基于PC104總線的綜合錄井儀設(shè)計與開發(fā)

謝秀飛 / 中國海洋石油集團有限公司計量檢測中心

基于PC104總線的綜合錄井儀設(shè)計與開發(fā)

謝秀飛 / 中國海洋石油集團有限公司計量檢測中心

針對目前綜合錄井儀小型化、集成化、模塊化的趨勢以及PC104總線的特點，提出了一種基于PC104總線技術(shù)的綜合錄井儀開發(fā)方案。設(shè)計了基于PC104總線技術(shù)的現(xiàn)場多路模擬量和數(shù)字量實時采集系統(tǒng)，并給出了軟硬件的開發(fā)方案。實驗結(jié)果表明，文中的設(shè)計方案可大大提高錄井現(xiàn)場多路信號采集的準(zhǔn)確性、可靠性。

PC104總線；串口通信；綜合錄井儀

0 引言

錄井是伴隨油氣田勘探開發(fā)的需求和科技的不斷進步而逐步發(fā)展起來的為油田提供地質(zhì)信息的一門井筒技術(shù)[1]。綜合錄井技術(shù)包含監(jiān)測鉆井現(xiàn)場的氣測、地質(zhì)、鉆井工程各項技術(shù)參數(shù)，是在泥漿錄井技術(shù)應(yīng)用實踐中發(fā)展其來的。綜合錄井是石油勘探、開發(fā)中必須的重要檢測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)在鉆井過程中連續(xù)油氣檢測、顯示及實時評估等功能。

目前，錄井現(xiàn)場使用的大型綜合錄井儀存在成本太高、服務(wù)費用相應(yīng)巨大、不適合開發(fā)井等不足[2]。為此，針對生產(chǎn)井所需各項錄井參數(shù)設(shè)計出基于PC104總線的小型綜合錄井儀。更有利于實現(xiàn)綜合錄井儀的小型化、集成化、模塊化。尤其可使現(xiàn)場錄井人員避免以往綜合錄井儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝調(diào)試連接繁雜等缺點，還可以方便簡捷地擴展綜合錄井儀的功能，使其能夠更好地適應(yīng)錄井現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的各種特殊要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)項目所需開發(fā)周期短、可靠性強、準(zhǔn)確性高等要求，放棄了開發(fā)周期較長的單片機研發(fā)方式，而選用了基于PC104總線開發(fā)綜合錄井儀。

PC104是一種工業(yè)計算機總線標(biāo)準(zhǔn)。它具有以下主要特點：

1）小尺寸結(jié)構(gòu)：標(biāo)準(zhǔn)模塊尺寸是3.6×3.8英寸，即96×90 mm。

2）堆棧式連接：去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這種層疊封裝有極好的抗震性。

3）總線驅(qū)動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4 mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1～2 W能耗。

基于PC104總線的各種特點，以PC104總線為核心的錄井信號多路采集系統(tǒng)在理論和實際兩方面都是可行的。

在生產(chǎn)井的實際錄井中，所需采集的現(xiàn)場參數(shù)有以下幾種：泵沖1、2、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、液位1、2、3、4、5、進出口電導(dǎo)、進出口溫度、進出口密度、出口流量、立壓、套壓、扭矩、絞車等。這些信號大體上可分為模擬量和數(shù)字量兩種（還包括一些類似于絞車的特殊信號）。為了縮短開發(fā)周期，采用多路模數(shù)轉(zhuǎn)換采集卡PM525和多路計數(shù)采集卡PM539實現(xiàn)現(xiàn)場模擬量和數(shù)字量信號的采集。

然而，絞車類特殊信號需要經(jīng)過鑒相倍頻后，才可接入PM539計數(shù)采集卡進行計數(shù)和判斷方向等操作。另外，在現(xiàn)場的傳感器全部由信號采集系統(tǒng)供電，模擬量信號需要變成PM525所需的電壓信號，數(shù)字量信號也要經(jīng)過比較整形后才可供PM539使用?；诖耍O(shè)計了鑒相倍頻電路板和現(xiàn)場信號與PC104采集卡之間接口的電路板，綜合錄井儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。絞車信號經(jīng)過鑒相倍頻電路后，與其他六路數(shù)字量信號一起送到PM539計數(shù)采集卡，通過PC104總線傳輸?shù)絇C104主板上；16路模擬量信號經(jīng)過接口電路的調(diào)理由PM525采集卡A/D轉(zhuǎn)換后通過PC104總線傳輸?shù)絇C104主板上。

