石油修井機(jī)防碰儀自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

丁紅軍+++劉志強(qiáng)

摘 要：基于修井機(jī)的安全監(jiān)測(cè)要求，設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用能夠滿足要求的AT89C51單片機(jī)作為核心單片機(jī)，應(yīng)用監(jiān)測(cè)信號(hào)無線傳輸來取代原有的有線傳輸，同時(shí)無線發(fā)射接收部分采用模塊化設(shè)計(jì)；改變?cè)械膶?duì)絞車盤進(jìn)行監(jiān)測(cè)的方式，提高了系統(tǒng)的檢測(cè)準(zhǔn)確度，也簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的線路，使設(shè)備更簡(jiǎn)潔、更小型化、便于安裝及調(diào)試。

關(guān)鍵詞：修井機(jī)；防碰儀；監(jiān)控系統(tǒng)

引言

由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和前進(jìn)，工業(yè)上的各種機(jī)電產(chǎn)品在智能化、在線實(shí)時(shí)監(jiān)控性以及人機(jī)交互界面友好性上有了更高的要求。對(duì)于石油機(jī)械的修井機(jī)，對(duì)在線實(shí)時(shí)監(jiān)控監(jiān)測(cè)性能上提出了更高的要求。

在現(xiàn)有的應(yīng)用情況來看，對(duì)修井機(jī)的可監(jiān)測(cè)性有以下的幾個(gè)要求。（1）要去能夠?qū)π蘧畽C(jī)工作頭的位置進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)，并同步顯示給操作人員，并能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。（2）監(jiān)測(cè)設(shè)備在結(jié)構(gòu)和線路排布上應(yīng)盡可能的簡(jiǎn)單，以提高其可靠性和安全性，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用的傳感器應(yīng)能在較為惡劣的自然環(huán)境下進(jìn)行工作，不易受到外界環(huán)境的影響。（3）監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠，使用壽命長(zhǎng)，便于安裝和維修，使用成本經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。

1 修井機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，將傳感器直接裝在天棚的飛輪上，通過對(duì)飛輪的轉(zhuǎn)數(shù)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換成工作頭的位置信號(hào)，信號(hào)采集監(jiān)測(cè)收集頭采用兩個(gè)霍爾傳感器與單片機(jī)直接連接，把磁鋼安裝在修井機(jī)天棚的鋼制飛輪上面。當(dāng)飛輪正轉(zhuǎn)的時(shí)候帶著磁鋼首先通過霍爾傳感器A，單片機(jī)關(guān)閉所有外部中斷以保證磁鋼再次通過霍爾傳感器B時(shí)的信號(hào)不會(huì)對(duì)單片機(jī)的計(jì)數(shù)造成影響，同時(shí)單片機(jī)開始對(duì)飛輪轉(zhuǎn)數(shù)開始計(jì)數(shù)增加；當(dāng)飛輪處在反轉(zhuǎn)的狀態(tài)時(shí)候，磁鋼首先通過霍爾傳感器并被感知，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)并減少。采用這種監(jiān)測(cè)方法也很容易實(shí)現(xiàn)飛輪正反轉(zhuǎn)方向的識(shí)別計(jì)數(shù)。

當(dāng)單片機(jī)完成轉(zhuǎn)數(shù)的計(jì)數(shù)后，數(shù)據(jù)就被用串行口發(fā)送到無線發(fā)射模塊PTR2000，然后發(fā)送給控制室的接收模塊，接收模塊也是由單片機(jī)和無線接收PTR2000組成。最后把轉(zhuǎn)化后的值在四位七段數(shù)碼管上進(jìn)行顯示。

1.1 通井機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖

修井機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理框圖如圖1、圖2所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的單片機(jī)是AT89C51，它具有價(jià)格低廉、性能良好等特性，綜合了實(shí)際情況以及本設(shè)計(jì)所需的性能及各種要求，選用AT89C51作為主控單片機(jī)[1]。系統(tǒng)的無線傳輸模塊PTR2000：無線收發(fā)一體數(shù)傳MODEM模塊PTR2000芯片性能優(yōu)異，它的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，設(shè)計(jì)方便。該模板塊在內(nèi)部需成了頻道切換、功率放大、高頻接收、FSK調(diào)制/解調(diào)等功能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠a(chǎn)品。信號(hào)采集傳感器NJK-5002C霍爾傳感器特點(diǎn)：它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單堅(jiān)固、小巧、質(zhì)量輕、使用壽命長(zhǎng)、安裝方便、消耗功率小、抗震動(dòng)、不怕各種環(huán)境的污染和腐蝕，例如灰塵、油污、水汽及霧等?；魻杺鞲衅鬟€具有精度高、線性度好的特點(diǎn)；若能進(jìn)一步取用了各種補(bǔ)償和保護(hù)措施，會(huì)使得霍爾器件的工作溫度范圍達(dá)到-55℃～150℃。

