２０１０年第６期
中图分类号：ＴＥ９３４ ．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—２５５２（２０１０）０６—００２２—０３
基于ＰＩＣ的偏心注水井测调控制系统设计
温嘉斌，贺同山
（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨１５００４０）
摘要：针对偏心注水井流量系统建立闭环控制，以ＰＩＣ单片机为主控单元，并引入ＰＩＤ控制理
论，通过对流量进行对比分析来控制电机转动带动井下调节阀以实现控制流量在理想范围内的
目的。
关键词：偏心注水井；直流电机；闭环控制
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｆｌｏｗ ｉｎ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗｅｌｌ
ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＩＣ
ＷＥＮ Ｊｉａ．ｂｉｎ．ＨＥ Ｔｏｎｇ—ｓｈａｎ
（Ｓｄｌｏｏｌ ｏｆ Ｈｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００４０，嘶）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｓｅｔｓ ｕｐ ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｆｌｏｗ ｉｎ ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗｅｌ１．ＰＩＣ
ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｓ ｍａｉｎ ｕｎｉｔ ｉｓ ｕｓｅｄ ａｎｄ ｔｈｅｎ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ＰＩＣ ａｎａｌｙｚｅｓ ａｎｄ
ｃｏｍｐａｒｅｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｄｅｆａｕｌｔ ｖａｌｕｅｓ，ＳＯ ｔｈａｔ ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｉｎ ａｎ ｉｄｅａｌ ｒａｎｇｅ ｂｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｓｅＩｖｏ
ｍｏｔｏｒ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｖａｌｖｅ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｗｅｌｌ；ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ
０ 引言
提高原油采收率，降低采油成本是提高我国石 油生产能力的关键举措。全国各大油田要达到稳产 的目的，面临的一大难题：如何严格控制注水量。 从笼统注水发展到分层偏心注水是一项重大的突 破，但存在的问题是工作量非常大，费时费力、准确 率低。偏心注水井分层流量测调系统能使测调仪器 在一次下井过程中分别完成各层井下层位流量测试 和目标层位流量的自动配注任务。此控制系统的关 键在于控制一台直流伺服电动机，直流伺服电机具 有以下优点：可以方便地实现在宽范围内的无级调 速、功率因子高、启动转矩大、启动电流小、输出功率 高。并且调速精度高、调速范围广、过载能力强。 １ 偏心注水井测调系统的组成与工作
原理 本测调仪整体结构主要由直流电机、调节臂、电 路板、可调堵塞器对接接口、流量计等组成，图１为 测调仪器的整体结构图，工作时测调仪的可调堵塞
一２２一 器对接接口与井下可调式堵塞器的投捞调节接口正 确对接后，测调仪开始工作，通过对井下流量的采 集、对比，单片机发出指令控制电机转动来带动井下 可调堵塞器转动已达到调节流量的目的。图２为井 下可调式堵塞器示意图。
１直流伺服电机２．调节臂３．可调堵塞器对接接口４．流水进口 ５流量计 ６．流水出口 ７导向机构 ８．下挂重锤接头 图１ 测调仪器的整体结构图
１．投捞调节接口２．定位机构３．出水口４．滤网
图２井下可调式堵塞器示意图
收稿日期：２００９—１１—０３ 基金项目：国家科技支撑计划（２００８ＢＡＦ３４Ｂ０４）；黑龙江省攻关项 目（ＧＣ０７Ａ５０１） 作者简介：温嘉斌（１９６１一），男，教授，博士后，研究方向为电机、电 机控制。
偏心注水井自动测调系统 的主要功能是通
过闭环控制系统实现井下各层流量自动适时地控制
和调节，满足对各偏心注水层的流量配注要求。按 功能划分主要由流量测量单元、井下测调仪单元、可
调式堵塞器单元、地面数据回放处理系统四部分组
成。其工作流程如图３所示。
图３工作流程图
测调系统工作时，首先由流量测量单元测试出
经过偏心配水器水嘴的实际流量值并反馈给比较单
元，经与预先设定的流量期望值进行比较，将偏差反
馈给运算通讯单元；经过运算后，按照约定的通讯协
议向井下测调仪发送脉冲控制信号；测调仪根据控
制信号驱动和控制电机及传动机构运动；带动可调
