深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

張鵬飛，梁春平，梁衛(wèi)斌，羅磊，王飛

深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成化網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)

張鵬飛1，2，梁春平1，2，梁衛(wèi)斌1，2，羅磊1，2，王飛1，2

（1．寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2．國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞721002）①

鉆井參數(shù)是油氣鉆井工程監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程、進(jìn)行科學(xué)分析和科學(xué)決策的重要依據(jù)。為開(kāi)發(fā)深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多鉆井參數(shù)的動(dòng)態(tài)采集、分析、存儲(chǔ)和歸檔，采用模塊化設(shè)計(jì)，應(yīng)用區(qū)塊化的數(shù)據(jù)采集單元，提高了采集的靈活性和實(shí)用性。應(yīng)用Visual C＋＋實(shí)現(xiàn)了軟件程序和數(shù)據(jù)庫(kù)等的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)分散系統(tǒng)的高度集成，打破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重復(fù)配置、各個(gè)子系統(tǒng)各自獨(dú)立等現(xiàn)狀，為整套深水鉆機(jī)提供了一套完備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

鉆機(jī)；多參數(shù)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；集成化；網(wǎng)絡(luò)化

鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是油氣鉆井工程監(jiān)測(cè)鉆進(jìn)過(guò)程、進(jìn)行科學(xué)分析和科學(xué)決策的重要工具，是鉆井作業(yè)人員的眼睛，它能夠?qū)崟r(shí)反映鉆井工況，是保證安全、優(yōu)質(zhì)、快速、高效、科學(xué)鉆井的重要手段。隨著鉆機(jī)和鉆井技術(shù)的快速發(fā)展，鉆井儀表的發(fā)展得到了質(zhì)的飛躍，不僅提高了鉆井過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)指示與記錄的準(zhǔn)確程度，而且實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、記錄，為油田的安全生產(chǎn)提供了科學(xué)依據(jù)，為鉆后提供可回放的歷史數(shù)據(jù)［1］。目前，鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)由過(guò)去的機(jī)械、液壓儀表向數(shù)字化、集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。為此，開(kāi)發(fā)了一套集成化和網(wǎng)絡(luò)化的深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1　多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為以采集卡為核心的測(cè)試系統(tǒng)，也稱(chēng)為數(shù)據(jù)采集／監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。它由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、采樣保持電路（S／H）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（A／D）、接口電路、控制器、顯示器、打印機(jī)等外部設(shè)備組成。

其中，傳感器的作用是將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量；信號(hào)調(diào)理電路的作用是將傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大和濾波等加工處理，以便使傳感器輸出信號(hào)與A／D相適配；多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的作用是將多路傳感器輸出信號(hào)按預(yù)定時(shí)序分時(shí)地與S／H電路接通，這種多路信號(hào)通道共享1個(gè)A／D，其優(yōu)點(diǎn)是降低成本，減小體積；S／H的引入是因?yàn)锳／D轉(zhuǎn)換需要一定時(shí)間，它可以使信號(hào)轉(zhuǎn)換期間模擬信號(hào)保持不變；A／D作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便適應(yīng)采集卡工作需要；采集卡是單元采集系統(tǒng)的核心，它主要有2個(gè)作用，一是通過(guò)軟件協(xié)調(diào)使整個(gè)系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)整體，按預(yù)定程序運(yùn)行；二是對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳給上位機(jī)服務(wù)器，在服務(wù)器中存儲(chǔ)、運(yùn)算（判斷）、處理和歸檔，并將處理結(jié)果通過(guò)輸出接口送到外部設(shè)備進(jìn)行顯示、打?。?-4］。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框圖

2　多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，由多個(gè)傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡等幾部分構(gòu)成。由于被檢測(cè)設(shè)備分散，并且配套的傳感器數(shù)量多，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測(cè)比較困難，所以設(shè)計(jì)采用分區(qū)塊采集模式，通過(guò)以太網(wǎng)通訊完成各個(gè)區(qū)塊采集單元的數(shù)據(jù)交換，并通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)服務(wù)器的通訊，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)參數(shù)的歸總。下面分區(qū)塊對(duì)被監(jiān)測(cè)的參數(shù)進(jìn)行歸類(lèi)介紹。

