一种模块化智能采集控制器及其应用的制作方法

本发明属于石油、天然气设备技术领域，涉及模块化智能采集控制器在油田井口及联合站控系统的数据采集、现场控制、数据分析、智能管控系统应用。

背景技术：

伴随着工业结构战略性调整，引发了工业技术由产中向产前和产后延伸，工业产品的信息化和智能化是关键。信息化技术的快速发展，使得数据信号的采集在监控系统中占据着非常重要的作用。数据采集系统为工业信息化和智能化提供了基础，通过信息采集技术，能够实时地获取设备的运行状态，为故障预警及诊断提供技术支持。

近年来，随着现代化工业生产的飞速发展和科学力量的空前进步，在工业生产、国防建设、石油、天然气设备等各个领域当中，现代智能化设备的应用越来越多，其自身功能也越来越丰富，自身结构和功能也变得越来越复杂。由于石油、天然气设备的工作现场生产工业环境十分恶劣，因此，很多的采集、控制设备容易出现各种各样的故障与问题，导致了在正常生产过程中设备不能正常运行，甚至会使设备损坏。

因此，现在工业控制系统中需要功能强大的采集控制器，能够采集设备运行状态和工作环境变化，方便管理人员实现远程实时地监控工作运行情况并做出分析。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模块化智能采集控制器在油田井口的数据采集、现场控制、数据分析、智能管控系统应用，利用模块化智能采集控制器对油田井口的数据进行采集和远传，采用模块化设计，具有维护便捷、操作简单、施工便捷、功能强大等特点。

模块化冗余底板设计，支持任何槽位的模块安装和扩展。多种模块支持自动匹配总线地址和实时通讯机制，方便现场安装和调试维护。

本发明所采用的技术方案如下：

一种模块化智能采集控制器，以模块化冗余底板设计，采用实时总线连接，包括壳体、设置在壳体内的总线、以及连接总线的若干个功能模块，所述总线为冗余总线，冗余总线设置在冗余主板上，且冗余主板设置在壳体的底部，在冗余主板上设置有多个用以插接所述功能模块且与冗余总线连接的槽位；所述槽位设置有加密控制器，功能模块通过解密信息初始化通讯参数、地址、采集信息实现任意槽位的自动匹配和兼容。

进一步，上述功能模块包括电源模块，主控模块，采集模块和扩展模块；所述冗余总线包括电源冗余和通讯冗余两部部分。

进一步，上述冗余总线为冗余实时总线，冗余实时总线采用双总线，双电源总线，各模块均采用总线设计，能够自动识别模块类型和位置。

进一步，上述双电源总线模式支持模块热插拔。

进一步，上述扩展模块采用标准总线设计，支持数字信号采集和控制输出，支持模拟信号输出和采集工，支持总线通讯端口扩展。

进一步，上述冗余主板集成3u高度的框体，每个框体支持8个功能模块组成控制器，单个模块化智能采集控制器支持8个框体扩展级联。

本发明还提出一种上述的模块化智能采集控制器在天然气井口的数据采集中的应用，其在气田中的各个天然气井中，模块化智能采集控制器采用分布式控制方式，具备多种总线通讯方式，同时集成数据处理分析功能，采用实时操作系统具备实时通讯总线。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明采用模块化设计，通用接口设计；

(2)冗余实时总线，采用控制总线、采集总线方式，支持实时通讯要求，保证系统的实时性。

(3)控制器内部电源总线智能控制，支持主备两路电源；

(4)控制器3u框体设计，支持8块模块，同时支持控制器8组级联控制。

(5)智能采集控制器支持双主控板，实现冗余采集控制需求。

(6)系统底板集成槽位存储芯片，槽位电源检测模块，支持每个模块的配置信息存储和电源等状态检测。

(7)控制支持多种采集模块的扩展，可根据不同的采集和控制需求进行扩展。

综上所述，本发明的模块化智能采集控制器在天然气气井、油田井口、联合站控系统的采集、控制、智能处理现场应用，采用主控制器通过实时总线采集和控制接口模块的信号，将现场的信息通过以太网或总线进行传输，采用模块化结构设计，具有现场安装和施工便捷、后期维护方便、集成模块等优点。

附图说明

图1为本发明模块化智能采集控制器结构示意图；

图2为本发明模块化智能采集控制器三维结构图；

图3为本发明冗余主板8结构示意图；

图4为本发明冗余主板8的电路示意图；

图5为本发明采集模块7结构示意图；

图6为本发明采集模块7原理框图；

图7为本发明电源模块3原理框图；

图8为本发明主控模块5原理框图；

图9为本发明冗余主板8原理框图。

图1中：1为壳体，2为盖板一，3为电源模块，4为盖板二，5为主控模块，6为盖板三，7为采集模块，8为冗余主板。

具体实施方式

本发明首先提出一种模块化智能采集控制器，起以模块化冗余底板设计，采用实时总线连接，包括壳体1、设置在壳体1内的总线、以及连接总线的若干个功能模块，总线为冗余总线，冗余总线设置在冗余主板8上，且冗余主板8设置在壳体1的底部，在冗余主板8上设置有多个用以插接功能模块且与冗余总线连接的槽位；槽位设置有加密控制器，功能模块通过解密信息初始化通讯参数、地址、采集信息实现任意槽位的自动匹配和兼容。

