基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花震源電力參數(shù)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王中原，羅明璋 (長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

王軍民 (長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100)

羅充 (長(zhǎng)江大學(xué)管理學(xué)院，湖北 荊州 434023)

譚來(lái)軍 (中國(guó)石油集團(tuán)測(cè)井有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

目前，電火花震源已經(jīng)逐步在石油勘探領(lǐng)域取代炸藥震源，這主要是由于炸藥本身極其危險(xiǎn)，監(jiān)管上需保證炸藥的安全運(yùn)輸和存放，使用時(shí)需要專(zhuān)業(yè)的爆破人員，監(jiān)管成本和使用成本都非常高；而且在實(shí)際使用時(shí)炸藥的地域局限性較高，激發(fā)效果難以控制，不能使各次激發(fā)達(dá)到一致性，無(wú)法控制地震脈沖的頻率。而電火花震源卻彌補(bǔ)了炸藥震源的這些缺點(diǎn)，電火花震源是一種綠色環(huán)保的人工可控震源，其激發(fā)能量可控，激發(fā)效果具有很好的一致性和精確的同步觸發(fā)時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于施工環(huán)境惡劣的地方。電火花震源最早由西方國(guó)家研制設(shè)計(jì)，1957年阿爾卑斯地球物理公司研制了世界第一臺(tái)電火花震源系統(tǒng)；20世紀(jì)60～70年代，美國(guó)開(kāi)始研制陸地和海洋電火花震源，1966年Miller取得了陸地電火花震源的專(zhuān)利，Wayna等取得了海洋電火花震源的專(zhuān)利，1973年Barbier發(fā)表海洋勘探用的編碼電火花震源[1]。國(guó)內(nèi)電火花震源起步較晚，20世紀(jì)80～90年代中國(guó)科學(xué)院電工所與中國(guó)石油天然氣總公司大港油田物探處合作，成功研制了陸地油氣勘探用車(chē)載電火花震源；2004年國(guó)家海洋局第一海洋研究所成功設(shè)計(jì)了一種智能控制復(fù)合相干電火花震源裝置[2]。近10年來(lái)，長(zhǎng)大物探科技有限公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)不懈努力，成功研制出CD-2便攜式電火花震源，該震源攜帶方便，工作穩(wěn)定，獲取的地震資料效果好。目前，國(guó)內(nèi)電火花震源廠(chǎng)商都在謀求電火花震源設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)對(duì)電火花震源的控制也僅僅是開(kāi)環(huán)控制。長(zhǎng)大物探科技有限公司在自身設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上首次提出將電火花震源與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合，形成能夠閉環(huán)控制和接入互聯(lián)網(wǎng)的電火花震源產(chǎn)品，將電火花震源工作的狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄并上傳到云端，這些數(shù)據(jù)可為技術(shù)人員遠(yuǎn)程分析電火花震源設(shè)備狀態(tài)的好壞提供依據(jù)，對(duì)可能出現(xiàn)的故障提前做出判斷，對(duì)設(shè)備及時(shí)進(jìn)行保養(yǎng)，可進(jìn)一步提高電火花震源設(shè)備的穩(wěn)定與安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花震源進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。電火花震源的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)有多種，其中比較重要的就是相關(guān)的電力參數(shù)數(shù)據(jù)。下面，筆者針對(duì)電火花震源電力參數(shù)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)。

1 電火花震源的基本原理

電火花震源是利用放電電極在液體中放電而將儲(chǔ)存在高壓電容器中的電能轉(zhuǎn)換成脈沖壓力波的能量

圖1 電火花震源原理示意圖

轉(zhuǎn)換裝置，圖1是電火花震源的基本原理示意圖。其中，Us是震源充電系統(tǒng)，充電時(shí)開(kāi)關(guān)S1閉合，開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)，充電系統(tǒng)對(duì)電容C充電；充電完成后，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2閉合，電容C通過(guò)放電電極瞬間放電，將電極周?chē)乃婋x氣化，電能轉(zhuǎn)換成地震波能量、部分熱能和光能。CD-2電火花震源采用變頻變壓的工作方式，通過(guò)改變變頻器的工作頻率來(lái)控制輸出電壓的大小，進(jìn)而改變電容器兩端的電壓值，實(shí)現(xiàn)充電的過(guò)程。

