CAN總線15傳輸到IQAN-MDM主控模塊I中進行數據處理後顯示到觸控螢幕4上。IQAN-MDM主控模塊I、IQAN-XP模塊2、IQAN-XT模塊3、觸控螢幕4組成的分布式CAN總線系統，實際壓力、溫度數據在CAN總線15上雙向傳輸，並顯示在觸控螢幕4上；可設置壓力、溫度控制參數的上限和下限，報警記錄，並進行聲光報警。IQAN-XT模塊3與柴油機組E⑶5通過CAN總線15，以J1939協議通訊，獲得柴油機組E⑶5的工作參數，顯示到觸控螢幕4上，並能通過CAN總線15控制柴油機的啟動、停止，實施故障查詢。參見圖2。溫度傳感器8為熱電偶，其中增壓泵吸入口溫度傳感器、液氮泵吸入口溫度傳感器為N型，蒸發器氮氣排出溫度傳感器為K型。K型熱電偶溫度傳感器8帶冷端補償電路；冷端補償電路中採用集成溫度傳感器AD590檢測環境溫度，補償電阻採用精度為+0. I %，溫度係數為25PPM / °C的精密電阻。參見圖3。直燃蒸發器溫控單元6包括點火變壓器9、紫外光敏管10、火焰檢測器11、溫度控制器12、點火開關電磁閥13、大火開關電磁閥14。溫度控制器12為基於S3C2410(Samsung公司基於ARM公司的ARM920T處理器核的32位微控制器)的控制系統，採用晶片SJA1000擴展CAN總線接口，通過該接口連接到CAN總線15，成為總線系統的一個節點，獲得操作人員從觸控螢幕給定的設定溫度及實測溫度。溫度控制器12的一輸出口連接點火變壓器9觸發線圈，點燃蒸發器內的燒嘴；紫外光敏管10連接火焰檢測器11，用於溫度控制過程火焰檢測，檢測信號以閉合節點的形式連接到溫度控制器12的一輸入口。溫度控制器12為脈衝調節控制，每個燒嘴系統由大流量燒嘴和點火燒嘴組成，點火燒嘴由點火開關電磁閥13引燃後始終保持燃燒；溫度控制器12根據實測溫度經PID運算後，通過一輸出口調節固定周期內的大火開關電磁閥14的導通時間調整供給燃油量，實現蒸發器溫度自動控制。本實用新型基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統的觸控螢幕4選用紅獅G310人機互動終端，內置快閃記憶體卡擴展槽和USB 口 ；觸控螢幕4配製CAN總線接口模塊，成為總線的一個節點；在實現壓裂作業過程中運行參數顯示、報警，控制參數的設定基礎上，可以將數據存儲到快閃記憶體卡中，並可通過USB 口高速下載，便於壓裂作業完成後的數據分析。實施例參見圖1，用一根CAN總線電纜分別連接IQAN-MDM主控模塊I、IQAN-XP模塊2、IQAN-XT模塊3、觸控螢幕4、柴油機組E⑶5、直燃蒸發器溫控單元6的CAN接口，組成分布式現場總線系統，實現數據傳輸共享；用另一根CAN電纜連接IQAN-XT模塊3的CAN接口和柴油機組ECU5的CAN接口，通過J1939協議獲得機組的狀態參數，並能通過總線控制柴油機組E⑶5的啟動、停止。分布在增壓泵、液氮泵、直燃蒸發器等設備上的溫度傳感器8、壓力傳感器7連接到IQAN-XP模塊2的數據採集口，通過CAN總線顯示到觸控螢幕4上。觸控螢幕4為紅獅G310人機互動終端，配置組態軟體開發人機互動界面。包括增壓泵、液氮泵、直燃蒸發器各監控點的溫度、壓力顯示界面，高壓、高溫報警提示，蒸發器溫度設定及狀態監控界面，發動機組狀態參數顯示、啟停控制及故障碼查詢界面。並可根據實際需要，在線配置將運行數據定時保存到內置的快閃記憶體中，用於施工作業工況追溯。附圖2為溫度測量原理圖，通過冷端補償提高測量精度。熱電偶溫度傳感器8的正端連接IQAN-XP模塊2的採集口，負端連接集成溫度傳感器AD590負極，AD590負極通過補償電阻接電源負極，AD590正極接電源正極。冷端補償電路中採用集成溫度傳感器AD590檢測環境溫度。AD590是電流輸出溫 度傳感器，主要特點是輸出阻抗很高。在25°C有298. 