基于Labview的鉆孔鉆探參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

朱珺

（湖北廣播電視大學(xué)電信工程學(xué)院，湖北武漢430070）

地質(zhì)鉆孔鉆探過程中會涉及到眾多數(shù)據(jù)參數(shù)，這些參數(shù)實時反映出鉆機的運行狀態(tài)和鉆探成果，技術(shù)人員需要實時、準(zhǔn)確地獲得鉆探的數(shù)據(jù)參數(shù)，通過分析、計算這些數(shù)據(jù)來了解工程的情況，以優(yōu)化施工方案、預(yù)防和排除事故隱患、解決復(fù)雜問題，因此鉆探參數(shù)的實時傳輸監(jiān)控非常必要[1]。

目前鉆孔鉆探現(xiàn)場用電線將傳感器與控制器連接，電線雜亂排列，現(xiàn)場非常凌亂，易受到施工過程中或人員的無意破壞，直接影響鉆井作業(yè)，給鉆探工作帶來不便[2]。大型鉆場同時分布了多個鉆孔，這些鉆孔鉆探巖性大多是相關(guān)的，現(xiàn)在采用單鉆孔分別記錄的方式，鉆探數(shù)據(jù)是孤立的，不利于整個鉆場的數(shù)據(jù)聯(lián)合反演，并且外地的專家不能及時得到資料而不能進行指導(dǎo)。因此建立現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理一體化的鉆探參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)勢在必行，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將現(xiàn)場傳感器無線連接起來，結(jié)合移動通信技術(shù)，采集到數(shù)據(jù)實時發(fā)送給數(shù)據(jù)中心和專家終端，構(gòu)建一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的鉆孔鉆探參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)平臺。

1 總體設(shè)計

鉆孔鉆探參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)是一個復(fù)雜的參數(shù)采集、傳輸、處理以及控制系統(tǒng)，其主要包括3個部分：1）鉆井現(xiàn)場鉆探參數(shù)的無線采集終端，起到收集眾多分算數(shù)據(jù)的目的，終端數(shù)量可以根據(jù)鉆場情況增減；2）現(xiàn)場指揮中心的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸以及顯示，現(xiàn)場工程師可以根據(jù)實時顯示的參數(shù)數(shù)據(jù)，第一時間處理不合理的鉆探操作；3）外地數(shù)據(jù)中心的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)無線傳輸以及實時顯示，外地專家調(diào)取數(shù)據(jù)中心的實時數(shù)據(jù)，可以同時對整個鉆場的多個鉆孔參數(shù)聯(lián)合反演，給出頂層的操作建議。本文設(shè)計的系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了以上3個部分的內(nèi)容，圖1是系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片CC2630介紹

主控芯片采用TI公司的CC2630，其是符合Zigbee協(xié)議的低功耗芯片，采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有20 kB數(shù)據(jù)存儲器和128 kB程序存儲器以及8 kB的數(shù)據(jù)緩存，外圍資源豐富，具有8通道200 ksps采樣率的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，本系統(tǒng)利用其中3個通道分別采集鉆井液入口溫度、出口溫度和鉆井液密度，具有4個32位定時器，利用其采集鉆機轉(zhuǎn)速，還利用其UART和SPI接口以及高達31個GPIO與其它外圍電路通信，CC2630芯片功耗低，3種不同的封裝以及寬電壓范圍可以在不同的應(yīng)用環(huán)境中使用。

2.2 鉆孔現(xiàn)場鉆探參數(shù)采集

鉆孔現(xiàn)場鉆探參數(shù)采集部分由8個Zigbee節(jié)點終端組成[3-5]，根據(jù)需要，節(jié)點數(shù)量還可以增加，以VQFN32封裝的CC2630作為節(jié)點模塊的控制核心[6]，從鉆機上讀取鉆孔深度、鉆壓、扭矩等數(shù)據(jù)，用PT100采集鉆井液入口溫度或出口溫度，用CC2630自帶的ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣率設(shè)置為1 ksps；用磁感應(yīng)非接觸式霍爾傳感器采集鉆機轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，安裝時傳感器面距離磁珠轉(zhuǎn)盤面3 mm左右，保證信號完好的同時又不影響機械轉(zhuǎn)動，由于霍爾傳感器電路是集電極開路的，需要2 kΩ的上拉電阻；鉆井液密度采集采用中南大學(xué)電子設(shè)備廠生產(chǎn)的一體化結(jié)構(gòu)的傳感器，測量精度0.005 g/cm3，12VDC供電，4～20 mA電流輸出，利用運算放大器TL081CP把電流信號轉(zhuǎn)化為0.4～2 V的電壓信號，利用CC2630自帶的ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳輸，在轉(zhuǎn)換電路的前端采用0.1%精度的100 Ω金屬膜電阻，為了防止干擾，在輸入電路上并接0.01 uF瓷片濾波電容，并用2只IN4148構(gòu)成電壓保護電路，在使用中發(fā)現(xiàn)鉆井液密度傳感器的零點電流有誤差，在3.7～4.2 mA之間偏移，需要加入零點偏移校準(zhǔn)電路，保證每個鉆孔采集的鉆井液密度是準(zhǔn)確的，具有可比性和可參考性。