2 電火花震源電力參數(shù)的實(shí)時(shí)記錄需求分析

長(zhǎng)江大學(xué)研制的CD-2電火花震源的原理如圖2所示，系統(tǒng)針對(duì)其參數(shù)記錄需求設(shè)計(jì)，CD-2電火花震源采用變頻變壓的工作方式來(lái)完成充電過(guò)程，充電時(shí)間一般在30s左右。因此，設(shè)計(jì)所要考慮的第1個(gè)參數(shù)便是充電過(guò)程中充電電流大小的變化。通過(guò)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控充電電流大小的變化來(lái)判斷充電過(guò)程是否正常，一旦有異常出現(xiàn)，如充電電流突然增大，則保護(hù)電路中保險(xiǎn)絲將會(huì)熔斷，使整套系統(tǒng)停止工作，避免過(guò)大的電流燒壞其他模塊。系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄電流變化的過(guò)程，同時(shí)也會(huì)給出充電電流過(guò)大的提示。在對(duì)電容充電過(guò)程中，電容兩端的電壓不斷增加，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電容兩端的電壓值變化來(lái)觀(guān)察充電過(guò)程中電壓的變化情況，防止對(duì)電容過(guò)度充電。同時(shí)變頻器輸出電壓的頻率不斷增加，為了動(dòng)態(tài)了解變頻器工作頻率的變化情況，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變頻器的工作頻率。以上所有的數(shù)據(jù)都會(huì)保存到本地的SD卡中，同時(shí)會(huì)通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端。

圖2 CD-2電火花震源原理圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 電火花震源電力參數(shù)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)框圖

圖3是電火花震源電力參數(shù)實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由電壓/電流采集模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊、變頻器工作頻率測(cè)量模塊、儲(chǔ)能電壓測(cè)量模塊、WiFi傳輸模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端組成。整個(gè)底層系統(tǒng)以STM32F407作為主控制器。電火花震源所測(cè)的電流和電壓均為大電流、高電壓，為了保證整個(gè)系統(tǒng)可以安全穩(wěn)定的運(yùn)行，故該部分采用工業(yè)級(jí)的電流電壓測(cè)量模塊[3]，通過(guò)串口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換；頻率測(cè)量部分則直接采用變頻器預(yù)留的頻率輸出口，其頻率輸出口輸出的是電壓，該電壓值與頻率呈現(xiàn)線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)AD采集和相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得頻率值[4]；儲(chǔ)能電壓測(cè)量模塊實(shí)時(shí)測(cè)量電容器兩端的電壓；由于MCU自帶的存儲(chǔ)空間有限，選用SD卡存儲(chǔ)電流、電壓和頻率數(shù)據(jù)。

所有的數(shù)據(jù)均通過(guò)WiFi傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端上。WiFi是實(shí)現(xiàn)電火花震源與其他智能終端互聯(lián)的重要媒介。在眾多的無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)中，WiFi是最適合物聯(lián)網(wǎng)連接的技術(shù)，可以作為物聯(lián)網(wǎng)的粘合劑連接更多設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物物相連，物品和物品之間可以進(jìn)行信息交換和通信。電火花震源借助WiFi實(shí)現(xiàn)了與遠(yuǎn)程監(jiān)控終端如智能手機(jī)進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換，手機(jī)通過(guò)APP客戶(hù)端可以控制電火花震源的充放電過(guò)程，并查看電火花震源的狀態(tài)信息。

4 各模塊功能實(shí)現(xiàn)

4.1 儲(chǔ)能電壓測(cè)量模塊

儲(chǔ)能電壓是高壓電容器兩端的電壓，高壓電容器的最高耐壓可達(dá)10000V。該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)充電電壓的測(cè)量，并實(shí)時(shí)上傳給主控模塊(STM32F407)。高壓的測(cè)量選用OWON系列的高壓測(cè)量模塊，采用電阻分壓的方式使測(cè)量的電壓范圍在0～10V。為測(cè)量的安全性考慮，高壓測(cè)量模塊與主控模塊(STM32F407)采用藍(lán)牙方式，實(shí)現(xiàn)了高壓測(cè)量與通信傳輸?shù)挠行Ц綦x。

4.2 電壓/電流采集模塊

電火花震源在正常工作時(shí)的輸入電壓為220V，輸入電流為2～3A。鑒于這種高電壓、大電流的情況，設(shè)計(jì)直接采用工業(yè)級(jí)的電壓/電流采集模塊。該模塊自帶串口通信接口，可直接與單片機(jī)相連。在硬件上連接完成后，單片機(jī)直接發(fā)送命令，便可獲得對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。該模塊命令的種類(lèi)有6種，即可以獲得6種參數(shù)，設(shè)計(jì)只需要獲得其中的電壓和電流數(shù)據(jù)即可。

4.3 變頻器工作頻率測(cè)量模塊

頻率信號(hào)源由變頻器提供，變頻器的控制回路端子提供頻率輸出的接口，該輸出接口輸出的是模擬電壓，與頻率呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)AD采集和相關(guān)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，可獲得對(duì)應(yīng)的頻率值。AD采集使用MCU內(nèi)部自帶的AD模塊[5]，12位的分辨率，參考電壓Vref=3.3V。變頻器輸出的模擬電壓其幅值可調(diào)，默認(rèn)增益為100%，輸出電壓為0～10V，對(duì)應(yīng)頻率為0～400Hz。根據(jù)AD模塊的參考電壓，增益設(shè)為33%，則輸出電壓為0～3.3V，AD模塊可采集到的頻率范圍為0～400Hz。最終可得頻率f與輸出電壓V的數(shù)量關(guān)系為：

f=132V

變頻器模擬電壓輸出端子的輸出阻抗為100kΩ，根據(jù)STM32F407單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，AD模塊的最大外部輸入阻抗為500kΩ，為了準(zhǔn)確的檢測(cè)到模擬電壓值，在變頻器和AD模塊之間加一個(gè)電壓跟隨器。同時(shí)，電壓跟隨器也起到了阻抗匹配作用，同時(shí)也增加了整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力。

