鉆柱振動信號采集系統(tǒng)的研究與設(shè)計

吳昊澄，孫偉峰，戴永壽，李立剛，張亞南

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，山東 東營 257061）

在鉆井過程中，鉆頭與地層的沖擊、鉆頭的偏心鉆進、鉆柱與井壁之間的摩擦碰撞，都會產(chǎn)生強烈的振動。鉆柱振動信號包含了大量的鉆井工況信息，通過采集這些振動數(shù)據(jù)，分析其特征并做出合理的故障診斷，對于減少鉆井事故、優(yōu)化鉆井參數(shù)、提高鉆進速度都具有非常重要的意義[1]。對鉆柱振動信號的采集方法分為隨鉆測量方法和地面測量方法。隨鉆測量方法是將隨鉆測量裝置安裝在鉆頭附近，用無線或有線的方式將振動信號傳輸?shù)降孛?。這種方法采集到的數(shù)據(jù)失真較小，但由于井下條件惡劣（如高溫、高壓和高沖擊等），對測振裝置的壽命及可靠性影響很大，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性較差，因此應(yīng)用于振動信號提取的隨鉆測量技術(shù)目前未能普遍應(yīng)用。地面測量方法是利用能將井底振動的主要信息傳遞到地面的鉆柱作為介質(zhì)，對其傳遞的振動信號進行采集，以識別鉆柱共振、鉆頭磨損、鉆柱與井壁摩擦等工況特征，根據(jù)特征值判斷鉆頭遇卡、溜鉆、頓鉆等故障。與井下振動測量相比，地面測量的風(fēng)險較小，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，易于推廣[2]。

目前，國內(nèi)正逐漸形成一股研究鉆柱振動信號的熱潮，劉志國等人已設(shè)計出一套振動信號的采集與分析系統(tǒng)[3]，但存在著穩(wěn)定性不足、振動測量信息反饋不全面等問題。因此，本文設(shè)計了具有強穩(wěn)定性，大存儲空間的鉆柱振動信號采集系統(tǒng)。在微控制器外部添加NAND flash存儲器以擴展對特征信號的存儲空間，在系統(tǒng)中設(shè)置了外部看門狗和時鐘電路對系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，配合軟件對異常情況進行及時備份并恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

鉆柱振動信號測量系統(tǒng)需要具備對鉆柱的三維振動信號進行實時動態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲及傳輸?shù)墓δ?。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、存儲模塊、無線傳輸模塊以及保護模塊組成。為了更全面地測量鉆柱振動信號，系統(tǒng)以鉆柱的三維振動信號為被測對象，通過三軸壓電式加速度傳感器將振動信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整送入C8051F005微控制器處理。由于鉆井平臺布線困難，系統(tǒng)選用nRF905射頻模塊，將數(shù)據(jù)以無線的方式傳送到附近的上位機進行處理、存儲和顯示，增強了系統(tǒng)的靈活性。惡劣的現(xiàn)場環(huán)境要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，本系統(tǒng)應(yīng)用了外部看門狗和時鐘模塊，使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控自身異常，配合軟件設(shè)計實現(xiàn)自我備份和恢復(fù)。

鉆柱振動信號采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉆柱振動信號采集系統(tǒng)Fig.1 Drill string vibration signal acquisition system

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

鉆柱振動信號采集系統(tǒng)按照功能分為數(shù)據(jù)采集模塊、單片機微控制器模塊、擴展Flash存儲器模塊、無線通信模塊和保護模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)選用三軸型壓電式加速度傳感器作為測振元件[4]，此傳感器具有靈敏度高，體積小，重量輕，使用壽命長，動態(tài)范圍大，頻率范圍寬，堅固耐用，受外界干擾小等特點。

本系統(tǒng)的壓電式傳感器主要參數(shù)選擇：三軸；量程范圍±10 g；靈敏度 500 mv/g；頻率范圍 0～2 000 Hz；溫度范圍-40～125℃。

2.2 微控制器

本系統(tǒng)采用C8051F005作為主控芯片，它是Silicon Lab公司的12位單片機，具有64管腳TQFP封裝，SPI串行接口，12位8通道的AD，供電電壓為5 V。其中12位的AD滿足對所采集振動信號的精度要求。若所處環(huán)境要求苛刻，可適當(dāng)提高芯片品級；若需提高現(xiàn)場芯片的數(shù)字運算能力，也可采用DSP替代。

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

要完成振動信號的實時采集和存儲，要求系統(tǒng)具備足夠的存儲空間并且具有較高的存儲速率，需擴展外部高速存儲器。本系統(tǒng)采用三星公司的NAND結(jié)構(gòu)的Flash存儲芯片——K9F1G08U0M。此芯片的各端口與C8051F005的端口連接，通過C8051F005控制端口的輸入輸出，即可方便實現(xiàn)對Flash存儲器的讀取與寫入操作[5]。