式堵塞器的阀芯运动，改变可调式堵塞器中水嘴孔
径的大小，达到自动调节和控制各分层流量大小的
目的。
２ ＰＩＣ直流电机控制电路的设计
控制电路如图４所示。控制芯片采用
ＰＩＣ１６ｆ８７７，控制系统中包括位置、电流反馈信号与
流量信号采集。系统用的是霍尔位置传感器，由于
霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经上拉电
阻转化为方波信号，再经过隔离电路送到ＰＩＣ的捕
捉模块，井下仪器供电后控制系统会根据检汉０到霍
尔位置传感器的高频信号，单片机凭借对此信号的
识别来触发整体调解工作的开始。通过电流闭
环 控制来调节ＰＷＭ波。本系统中的直流电机的
驱动芯片是美国国家半导体公司生产的
ＬＭＤ１８２００，电源电压５５Ｖ，额定输出电压电流分别
３０Ｖ，２Ａ接近于本系统电机参数，并可通过输入
ＰＷＭ信号实现ＰＷＭ控制，而且还有过热报警输
出、直关断保护电路、防桥臂直通电路，以及电流检
测模块。ＬＭＤ１８２００引脚８输出电流通过一个采样
电阻把电流值转换为电压值然后送到ＰＩＣ的某一路
ＡＤ引脚。构成电流环来调节ＰＷＭ占空比。流量
传感器采集的数据存储到双口ＲＡＭ中，ＰＩＣ从
ＲＡＭ中读取数据，并将读取的数据跟给定数据比
较。上位机可以通过ＵＳＢ接口和ＰＩＣ进行通讯，读
取并存储相关数据。
ＬＭＤ１８２００的核心就是一个标准的双极性Ｈ型
驱动。双极性驱动 ｊ是指在一个ＰＷＭ周期里，电 区 卜区固
ｌ 一厂—————］一茎露
［—— 主 霍尔传感器
图５ Ｈ型双极司逆ＰＷＭ驱动系统
动机电枢的电压极性呈正负变化。图５是Ｈ型双
极可逆ＰＷＭ驱动系统。它由４个开关管和４个续
流二极管组成，单电源供电。４个开关管分成两组，
、 为一组， 、 为另一组。同一组的开关管同
步导通或关断，不同组的开关管的导通和关断正好
相反。在每个ＰＷＭ周期里，当控制信号 高电平
时，开关管 、 导通。此时 为低电平，因此 、
截止，电枢绕组承受从Ａ到曰的正向电压；当控制
信号低电平时，开关管 、 截止，此时 为高电
平，因此 、 导通，电枢绕组承受从Ｂ到Ａ的反向
电压。这就是所谓的“双极”。由于在一个ＰＷＭ周期
里电枢电压经历了正反两次变化，因此其平均电压
，可用下式决定：
一
２３— ＝（ 一三 ） ＝（２等一・） ：
（２ 一１） （１）
由式（１）可见，双极性可逆ＰＷＭ驱动 时，电枢绕
组所受的平均电压取决于占空比ａ大小。当 ＝０
时，Ｕｏ＝一 ，电动机反转，且转速最大；当 ＝１
时，ｕ０：Ｕｓ，电动机正转，转速最大；当 ＝１／２时，
Ｕｏ＝０，电动机不转。用ＰＩＣ１６ｔ８７７芯片设计了使
用定时器周期寄存器的周期值和比较器的比较值实
现产生ＰＷＭ波。其中周期值用于产生ＰＷＭ波的
频率，比较值产生ＰＷＭ波的脉宽。ＰＩＣ１６ｉ８７７有两
个ＣＣＰ模块，这两个模块功能完全相同。每个ＣＣＰ
模块能产生一路ＰＷＭ波，两路ＰＷＭ分别接入Ｈ型
双极可逆ＰＷＭ驱动系统的 来控制电动机正
反转。
３ 软件设计
电流环的调节目的是限制电机的最大电流，调
节对象的动态结构，加快系统的动态响应。在电机
的启动过程中，使电机在所能允许的最大电流下
“恒流”启动，保证系统启动的快速性。电流的检测
通过ＬＭＤ１８２００测得，然后用一个采样电阻把电流
信号转换为０—５Ｖ电压信号。ＰＩＣ１６ｔ８７７所带Ａ／Ｄ
模块为ｌ０位，能测得的电压范围为０～５Ｖ，Ａ／Ｄ转
换后的数字量最大值为０Ｘ３ＦＦＨ，电流最小的时候
转换后的数字量为０Ｘ００。电流的检测值经Ａ／Ｄ转
换后变为数字量，参考值与检测值求差之后采用增
量式ＰＩ调节。经调节器调节后输出为新的ＰＷＭ占
空比，把该值赋给ＣＣＰＲＸＬ后作为下一个伺服周期
ＰＷＭ占空比的输出值，从而完成电流环的闭环
调节。
程序的设计是根据硬件结构和系统需要实现的
功能来设计的。程序以流量外环，流量差决定了电
流内环的给定值。程序包括系统初始化程序，其中
系统初始化程序包括中断使能、时钟设置、Ｉ／Ｏ口、
Ａ／Ｄ口及ＣＣＰ模块的ＰＷＭ功能初始化。然后读取
流量值、流量判断，电流采集、电流调节，ＰＷＭ控制
来驱动电机实现流量调节。如图６所示。
４ 结束语
现场应用情况如表１所示。测调仪与流量计的
误差小于３％，满足精度需求；同时通过测调时流量
回放曲线如图７所示，得出流量是逐步向预设流量
一２４一 图６程序流程图 逼近，证明此系统收敛性好；通过流量计的检测证明
测调仪调整流量的能力满足现场实际的需要。
表１ 测调仪与流量计数据对比（ｆｎ３／ｈ）
测调仪 流量计 ３． ；４２８ ３．３２１２２ ３．８９Ｏｏ９ ３．８８８３６ ３．４ｏｌ２８ ３．３２６７６ ３．２２４３Ｏ ３．８６６２７ ３．９２１１ｌ ３．８７ｌ４７ ３．７２１０８ ３．３７０４３ ３．４９７４７ ３．３５８２９ ３．９Ｏ００５ ３．８６２５Ｏ ３．４２２４ｌ ３．２ｌ１４９ ３．３００４４ ３．８４４３９ ３．８５５ｌ９ ３．８６４６０ ３．４６４３４ ３．４７７３８
２
捌
图７测调仪和流量计采样流量回放曲线 参考文献： ［１］刘永胜．注水井分层智能联动调配系统［Ｊ］．石油仪器，２００７： ７—８． ［２】杜坤梅，李铁才．电机控制技术［Ｍ］．哈尔滨工业大学出版社， ２００２：４—６． ‘ ［３］王晓明．电动机的单片机控制［Ｍ］．北京航天航空大学出版社， ２００７：１—３．
责任编辑：张荣香