2 μ A的電流輸出，靈敏度為I μ A / °C、精度典型值為O. 3°C 1.5°C。為了對環境溫度進行補償，需要產生的電壓等於熱電偶在0°C 50°C環境溫度時的熱電勢。對於K型熱電偶溫度傳感器，補償電阻R取39. 7Ω。AD590的電流流經電阻R形成的電壓加上此時熱電偶的熱電勢，即可達到溫度補償的目的。R採用精度為+0. 1%，溫度係數為25PPM / °C的精密電阻。附圖3為直燃蒸發器溫控單元6的結構框圖。直燃蒸發器溫控單元包括點火變壓器9、紫外光敏管10、火焰檢測器11、溫度控制器12、點火開關電磁閥13、大火開關電磁閥14。點火變壓器9的觸發線圈連接到溫度控制器控制板上，紫外光敏管10連接到火焰檢測器11，火焰檢測器11的檢測觸點連接到溫度控制器12的控制板上。檢測到火焰後，檢測觸點閉合，溫度控制器12得到引燃信號，停止觸發點火變壓器9。溫度控制器12通過控制板內的CAN總線接口，得到設定的溫度和實際測量的溫度，通過PID算法，控制固定周期內大火開關電磁閥14的導通時間，實現溫度的自動控制。在溫度控制過程中，點火開關電磁閥13將一直導通。這種控制方式為脈衝控制，選擇合適的控制周期，可同樣達到連續調節的效果，所構成的系統簡單，維護方便。本實用新型基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，採用了 IQAN模塊組成的分布式現場總線體系結構。IQAN內置驅動放大電路，具有高集成度的優點。IQAN-XP模塊安裝到測量傳感器的附近，大大縮短了傳感器信號線直接到操作臺的長度，並避免了信號相互幹擾帶來的誤差。所有的數據通過一根CAN總線輸出到觸控螢幕顯示，可靠性高，大大減少了車載系統經常出現的連接鬆動及接觸不良等故障。壓力傳感器採用電橋結構的4引線裝配，採用比率測量的方式、熱電偶溫度傳感器測量電路帶冷端補償，進一步提高了測量精度。通過CAN總線，以J1939協議通訊，獲得柴油機組的工作參數並顯示到觸控螢幕上，操作人員隨時掌握機組的狀態，出現問題，可通過故障代碼快速發現問題，排除故障。觸控螢幕內置快閃記憶體卡可存儲壓裂作業過程中運行數據，並可通過USB 口高速下載，便於壓裂作業完成後的數據分析。[0038]蒸發器內溫度控制為脈衝調節控制，溫度控制調節每個固定周期內的大燒嘴油路開關閥的導通時間，調節供給燃油量，實現蒸發器內溫度自動控制。應該注意的是上述實施例是示例而非限制本實用新型，本領域技術人員將能夠設 計很多替代實施例而不脫離本專利的權利要求範圍。
權利要求1.一種基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，包括溫度傳感器、壓力傳感器，其特徵是電控系統的IQAN-MDM主控模塊(I)、IQAN-XP模塊(2)、IQAN-XT模塊(3)、觸控螢幕(4)、柴油機組E⑶(5)、直燃蒸發器溫控單元(6)均有CAN接口，通過CAN總線(15)連接組成分布式現場控制系統，安裝壓力傳感器(7)、溫度傳感器(8)，實現電控系統的整體控制； 所述IQAN-MDM主控模塊(I)是電控系統的主控制器，完成邏輯控制和複雜的數據運算處理； 所述IQAN-XP模塊(2 )通過溫度傳感器(8 )、壓力傳感器(7 )測量採集壓裂作業過程中設備的工作參數，採集數據通過CAN總線(15)傳輸到IQAN-MDM主控模塊(I)中進行數據處理後顯示到觸控螢幕(4)上。
2.根據權利要求I所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述IQAN-MDM主控模塊(I)、IQAN-XP模塊(2 )、IQAN-XT模塊(3 )、觸控螢幕(4 )組成分布式CAN總線系統，實際壓力、溫度數據在CAN總線(15)上雙向傳輸，並顯示在觸控螢幕(4)上；可設置壓力、溫度控制參數的上限和下限，報警記錄並進行聲光報警。