2.4 無線通信模塊

無線技術(shù)的應(yīng)用省去了現(xiàn)場布線的麻煩，為系統(tǒng)的安裝提供了更多的選擇。由于系統(tǒng)長期處于戶外作業(yè)，對信號保真度的要求較高。此外為了更好地對鉆井作業(yè)進行實時監(jiān)控，對異常情況及時作出調(diào)整，需要有較高的信號傳輸速率。綜合考慮，本系統(tǒng)采用Nordi公司的nRF905射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并提供RS-232接口，實現(xiàn)與PC機的實時直連通信。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可自動完成前導(dǎo)碼的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便[6]。

2.5 保護模塊

由于本系統(tǒng)應(yīng)用于鉆井平臺，不會經(jīng)常性地更換或維護，要求系統(tǒng)有自我檢測和恢復(fù)的能力。因此，本系統(tǒng)引入了看門狗電路和時鐘電路，通過軟硬件的結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)自我檢測、現(xiàn)場自我恢復(fù)等保護功能。

2.5.1 看門狗電路

本系統(tǒng)選用的X5045是一種集看門狗、電壓監(jiān)控和串行EEPROM 3種功能于一身的可編程芯片。這種組合設(shè)計減少了電路對電路板空間的需求。芯片中的看門狗對系統(tǒng)提供了保護功能，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生程序故障時，自動通過RESET信號向微控制器發(fā)出復(fù)位請求。

2.5.2 時鐘電路

軟件實現(xiàn)時鐘需要編寫的程序復(fù)雜，代碼多，且單片機軟件開銷大，時間信息也不易長期保存。為避免以上問題，本系統(tǒng)采用美國Dallas公司的DS1305實時時鐘芯片非易失性地保存時間信息。它有20腳的TSSOP、16腳的DIP兩種封裝方式，工作電壓范圍從2.0～5.5V。DS1305采用BCD碼表示實時時鐘的秒、分、小時、星期、日、月和年的時間信息，并且自動對小月和閏年的日期進行調(diào)整，兼有帶AM/PM指示12小時和24小時兩種時間指示格式。

系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware functional block diagram

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分完成單片機系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、FLASH讀寫、與上位機通信等功能。軟件采用C語言編程以增加可讀性和可移植性。

通過壓電式加速度傳感器的轉(zhuǎn)換，將振動信號轉(zhuǎn)化成電壓信號。利用C8051F005內(nèi)部自帶的12位AD將模擬電壓量轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量保存至微處理器存儲單元。程序?qū)崿F(xiàn)對3路通道的電壓信號循環(huán)采集，將采集到的振動特征數(shù)據(jù)寫入到外部Flash存儲器中暫存。

無線通信部分，在nRF905正常工作前，必須根據(jù)需要寫好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過微控制器把nRF905置于待機模式，通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式，配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包就會被重復(fù)發(fā)出，直到微控制器退出發(fā)送模式為止。接收數(shù)據(jù)時，微控制器先在nRF905的待機狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式，nRF905就會自動接收空中的載波。當(dāng)收到有效數(shù)據(jù)時，微控制器在檢測到這個信號后，可以將nRF905置為待機模式，然后通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。

軟件設(shè)計中為了增強系統(tǒng)的可靠性，加入了時鐘和看門狗程序。

系統(tǒng)的整體程序流程圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

圖3 程序流程圖Fig.3 Program flow chart

文中根據(jù)鉆柱三維振動測量的需要，對鉆柱振動信號采集[7]系統(tǒng)進行了硬件和軟件的設(shè)計。

硬件系統(tǒng)以C8051F005單片機作為控制核心，利用朗斯LC0111壓電式加速度傳感器采集三維振動信號，通過三星FLASH存儲器K9F1G08U0M擴展存儲容量，利用nRF905射頻模塊進行無線通信完成數(shù)據(jù)傳輸。利用X5045芯片、DS1035時鐘芯片增加了看門狗和時鐘電路，增強了系統(tǒng)本身的獨立工作能力。整個系統(tǒng)硬件配置合理，可滿足實際測量的需求。

軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了三維振動信號的數(shù)據(jù)采集，對Flash存儲器的讀、寫操作，通過nRF905射頻模塊實現(xiàn)與上位PC的通信以及對看門狗和定時器的設(shè)定。

該系統(tǒng)可對包含豐富井下工況信息的鉆柱振動信號進行采集、存儲與傳輸，對獲取的數(shù)據(jù)進行處理，可以提取反映鉆井工況的信息，從而指導(dǎo)鉆井作業(yè)，這將大大提高鉆進速度和鉆井安全性，為實現(xiàn)安全、優(yōu)質(zhì)、高效鉆井提供技術(shù)保障。

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