1） 固控區(qū)。包含有多個(gè)泥漿液位傳感器、多個(gè)散料罐物位傳感器、計(jì)量罐液位傳感器、回流罐位移傳感器等。

2） 氣源區(qū)。包括低壓氣源壓力傳感器、高壓氣源壓力傳感器、輸出氣源壓力傳感器等。

3） 鉆臺(tái)區(qū)。包含泥漿回流傳感器、鉤載傳感器、立管壓力傳感器、多個(gè)盤(pán)剎壓力傳感器、絞車(chē)潤(rùn)滑油壓傳感器、絞車(chē)滾筒編碼器、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速傳感器、頂驅(qū)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速傳感器等。

4） 泵區(qū)。包括多個(gè)泵沖傳感器、潤(rùn)滑油壓傳感器等。

5） 管柱處理區(qū)。包括多個(gè)編碼器、多個(gè)接近開(kāi)關(guān)、多個(gè)壓力傳感器、多個(gè)油缸位移傳感器。

6） 升沉補(bǔ)償區(qū)。包括多個(gè)壓力傳感器、多個(gè)油缸位移傳感器、多個(gè)加速度傳感器、多個(gè)接近開(kāi)關(guān)、多個(gè)壓力開(kāi)關(guān)、多個(gè)液位傳感器等。

7） 電控區(qū)。包括主電機(jī)電流、繞組溫度、轉(zhuǎn)速；發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速、頻率、電流、電壓、有功功率、無(wú)功功率、并網(wǎng)信號(hào)、油壓、水溫、繞組溫度；傳動(dòng)柜全部故障代碼、輸出電流、輸出電壓、母線(xiàn)電壓、電控柜溫度、P L C通訊信號(hào)等。

單個(gè)采集模塊同時(shí)完成16通道的開(kāi)關(guān)量輸入與32路的模擬量同步采集，滿(mǎn)足目前鉆井的要求，通過(guò)擴(kuò)展多個(gè)采集模塊可以實(shí)現(xiàn)更多通道的采集。

2．1 傳感器的選型

傳感器是作為信息技術(shù)的3大支柱之一，對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)起到了決定性的作用。在自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中，傳感器相當(dāng)于人的五官，直接感知外界的信息。傳感器是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中必不可少的工具，選擇傳感器至關(guān)重要，對(duì)于深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該從以下幾個(gè)方面考慮。

1） 根據(jù)被測(cè)對(duì)象與使用工況選擇傳感器。要完成任一具體的測(cè)量，首先考慮被測(cè)對(duì)象屬性和使用工況。電壓型還是電流型，量程大小，安裝尺寸要求，是否有防爆需求，走線(xiàn)方式，測(cè)量方式是直接測(cè)量還是間接測(cè)量等。在選定上述指標(biāo)后，在考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。

2） 線(xiàn)性度（即非線(xiàn)性誤差）。傳感器的線(xiàn)形度指輸出與輸入之間的線(xiàn)性程度。從原理上講，線(xiàn)性度的范圍越寬越好，這樣在量程范圍內(nèi)的測(cè)量準(zhǔn)確度就越高，測(cè)量精度才能得到保障。

3） 靈敏度。通常，希望在線(xiàn)性范圍內(nèi)，靈敏度越高越好。然而，傳感器的靈敏度高，外接的干擾也容易被引入，從而影響了測(cè)量的精度。所以，在選擇傳感器時(shí)盡量選擇信噪比比較高的傳感器，在保證靈敏度的同時(shí)減少干擾因素的介入。

4） 遲滯特性。遲滯特性反應(yīng)傳感器正向和反向行程的輸出輸入特性曲線(xiàn)不重合的程度。希望遲滯越小越好，這樣可以確保正反向測(cè)量的一致性，能夠真實(shí)地反應(yīng)被測(cè)量的數(shù)值。

5） 重復(fù)性。傳感器使用中，多次重復(fù)的測(cè)量對(duì)應(yīng)的測(cè)量曲線(xiàn)重復(fù)性越好，對(duì)應(yīng)的誤差就越小，它反應(yīng)出了傳感器的穩(wěn)定性。在構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要充分考慮此因素，確保長(zhǎng)期使用而具有良好的準(zhǔn)確性。