圖1 硬件機械結(jié)構(gòu)圖

所有錄井?dāng)?shù)據(jù)采集到下位機后，經(jīng)過自定義的一套通信協(xié)議無線傳輸?shù)缴衔粰C軟件中，最后對每種信號量具體換算，在上位機界面還原成具有實際意義的各路錄井?dāng)?shù)據(jù)信息，以圖像和數(shù)字的方式呈現(xiàn)在錄井人員的面前。其中，下位機到上位機使用無線電臺的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，可大大減少錄井人員的現(xiàn)場布線工作量。采用了美國MaxStream公司的XStreamRS-232/485無線數(shù)傳電臺，其電臺工作頻率為2.4 GHz，該頻段同時全球開放、使用簡單、傳輸距離遠、工作可靠。完全符合小型綜合錄井儀在現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

2 系統(tǒng)硬件

數(shù)據(jù)采集使用采集卡PM525和PM539。根據(jù)現(xiàn)場錄井信號的不同特點，設(shè)計相應(yīng)的絞車鑒相倍頻電路和信號接口電路，輔助針對兩種采集卡的程序控制，可完成小型錄井儀的采集傳輸功能。

2.1 絞車鑒相電路

絞車傳感器內(nèi)裝有兩只光電開關(guān)相位差為90°，當(dāng)遮光片隨絞車軸轉(zhuǎn)動時，分別阻斷、導(dǎo)通的光電開關(guān)間隙的紅外線，兩個光電開關(guān)隨著鐵片的插入和離去，而送出相差90°的信號，發(fā)出兩組電脈沖信號。所以必須對其兩組信號進行鑒相倍頻后才能正常地計數(shù)并判斷絞車轉(zhuǎn)動的方向，設(shè)計電路如圖2所示。

圖2 鑒相倍頻電路

其中絞車鑒相倍頻電路中的絞車信號由接口電路上經(jīng)過比較整形后引出。由接口板電路提供+5 V鑒相倍頻電路電源。A、B信號進入施密特觸發(fā)器與非門CD40106進行整形反相，分別產(chǎn)生整形后信號A、B、、然后進入雙精密單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器CD4538產(chǎn)生出相應(yīng)的下降沿觸發(fā)信號A-、B-，上升沿觸發(fā)信號A+、B+信號，將產(chǎn)生的信號接入到PLD器件中，通過VHDL硬件描述語言編寫達到四倍頻、鑒相、計數(shù)的效果（仿真如圖3所示，其中AA表示，BB表示，AU、BU分別表示A、B的上升沿信號，AD、BD分別表示A、B的下降沿信號，Z表示正向四倍頻信號，F(xiàn)表示反向四倍頻信號）。

圖3 鑒相倍頻仿真

2.2 信號接口板電路

由于現(xiàn)場模擬量信號輸出全部是0～20 mA電流信號，而PM525采集卡所需輸入采集信號是0～10 V的電壓信號。所以信號接口板應(yīng)對其進行相應(yīng)的信號變換；并且信號接口板還包括數(shù)字量信號的整形以及外部開關(guān)電源與內(nèi)部電路和各路傳感器的連接功能。具體設(shè)計如圖4所示。

圖4 接口板電路

其中，各路傳感器的電流信號通過精密電阻轉(zhuǎn)化為可供PM525使用的1～5 V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，再通過PM525采集卡對16路模擬量進行A/D采集。由于現(xiàn)場信號干擾較大，波形不穩(wěn)定，不能為PM539提供可計數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號，所以在信號接口板上使用LM358芯片來達到脈沖整形的作用。兩路特殊信號（絞車A、B信號）經(jīng)過整形后接入鑒相倍頻電路，后經(jīng)鑒相倍頻電路輸出正翻轉(zhuǎn)兩路信號再接回信號接口板電路，由信號接口板電路將計數(shù)信號匯總后一起送到PM539進行處理。最后，通過對兩種采集卡進行相應(yīng)的編程控制，將采集到的模擬量和數(shù)字量信號以PC104總線的方式傳輸?shù)絇C104主機中。