以上功能模块包括电源模块3，主控模块5，采集模块7和扩展模块；所述冗余总线包括电源冗余和通讯冗余两部部分。所述功能模块包括电源模块3，主控模块5，采集模块7和扩展模块；所述冗余总线包括电源冗余和通讯冗余两部部分。其中双电源总线模式支持模块热插拔。本发明的扩展模块采用标准总线设计，支持数字信号采集和控制输出，支持模拟信号输出和采集工，支持总线通讯端口扩展。冗余主板8集成3u高度的框体，每个框体支持8个功能模块组成控制器，单个模块化智能采集控制器支持8个框体扩展级联。

将本方阿明的模块化智能采集控制器应用在天然气井口的数据采集中，具体为：在气田中的各个天然气井中，模块化智能采集控制器采用分布式控制方式，具备多种总线通讯方式，同时集成数据处理分析功能，采用实时操作系统具备实时通讯总线。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

如图1和图2所述：本发明模块化智能采集控制器在天然气井、油田井口的数据采集、智能控制、数据分析应用，其中，模块化智能采集控制器基本结构图如图1所示，壳体1，盖板一2，电源模块3，盖板二4，主控模块5，盖板三6，采集模块7，冗余主板8。其采用模块化的设计、整体采用标准框体设计、冗余实时总线设计、整机支持级联扩展、灵活安装和组装特点，灵活应用于天然气气井、油田井口、联合站控系统。

如图3为本发明冗余主板8的结构示意图，本发明冗余主板8集成3u高度的框体，每个框体可支持8个模块组成控制器(如图9)，同时单个主控制器支持多达8个框体扩展级联。如图4为冗余主板8的电路结构示意图，其具体原理如图9所示，每个冗余主板8的槽位上设置有电源总线接口、冗余实时通讯总线主用接口以及冗余实时通讯总线备用接口，各个槽位结构完全相同，可以盲插。

如图5所示为本发明采集模块7的结构示意图，采集模块7的框图如图6所示，包括采集模块处理器以及与采集模块处理器连接的电源调理模块，冗余实时通讯总线主用接口、冗余实时通讯总线备用接口和电源总线，电源总线通过电源调理模块连接至采集模块处理器，另外采集模块处理器还连接有输入输出模块，包括di输入、do输出、ai输入、ao输出等。

如图7为电源模块3的框图，电源模块包括控制管理单元模块以及与其连接的电源输入接口、电源输出管理模块，控制管理单元模块还是通过冗余实时通讯总线主用接口、冗余实时通讯总线备用接口与冗余主板8对接，另外，电源模块3还通过电源总线连接至冗余主板8的电源总线上为其他模块供电。

如图8为主控模块5框图，主控模块包括嵌入式计算机以及与其连接的通讯模块、冗余实时通讯总线主用接口、冗余实时通讯总线备用接口。另外，嵌入式计算机还通过电源调理模块连接电源总线接口。其中通讯模块包括rs458总线、can总线、tcp/ip总线、无线通讯和usb通讯。

综上所述，本发明的主控模块标准化接口设计，支持任意槽位安装，支持双路主备电源输入，双路主备总线。同时支持单个控制器的主备控制器，冗余控制和故障切换功能。扩展模块采用标准总线设计，支持数字信号采集和控制输出，支持模拟信号输出和采集工，支持总线通讯端口扩展。同时模块支持任何槽位的自动匹配地址、配置参数、采集信息自动适配。每一个模块插在对应的槽位，每一个槽位设计有一个加密控制器，模块的控制器通过解密信息来初始化通讯的参数、地址、采集信息等，从而实现任意槽位的自动匹配和兼容适应。

冗余实时通讯总线，采用采集总线、控制总线分离设计，支持异步采集和控制实时控制。总线冗余控制，支持单一总线故障后，控制器自动切换采集和控制总线融合，并自动同步通讯的频率，满足实时的指标要求。总线物理层采用can总线方式，每一个控制器具备主备两路can总线，根据不同的槽位自动匹配地址和通讯参数，将模块的注册信息加载到控制器的主控路由表中。系统主控制器根据注册信息对模块进数据通讯，根据总线故障状态自动切换主备通讯，实现冗余通讯功能。双路总线的通讯速率为1m/bps，满足实时要求的300毫秒通讯实时性要求。