1.3 儀器的監(jiān)測(cè)監(jiān)控信號(hào)采集的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)采用兩個(gè)NJK-5002C接近式霍爾傳感器作為檢測(cè)磁性信號(hào)的輸入，以感應(yīng)天棚飛輪上的磁鋼的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)數(shù)，兩個(gè)霍爾傳感器的設(shè)計(jì)安裝距離為在15mm左右，這樣既可以保證磁鋼通過時(shí)候不會(huì)產(chǎn)生誤判，又能夠保證感知磁鋼都輸出信號(hào)。（因?yàn)榛魻杺鞲衅髯饔镁嚯x一般小于10mm）[2]。

1.4 無線接收和無線發(fā)射電路的設(shè)計(jì)

無線接收與無線發(fā)射模塊中，兩種PTR2000與單片機(jī)的連接口方式是一樣的，主要是由于PTR2000為無線發(fā)射接收一體化得集成模塊，其究竟處于發(fā)射形式還是接收形式，是由其TXEN口是接高電平還是低電平，所以在電路的無線接收和發(fā)射模塊中，兩者的硬件連接方式是一樣的，只是軟件的設(shè)計(jì)有些不同。

2 系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

把兩個(gè)NJK5002C為接近式霍爾傳感器安裝在飛輪支架上，兩個(gè)傳感器之間的距離為15mm；磁鋼安裝在飛輪上，根據(jù)測(cè)量的精度要求可以安裝多個(gè)磁鋼，均勻分布在飛輪上。這樣傳感器通過感知磁鋼來測(cè)定飛輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)，在通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成鋼絲繩的長(zhǎng)度，從而測(cè)量出深度[3]。

3 儀器顯示電路的設(shè)計(jì)

修井機(jī)的作業(yè)深度一般在五千米左右，所以采用四位七段數(shù)碼管可以滿足顯示的需要。根據(jù)不同型號(hào)的修井機(jī)的需要，也可采用有小數(shù)點(diǎn)的八段數(shù)碼管，如果要求精度達(dá)到一米以下，可選用五位八段數(shù)碼管。綜合考慮了修井機(jī)的精度及常用型號(hào)，選用四位七段數(shù)碼管，精度為一米[4]。

4 軟件工作程序模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的程序分為發(fā)射模塊和接收模塊這兩個(gè)主要的部分：

其中無線發(fā)射模塊的程序有：（1）系統(tǒng)初始化程序；（2）系統(tǒng)主程序；（3）系統(tǒng)發(fā)送程序。

無線接收模塊程序：（1）初始化程序；（2）主程序；（3）PTR2000數(shù)據(jù)接收程序；（4）循環(huán)/深度轉(zhuǎn)換程序；（5）報(bào)警子程序；（6）鍵盤輸入設(shè)定的工作深度程序；（7）循環(huán)次數(shù)記錄子程序。

5 操作面板設(shè)計(jì)

右側(cè)上端為四位數(shù)碼管，可顯示總深度和循環(huán)次數(shù)。數(shù)碼管左側(cè)為兩個(gè)LED，分別指示數(shù)碼管顯示的為工作頭深度和循環(huán)次數(shù)。最下側(cè)為復(fù)位鍵，終止蜂鳴鍵，深度/循環(huán)轉(zhuǎn)換鍵，總電源開關(guān)。

6 結(jié)束語

由于采油修井機(jī)的要求，修井機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控的系統(tǒng)采用價(jià)格低廉且能夠滿足要求的AT89C51單片機(jī)作為設(shè)計(jì)的核心單片機(jī)，應(yīng)用監(jiān)測(cè)信號(hào)無線傳輸來取代原有的有線傳輸，從而簡(jiǎn)化了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的線路，使得設(shè)備更簡(jiǎn)潔，更小型化。同時(shí)改變?cè)斜O(jiān)測(cè)的方式，使檢測(cè)的準(zhǔn)確度提高。同時(shí)無線發(fā)射接收部分采用模塊化設(shè)計(jì)，是機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔，也更便于安裝及調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

[1]宋江平.鉆機(jī)防碰天車監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，1996，24（1）：48-50.

[2]陳礪，譚盈科.單片機(jī)原理和應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，1997：5-24.

[3]王如竹，等.新型防碰天車研制[J].中國設(shè)備工程，2005（4）：28-30.

[4]章立標(biāo)，張?jiān)娽?修井機(jī)主滾筒繩、亂繩現(xiàn)象探討[J].石油機(jī)械，1995（1）：79-82.

作者簡(jiǎn)介：丁紅軍（1975，12-），男，湖南省武岡市，職稱：講師，學(xué)歷：博士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。