4.4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸(SD卡存儲(chǔ))模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)采用SD卡，SD卡工作在2.7～3.6V電壓下，其工作模式有SPI模式和SD模式[6]，主機(jī)可以選擇任意一種模式同SD卡通信。SD模式允許4線(xiàn)的高速數(shù)據(jù)傳輸，SPI模式允許簡(jiǎn)單的通過(guò)SPI接口與SD卡進(jìn)行通信。這種模式同SD模式相比，速度較慢[7]。STM32F407單片機(jī)具備SPI接口和SD接口，2種模式均可以使用，設(shè)計(jì)采用速度較快的SD模式。傳輸模塊負(fù)責(zé)將獲取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控終端，以便終端可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，遠(yuǎn)程終端通過(guò)WiFi與底層系統(tǒng)建立聯(lián)系，并通過(guò)WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。設(shè)計(jì)所使用的WiFi模塊是較為常見(jiàn)的串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，可通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行連接，硬件實(shí)現(xiàn)上比較簡(jiǎn)單和方便。模塊型號(hào)為HLK-RM04，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)串口、以太網(wǎng)和WiFi 3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)WiFi的傳輸速率最高可達(dá)到500kbps。模塊可通過(guò)WiFi網(wǎng)頁(yè)配置或串口A(yíng)T指令對(duì)模塊的參數(shù)進(jìn)行修改和配置。模塊工作在A(yíng)P模式(接入點(diǎn)模式)，WiFi設(shè)備連接到模塊，成為WiFi局域網(wǎng)下的設(shè)備。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端連接到WiFi模塊后，便可以與電火花震源進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)上的交換，實(shí)現(xiàn)控制電火花震源的功能和實(shí)時(shí)監(jiān)控電火花震源的工作狀態(tài)。

5 試驗(yàn)與調(diào)試

圖4 終端顯示界面

為了避免受到干擾，將實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)裝上金屬屏蔽罩接入現(xiàn)有的電火花震源系統(tǒng)中，具體來(lái)說(shuō)是安裝在電火花震源控制箱中，圖4是終端顯示界面。左側(cè)曲線(xiàn)分別表示電火花震源供電電壓、單次充電電流、單次充電頻率和單次充電電壓的變化趨勢(shì)。正常情況下供電電壓穩(wěn)定在220V左右，設(shè)備以恒流的方式充電，充電頻率與充電電壓的變化趨勢(shì)基本一致。為此需要對(duì)這3個(gè)參數(shù)做定量分析，結(jié)果如表1所示。表1中設(shè)定值是指設(shè)備正常工作時(shí)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)大小，平均值是指實(shí)際工作時(shí)獲得的各項(xiàng)參數(shù)的大小，標(biāo)準(zhǔn)差反映了數(shù)據(jù)偏離真實(shí)值的程度。

表1參數(shù)變化趨勢(shì)反映了電火花震源正常工作時(shí)的情況，供電電壓正常，充電電流在合理的范圍內(nèi)波動(dòng)。隨著頻率的增加，充

表1 參數(shù)指標(biāo)

注：充電電壓/充電頻率代表同一時(shí)刻兩者的比值。

電電壓穩(wěn)步上升。當(dāng)電火花震源出現(xiàn)異常時(shí)，如充電過(guò)程出現(xiàn)掉相的故障時(shí)，充電電壓的增長(zhǎng)會(huì)很快，反映在終端上就是充電電壓曲線(xiàn)的斜率會(huì)很大，從而實(shí)現(xiàn)快速定位故障的功能。界面右側(cè)是對(duì)電火花震源進(jìn)行充放電的控制按鈕和相關(guān)狀態(tài)的顯示，控制按鈕包括充電、放電和暫停，狀態(tài)顯示包括電火花震源與遠(yuǎn)程控制終端的連接狀態(tài)，以及電火花震源當(dāng)前所處的狀態(tài)(正在充電狀態(tài)、已暫停狀態(tài)和放電結(jié)束狀態(tài))和充電電壓值的實(shí)時(shí)顯示。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)電火花震源設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的電火花震源電力參數(shù)記錄系統(tǒng)，可對(duì)電火花震源充放電過(guò)程的電力參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有2個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，一是采用物聯(lián)網(wǎng)的思想，讓傳統(tǒng)的電火花震源設(shè)備具備互聯(lián)互通的功能，可以與當(dāng)前的智能終端進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信；二是對(duì)電火花震源的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，有利于系統(tǒng)的故障診斷，實(shí)現(xiàn)故障的快速定位。因此，該系統(tǒng)具有較大的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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