每個Zigbee節(jié)點采用2節(jié)3 500 mAh的18 650鋰電池作為供電電源[7-9]，滿載電壓8.4 V，持續(xù)工作電壓不低于7.2 V，由于節(jié)點終端要連續(xù)長時間穩(wěn)定工作，電源使用效率和紋波等級是關(guān)鍵因素，本系統(tǒng)節(jié)點終端中采用LINEAR公司的LTC3256作為電源轉(zhuǎn)換器，其輸入電壓范圍是5.5 V到38 V，能提供最大2.8 W功耗降幅的固定的5 V/100 mA和3.3 V/250 mA輸出，轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)熱量低，電路原理圖如圖2所示。實際使用表明LTC3256電壓轉(zhuǎn)換模塊能夠滿足每個節(jié)點的要求，以功耗最大的鉆井液密度采集節(jié)點為例，實測其5 V耗電電流是39 mA，3.3 V耗電電流是67 mA，節(jié)點模塊連續(xù)運行穩(wěn)定且只有微熱。

2.3 現(xiàn)場指揮中心無線監(jiān)控

鉆孔現(xiàn)場指揮中心監(jiān)控系統(tǒng)以VQFN48封裝的CC2630作為主控制器[10]，通過Zigbee協(xié)議和節(jié)點終端交互數(shù)據(jù)[11-15]，將8個節(jié)點終端采集的數(shù)據(jù)匯總成一個60字節(jié)的數(shù)據(jù)包，加上16字節(jié)的日期時間等信息，構(gòu)成76字節(jié)的鉆探參數(shù)幀數(shù)據(jù)包。時鐘芯片采用高精度的DS3231芯片，3.3 V電壓供電，可實時產(chǎn)生秒、分、時、日、月、年等信息，與CC2630采用IIC接口通信，地址默認(rèn)為0x57，實測每周的誤差約2秒，在可接受范圍之內(nèi)。幀數(shù)據(jù)需要在鉆孔現(xiàn)場存儲并顯示，以便現(xiàn)場工程師分析數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用900 nit亮度可陽光下可視的5.6寸DMT64480S056屏幕顯示數(shù)據(jù)，其與CC2630串行接口通信，顯示屏是工業(yè)級的，實驗測試在零下20攝氏度的北方雪地環(huán)境和高達50攝氏度的沙漠環(huán)境下都能長期穩(wěn)定運行。數(shù)據(jù)存儲部分如圖3所示，采用M25P128存儲數(shù)據(jù)，其存儲容量是16 M字節(jié)，按每3秒存儲1幀，每幀鉆孔參數(shù)數(shù)據(jù)76字節(jié)計算，整個存儲器可以存儲175.4小時的數(shù)據(jù)，能滿足實際的需求，其與CC2630采用SPI接口連接通信。

圖2 電源轉(zhuǎn)換器LTC3256原理圖

圖3 數(shù)據(jù)存儲電路原理圖

2.4 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心無線監(jiān)控

鉆孔現(xiàn)場采集的鉆探參數(shù)需要實時傳輸給遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心，供外地有權(quán)限的專家和工程師查看，需要遠(yuǎn)程傳輸?shù)挠行с@探參數(shù)是76字節(jié)（包括頭字節(jié)和校驗字節(jié)），每3秒刷新1次，遠(yuǎn)程無線模塊采用華為MG301通信模塊，其與CC2630串行接口通信，由于CC2630的唯一串口被LCD占用，故利用其第17和18的GPIO引腳模擬串口協(xié)議通信，1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，波特率9 600，部分傳輸程序如下所示：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