3.根據權利要求I或2任一所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述IQAN-XT模塊(3)與柴油機組ECU (5)通過CAN總線(15)，以J1939協議通訊，獲得柴油機組E⑶(5)的工作參數，顯示到觸控螢幕(4)上，並能通過CAN總線(15)控制柴油機的啟動、停止，實施故障查詢。
4.根據權利要求3所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述溫度傳感器(8)為熱電偶，其中增壓泵吸入口溫度傳感器、液氮泵吸入口溫度傳感器為N型，蒸發器氮氣排出溫度傳感器為K型。
5.根據權利要求4所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述K型熱電偶溫度傳感器(8)帶冷端補償電路；冷端補償電路中採用集成溫度傳感器AD590檢測環境溫度，補償電阻採用精度為+0. I%，溫度係數為25PPM / °C的精密電阻。
6.根據權利要求I所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述直燃蒸發器溫控單元(6)包括點火變壓器(9)、紫外光敏管(10)、火焰檢測器(11)、溫度控制器(12)、點火開關電磁閥(13)、大火開關電磁閥(14)； 溫度控制器(12)為基於S3C2410的控制系統，採用晶片SJA1000擴展CAN總線接口，通過該接口連接到CAN總線(15)，成為總線系統的一個節點，獲得操作人員從觸控螢幕給定的設定溫度及實測溫度； 溫度控制器(12)的一輸出口連接點火變壓器(9)觸發線圈，點燃蒸發器內的燒嘴；紫外光敏管(10 )連接火焰檢測器(11)，用於溫度控制過程火焰檢測，檢測信號以閉合節點的形式連接到溫度控制器(12)的一輸入口 ； 溫度控制器(12)為脈衝調節控制，每個燒嘴系統由大流量燒嘴和點火燒嘴組成，點火燒嘴由點火開關電磁閥(13)引燃後始終保持燃燒；溫度控制器(12)根據實測溫度經PID運算後，通過一輸出口調節固定周期內的大火開關電磁閥(14)的導通時間調整供給燃油量，實現蒸發器溫度自動控制。
7.根據權利要求I所述基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統，其特徵是所述觸控螢幕(4)為紅獅G310人機互動終端，內置快閃記憶體卡擴展槽和USB 口 ；觸控螢幕(4)配製CAN總線接口模塊，成為總線的一個節點；在實現壓裂作業過程中運行參數顯示、報警，控制參數的設定基礎上，可 以將數據存儲到快閃記憶體卡中，並可通過USB 口高速下載，便於壓裂作業完成後的數據分析。
專利摘要一種基於CAN總線的氮氣泡沫壓裂泵車電控系統。為了克服現有液氮泡沫壓裂泵車控制系統採用傳統控制方式存在的不足，本實用新型的IQAN-MDM主控模塊、IQAN-XP模塊、IQAN-XT模塊、觸控螢幕、柴油機組ECU、直燃蒸發器溫控單元均有CAN接口，通過CAN總線連接組成分布式現場控制系統，安裝壓力傳感器、溫度傳感器，實現電控系統的整體控制；IQAN-XP模塊通過溫度傳感器、壓力傳感器測量採集壓裂作業過程中設備的工作參數，採集數據通過CAN總線傳輸到IQAN-MDM主控模塊中進行數據處理後顯示到觸控螢幕上。其有益效果是所有的數據通過一根CAN總線輸出到觸控螢幕顯示，可靠性高，大大減少了車載系統經常出現的連接鬆動及接觸不良等故障。
文檔編號G05B19/418GK202533784SQ20112053330
公開日2012年11月14日 申請日期2011年12月15日 優先權日2011年12月15日
發明者徐剛, 王樹龍 申請人:中國石油集團渤海石油裝備製造有限公司