3 系統(tǒng)軟件

無線錄井監(jiān)控軟件是綜合錄井儀的重要組成部分。本項目的軟件設(shè)計包括下位機通信協(xié)議的研究和上位機數(shù)據(jù)接收軟件的開發(fā)兩個部分。

下位機使用Borland C編譯環(huán)境，在DOS下運行。采用查詢方式不斷判斷線路狀態(tài)寄存器（LSR）的狀態(tài)，當(dāng)其0位為1時，有數(shù)據(jù)到達串口。開始通過自定義的通信協(xié)議采集數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到上位機發(fā)送命令‘F’時，下位機通過上位機發(fā)送的字符串分解為需要采集的通道號和通道數(shù)，即開始采集數(shù)據(jù)。在每個采集的數(shù)字量或模擬量后面人為添加字符位‘E’，以便上位機軟件對傳輸數(shù)據(jù)進行校驗。當(dāng)下位機收到復(fù)位信號‘Z’時，重新等待上位機發(fā)送命令。最后收到結(jié)束信號‘S’后，結(jié)束程序，關(guān)機。簡要流程見圖5。

圖5 下位機軟件流程圖

下位機每次采樣，都將采樣數(shù)據(jù)存入到一個數(shù)組中，等待這一輪多路通道采樣結(jié)束后，將采樣數(shù)據(jù)一起發(fā)送到上位機進行處理，大大提高了電臺的使用效率。上位機軟件通過電臺接收到下位機傳送的數(shù)據(jù)后。對每路通道的數(shù)據(jù)進行分解，根據(jù)每路模擬量或數(shù)字量的具體實際意義進行計算。最后，將上位機數(shù)據(jù)接收和計算程序嵌入到油田廣泛使用的現(xiàn)場錄井軟件中，以實時曲線的方式顯示到用戶面前。

4 結(jié)語

實驗結(jié)果表明，本文所設(shè)計的基于PC104總線綜合錄井儀并輔以無線電臺的數(shù)據(jù)傳輸方式在準(zhǔn)確性和可靠性上完全符合錄井現(xiàn)場的需要。與其他錄井儀相比，它具有以下明顯的優(yōu)勢：（1）小型化、集成化、模塊化；（2）可靠性高，功耗低，產(chǎn)生熱量少。（3）數(shù)據(jù)傳輸速度高、傳輸距離遠、實時性強；（4）功能可擴展性強、現(xiàn)場接線方便。對于目前國內(nèi)錄井行業(yè)有著非常良好的應(yīng)用前景。

[1]李聯(lián)瑋. 錄井技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向[J].當(dāng)代石油石化，2006，9（14）：41-44.

[2]張衛(wèi)，姜浩，戴永壽. 綜合錄井儀的研制[J].微計算機信息，2003，19（7）：64-65.

[3]黃佑德. 石油錄井設(shè)備發(fā)展與展望[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012，33（16）：83-84.

[4]戴永壽，馬西庚，張衛(wèi). 基于現(xiàn)場總線的生產(chǎn)井錄井儀及其專家系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（1）：5-9.

[5]胡莉，黃玉清，劉德建. PC/104總線的應(yīng)用技術(shù)[J].兵工自動化，2004 ，23（2）：15-15 .

Design and development of integrated logging instrument based on PC104 bus

Xie Xiufei
（China National Offshore Oil Corporation）

Specific to the modern development trend of Integrated Logging Instrument (such as miniaturization, integration, modularization and so on), a solution based on PC104 bus is introduced. Multi-channel analog and digital of Real-Time Data Acquisition System at the scene base on PC104 bus, the hardware circuits and the software programs are put forward. According to experiment results, those designs have high veracity and reliability for Multi-channel Data Acquisition at Logging site.

PC104 bus; serial communication; integrated logging instruments