鉆孔鉆探參數(shù)通過無線方式實時傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，鉆孔負(fù)責(zé)人和分布在全球的各地鉆探專家可以通過連接在Internet網(wǎng)上的計算機訪問鉆井?dāng)?shù)據(jù)服務(wù)器，能及時的獲取鉆井鉆探數(shù)據(jù)，通過分析這些數(shù)據(jù)實時的了解鉆進的進展，為判斷設(shè)計是否合理、以后的工作方案是否需要優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支持，同時大大減少事故隱患[16]?；贚abview實現(xiàn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心實時監(jiān)控系統(tǒng)軟件中顯示部分的程序圖主要有3部分構(gòu)成[17-18]，下面分別詳細(xì)介紹。

第一部分是接受Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)，首先，打開UDP函數(shù)，本系統(tǒng)采用的端點號是9 798，此端點號不是我們常用端點，保證數(shù)據(jù)的唯一性，然后啟動讀取UDP數(shù)據(jù)函數(shù)，從UDP端口讀取數(shù)據(jù)并在數(shù)據(jù)輸出中返回結(jié)果，數(shù)據(jù)包是我們自定義的長度為76字節(jié)的數(shù)據(jù)，包括鉆探參數(shù)、時間信息和鉆孔號等內(nèi)容，由于鉆孔現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸裝置的發(fā)射心跳時間是間隔1 000毫秒發(fā)送一次，此處的最大超時時間設(shè)定是2 000毫秒，具體實現(xiàn)程序如圖4所示。

圖4 UDP接收數(shù)據(jù)程序圖

第二部分程序的作用是轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式，UDP函數(shù)傳輸過來的數(shù)據(jù)是字符串格式，要對數(shù)據(jù)進行處理前必須轉(zhuǎn)換成數(shù)值類型，圖5所示程序的功能有兩個，左邊f(xié)or循環(huán)框作用是把60字節(jié)長的監(jiān)控數(shù)據(jù)字符串轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)值，右邊f(xié)or循環(huán)框作用是把數(shù)據(jù)分成10組，每組6字節(jié)，按照自定義協(xié)議恢復(fù)出每個鉆探參數(shù)的數(shù)值，數(shù)值由6位數(shù)構(gòu)成，精確到小數(shù)點后2位。此數(shù)值還被處理程序調(diào)用，用曲線的方式顯示，以便分析單個鉆探參數(shù)的時間變化曲線。

圖5 處理監(jiān)控數(shù)據(jù)程序圖

第三部分程序的作用是顯示。如圖6所示，鉆孔鉆探參數(shù)在一個界面中同時顯示。

圖6 鉆孔鉆探參數(shù)顯示程序圖

4 監(jiān)控系統(tǒng)測試

圖7是本文研制的鉆孔現(xiàn)場指揮中心監(jiān)控系統(tǒng)儀器實物圖，儀器面板中包括控制鍵盤、顯示LCD、電源接頭、GPS天線、3根數(shù)據(jù)傳輸天線，同時儀器面板上還裝配了一個19芯接頭，目的是為了跟以前的電纜系統(tǒng)對接，可以最優(yōu)化最經(jīng)濟改造現(xiàn)有的鉆機系統(tǒng)。儀器經(jīng)過了多次模擬環(huán)境測試和江漢石油油田現(xiàn)場測試，運行穩(wěn)定。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)儀器實物圖

圖8是在江漢石油油田現(xiàn)場測試的其中一楨鉆孔鉆探參數(shù)，現(xiàn)場采集到的地面和井下鉆探參數(shù)實時顯示在儀器LCD屏幕上和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心服務(wù)器屏幕上，顯示的鉆探數(shù)據(jù)包括鉆孔深度、鉆井壓力、泵壓力、扭矩、鉆速、轉(zhuǎn)速、出口流量、入口流量、出口溫度、液面高度、鉆井液密度等。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件顯示界面

表1 其中一幀鉆孔鉆探參數(shù)

5 結(jié) 論

鉆孔鉆探參數(shù)無線監(jiān)控系統(tǒng)采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代移動通信技術(shù)，通過無線的方式對鉆孔現(xiàn)場分算的鉆探數(shù)據(jù)進行采集、處理和傳輸，使鉆探參數(shù)能同時實時的顯示在鉆孔現(xiàn)場工程師和遠(yuǎn)程專家的面前，及時處理鉆孔鉆進過程中出現(xiàn)的問題，提高了決策的機動性，改變了傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)的工作方式，提高了工作效率，并且有利于同一鉆場不同鉆孔之間的聯(lián)合反演解釋，特別對于大型的石油鉆場有明顯的優(yōu)勢。監(jiān)控系統(tǒng)進行了多次現(xiàn)場實驗，實驗結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計的合理性，系統(tǒng)實用性高，性能穩(wěn)定，具有良好的市場應(yīng)用前景。

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