6） 精度。傳感器的精度并非越高越好，滿(mǎn)足測(cè)量要求即可，不要一味的追求精度而造成不必要的成本增加，做到被測(cè)量的數(shù)值要求和精度吻合即可［2-5］。

綜合考慮以上因素，可保證傳感器正確選型。

2．2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)與采集卡的通信，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)讀入各個(gè)區(qū)塊的采集單元，并實(shí)現(xiàn)與各個(gè)采集單元和上位機(jī)的通訊，為控制系統(tǒng)提供設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)，用于實(shí)現(xiàn)報(bào)警或執(zhí)行動(dòng)作等操作。

對(duì)于數(shù)字量的輸入，如接近開(kāi)關(guān)和壓力開(kāi)關(guān)，由于它是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，不需要對(duì)它進(jìn)行處理，串接一個(gè)電阻，在電阻兩端取電壓即可送入采集卡采集。電路圖如圖2所示。

圖2　數(shù)字信號(hào)處理電路

壓力、位移和轉(zhuǎn)矩等信號(hào)為模擬量，對(duì)于模擬量的輸入，針對(duì)來(lái)自傳感器的信號(hào)為4～20mA電流信號(hào)，所以需要串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻，取得2～10 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)送回采集卡。電路圖如圖3所示。需注意的是數(shù)字地與模擬地要區(qū)分開(kāi)。

圖3　模擬信號(hào)處理電路

2．3 數(shù)據(jù)采集卡［6］

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的高速光隔U SB采集卡，它具有以下特點(diǎn)：采用U SB2．0接口，光電隔離模擬量采集；靈活的供電電源方式；16通道的開(kāi)關(guān)量輸入與32路單端／16路雙端模擬量同步采集，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)的同步觸發(fā)、同步啟動(dòng)、狀態(tài)同步檢測(cè)等要求；12位采集精度；系統(tǒng)總的采集貫通速率為400 ksps；豐富的擴(kuò)展接口。

圖4是開(kāi)關(guān)量接線(xiàn)圖，D O0～D O15是16路開(kāi)關(guān)量輸出，DI0～DI15是16路開(kāi)關(guān)量輸入，33、34針為數(shù)字量公共地線(xiàn)。

圖4　16通道開(kāi)關(guān)量輸入與輸出接線(xiàn)圖

圖5為32路單端模擬量輸入接頭。模擬量輸入共計(jì)32通道。其中1～16為模擬量輸入的起始16通道，17，18，19，20這4個(gè)針用于擴(kuò)展，采集時(shí)不使用，針21～36為后16個(gè)模擬量通道。37，38，39，40為4個(gè)模擬量輸入地線(xiàn)，用戶(hù)輸入的模擬信號(hào)的地線(xiàn)要與這4個(gè)地線(xiàn)相連，這4個(gè)地線(xiàn)內(nèi)部相連。

圖5　模擬量輸入通道1～32

2．4 信號(hào)的傳輸

鉆井的工作環(huán)境惡劣，信號(hào)需要遠(yuǎn)距離傳輸且受到的外界干擾大，TTL和RS232C接口難以滿(mǎn)足要求，因此，本系統(tǒng)采用ENTERNET接口，來(lái)實(shí)現(xiàn)微處理器輸出信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸。

IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α等炎性細(xì)胞因子的異常表達(dá)是導(dǎo)致腸組織細(xì)胞間緊密連接丟失以及細(xì)胞上皮屏障損傷的主要原因，也在IBD發(fā)病過(guò)程中起著重要的作用[11～15]。如圖 1所示，LPS處理能顯著刺激Caco-2細(xì)胞中IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。而辣木多肽處理能夠顯著抑制模型細(xì)胞中 IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。特別是，高濃度辣木多肽(100 μg/mL和150 μg/mL)能夠使細(xì)胞中的IL-1β水平分別較模型細(xì)胞中IL-1β水平降低10.6%和19.8%，IL-8水平降低36.4%和43.7%，TNF-α水平降低30.7%和37.9%。

3　多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，它利用數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，應(yīng)用服務(wù)器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、顯示和其他處理，根據(jù)檢測(cè)的信號(hào)作出判斷發(fā)出信號(hào)給控制單元，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和設(shè)備的控制。

