[发明专利]基于FPGA的深水防喷器组电控系统

说明书

技术领域

本发明属于深水钻探设备控制领域，涉及一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的深水防喷器组电控系统。

背景技术

深水防喷器组及控制系统在保证超深水钻井作业安全性方面发挥了非常重要的作用。目前，国外的深水防喷器组普遍采用基于PLC的电控系统，PLC的中央处理器模块位于平台上的中央控制单元内，大量的输入输出模块位于水下蓝黄控制箱的电子密封舱内。随着深水钻探深度的增加，防喷器组数增加，控制对象随之增多，输入输出模块数量也大大增加，这就增加了蓝黄电子密封舱的体积，增加了制造难度，降低了系统的安全性。另外，由于中央处理器模块位于中央控制单元内，而蓝黄水下电子模块的主要部分为输入输出模块，当中央处理器发生故障时，系统就不能正常控制深水防喷器组的各项功能。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FPGA的深水防喷器组电控系统，采用FPGA作为主控制单元形成两套相同的三重冗余控制器，构成蓝黄水下电子模块，增加了控制系统的安全性和可靠性，减小了电子密封舱的体积。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

基于FPGA的深水防喷器组电控系统由水上电控系统、水下电控系统和连接水上、水下系统的传输光电缆组成。水上电控系统位于钻井平台上，主要包括中央控制单元、司钻控制台和队长控制台。中央控制单元内有工作站、数据库服务器和VPN服务器等，各控制器之间通过以太网，采用屏蔽双绞线实现通讯。

水下电控系统位于水下蓝黄控制箱的电子密封舱内，包括蓝箱电子模块和黄箱电子模块。电子模块的主要部分为基于FPGA的三重冗余控制器，该控制器由三块FPGA以及相应的外围电路构成，输入输出信号在FPGA的表决模块中进行冗余表决。蓝黄三重冗余控制器通过以太网，采用屏蔽双绞线实现通讯。

本发明的有益效果是：采用两套基于FPGA的三重冗余控制器，构成互为备份的蓝黄水下电子模块，每个模块的三重冗余控制器分别进行输入输出信号的表决。该电控系统水下部分结构紧凑，减小了电子密封舱的体积；采用两套三重冗余控制器，大大提高了系统的可靠性。

附图说明

图1是深水防喷器组电控系统结构图。

图2是基于FPGA的三重冗余控制器结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步描述：

如图1所示，基于FPGA的深水防喷器组电控系统主要由水上电控系统、水下电控系统和连接水上、水下系统的传输光电缆组成。水上电控系统位于钻井平台上，主要包括中央控制单元、司钻控制台和队长控制台。

中央控制单元位于平台的安全区域内，它是电控系统的核心，提供了司钻控制台、队长控制台和水下电子模块等的通讯接口。系统工作站、数据库服务器、VPN服务器、网络设备和打印设备等均位于中央控制台内。司钻控制台由触摸屏式工控机和按钮面板组成，作为最基本的控制站，它能完成控制系统的所有功能。司钻通过工控机的监控软件可以控制防喷器组和水下隔水管总称(LMRP)的所有功能，并能查看数据库服务器中的数据。按钮面板的布局按照防喷器组和LMRP的实际组合图形排列，司钻通过按钮开关也可以控制防喷器和LMRP的所有功能。传感器采集到的温度、压力、流量及声光报警等信息，显示在面板的仪表上。队长控制台位于平台的安全区域内，一般位于队长办公室或者接近救生艇的地方。队长控制台与司钻控制台具有相同的硬件结构和控制功能，它作为第二控制站使用。中央控制的工作站一般作为第三控制站使用。

水下电控系统位于深水蓝黄控制箱的电子密封舱内，包括蓝箱水下电子模块和黄箱水下电子模块。每个电子模块均包括基于FPGA的三重冗余控制器、可充电锂电池、光电转换器等。正常情况下，蓝黄箱水下电子模块均得电启动，并同时监测所有水下温度、压力、流量、电压和电流等参数。操作人员通过人机界面(HMI)分别读取两个水下电子模块采集的数据。当操作人员发出动作信号时，只有一个控制箱的电子模块(一般情况下，蓝箱待命)向该箱内的电磁阀发出动作信号，使该箱的液压阀动作，从而控制防喷器相应的功能。当蓝箱液压系统或者蓝箱电子模块出现故障时，控制功能自动或者手动切换到黄箱，由黄箱重新执行该动作。

基于FPGA的三重冗余控制器是水下电子模块的主要组成部分，其结构如图2所示。该控制器由三块FPGA、对应的模数转换模块、冗余表决模块及其相应的外围电路构成。温度、压力和流量等输入信号经模数转换模块分别输入三块FPGA内，在冗余表决模块进行三重冗余表决，表决结果经通讯模块等传输至中央控制单元，显示在HMI上。同样，操作人员发出的控制信号，在三重冗余控制器上表决后输出到电磁阀驱动模块，从而使电磁阀得电动作。每套水下电子模块均有一套数据库系统，用于保存防喷器组运行中的重要数据。蓝黄水下电子模块之间通过以太网，采用屏蔽双绞线进行数据的传输。中央控制单元通过两条独立的光电缆与蓝黄水下电子模块相连。中央控制单元与水下电子模块通过以太网，采用光纤进行通讯。正常情况下，平台上两套独立的电源系统通过电缆为蓝黄水下电子模块以及电磁阀和传感器等提供电力，当电缆出现故障时，可充电锂电池可立即为蓝黄箱提供电力。