本系統(tǒng)應(yīng)用VisualC＋＋、Server2008等開(kāi)發(fā)工具在Windows操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了一套基于數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用程序，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)波形顯示、信號(hào)分析等功能，還具有良好的人機(jī)界面以及穩(wěn)定準(zhǔn)確的反饋控制信號(hào)等一系列功能。軟件流程如圖6所示。

3．1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)選用的數(shù)據(jù)采集卡提供了Windows7／XP下使用的驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用采集卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，然后在ADCard．DLL內(nèi)部再調(diào)用其它內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序。

3．2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

考慮到系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，選用Server 2008數(shù)據(jù)庫(kù)既可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，可以實(shí)時(shí)的把采集到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖6　軟件流程

4　結(jié)論

1） 開(kāi)發(fā)了深水鉆機(jī)多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，與傳統(tǒng)儀表系統(tǒng)比較，具有如下特點(diǎn)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口可以和現(xiàn)有的深水鉆機(jī)配套的電控系統(tǒng)集成，便于數(shù)據(jù)的共享和系統(tǒng)邏輯保護(hù)設(shè)置；具備數(shù)據(jù)分析和處理的能力，可以實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警、分析預(yù)警和故障判斷等功能；具有可視化的參數(shù)曲線(xiàn)，可直觀反映各個(gè)參數(shù)的變化，為后期的故障分析提供依據(jù)。實(shí)現(xiàn)了采集、分析、處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歸檔等一系列功能。

2） 系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)了軟硬件的調(diào)試，監(jiān)測(cè)裝置體積小，方便安裝，適合深水鉆機(jī)的配套。

3） 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了各分散系統(tǒng)的高度集成，打破了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)重復(fù)配置、各子系統(tǒng)各自獨(dú)立等現(xiàn)狀，為整套深水鉆機(jī)提供了一套完備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4） 多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，在很大程度上將提高鉆井的安全性、提高鉆井效率、降低鉆井成本，有利于整個(gè)鉆井過(guò)程的科學(xué)化、實(shí)時(shí)化和網(wǎng)絡(luò)化。

［1］ 李加國(guó)．鉆井參數(shù)儀的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］．江漢石油職工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，22（4）：31-32．

［2］ 王淑紅．測(cè)控電路與器件［M］．北京：清華大學(xué)出版社：北京交通大學(xué)出版社，2006．

［3］ 王先培，王泉德．測(cè)控總線(xiàn)與儀器通信技術(shù)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［4］ 任致程．傳感器、變送器、智能數(shù)顯控制器應(yīng)用手冊(cè)［M］．北京：中國(guó)電力出版社，2007．

［5］ 孟立凡，藍(lán)金輝．傳感器原理與應(yīng)用［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2007．

［6］ 周玉豐，李濤．一種新型鉆井參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（2）：68-72．

Design of Integration and Networking in Deep-water Drilling Rigmulti-parametermonitor System

ZHANG Pengfei1，2，LIANG Chunping1，2，LIANGWeibin1，2，LUO Lei1，2，WANG Fei1，2
（1．Baoji Oilfieldmachinery Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．N ational Oil&Gas Drilling EquipmenTEngineering Research Center，Baoji721002，China）

The drilling parameter is im portantim plement tomonitor drilling procedure and analyze during drilling process for final scientific solution，since it is valuable tomonitor the parameters，to developmonitor system of deep water drilling rig．The system shallfinish dynamic collection，analysis and data storage．To design inmodulemode，themodule data storage unit im proves the flexibility and practicability of data collection．At the same time，the software Visual C＋＋is used to develop program and database，to realize system integration．a(chǎn)t the same time，to the traditionalmonitor systemmalpractice of repeat configuration and independent sub system are broken，w hich supply an integratedmonitor system for deep water system．

drilling rig；m ultiparameter；m onitor system；integration；netw orking

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．022

10013482（2015）03008704

①2014-09-19

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計(jì)劃項(xiàng)目“深水鉆機(jī)與鉆柱自動(dòng)化處理關(guān)鍵技術(shù)研究”（2012-AA09-A203）

張鵬飛（1981-），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現(xiàn)從事石油裝備的設(shè)計(jì)與研發(fā)工作，Email：zhangpf2006＠163．com。