石油鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng)研制

駱學(xué)理,金藝,張易,楊曉光,蘇勇,王永超,陳冰鄧,賈登

(中國石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司,北京 102206)

為了實(shí)現(xiàn)對在役遠(yuǎn)程作業(yè)鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)有效監(jiān)控和設(shè)備故障發(fā)生預(yù)判斷,防止鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生重大事故影響正常鉆井生產(chǎn)作業(yè),不僅需要采集鉆井現(xiàn)場泥漿泵、絞車及配套電機(jī)、軸承、齒輪箱等設(shè)備的溫度、轉(zhuǎn)速、振動值等基本參數(shù),還需要采集分析振動加速度、速度、位移的波形頻譜,為更精確監(jiān)控關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),同時需要采集和分析關(guān)鍵軸具的軸心軌跡。

目前國內(nèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多為模塊化產(chǎn)品,功能單一、集成度低,無法滿足多類型參數(shù)同步采集分析需求。文獻(xiàn)[1]中通過以太網(wǎng)UDP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),將采集到的數(shù)據(jù)上傳到電腦端,對于現(xiàn)場設(shè)備分散、多點(diǎn)位監(jiān)測布線非常不便;文獻(xiàn)[2]中采用芯片內(nèi)部資源處理數(shù)據(jù),處理結(jié)果顯示到LCD屏幕上,不適合現(xiàn)場長時間在線監(jiān)測及預(yù)警使用;文獻(xiàn)[3]提出將壓縮算法融入到無線傳感技術(shù)中,目前壓縮算法并不成熟,且壓縮時間長,實(shí)時性差,無法滿足不同類型信號壓縮。國外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟,但是價格高,系統(tǒng)更新維護(hù)困難。因此,結(jié)合石油鉆井現(xiàn)場高溫、嚴(yán)寒、高電磁騷擾以及有線設(shè)備線纜鋪設(shè)不便等問題,設(shè)計(jì)了基于無線傳輸和多參數(shù)采集的石油鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由多信號采集系統(tǒng)和系統(tǒng)軟件組成,試驗(yàn)證明該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)同步性好,高低溫環(huán)境下穩(wěn)定性強(qiáng),采集精度高,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 多信號采集系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)振動、溫度、轉(zhuǎn)速、軸心軌跡等參數(shù)由模擬量到數(shù)字量的采集、轉(zhuǎn)換、編碼以及傳輸功能,主要由以STM32H750處理器為系統(tǒng)核心的主控單元、電源管理模塊、振動和溫度傳感器、傳感器激勵單元、模擬信號濾波單元、WiFi通信模塊、上位機(jī)軟件等組成。該系統(tǒng)在布置過程中,可視現(xiàn)場采集實(shí)際需要配接溫度傳感器、光電轉(zhuǎn)速傳感器、ICP加速度傳感器、電渦流傳感器,外接傳感器由激勵源供電,獲取被測對象產(chǎn)生的模擬信號,通過濾波電路、加速度/速度/位移轉(zhuǎn)化電路、抗混疊濾波器等電路對信號進(jìn)行濾波等處理,然后分別通過并行A/D模塊電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,由微處理器接收緩存并處理A/D模塊電路數(shù)據(jù),通過無線WiFi通信模塊傳輸至電腦上位機(jī)軟件進(jìn)行處理分析,由系統(tǒng)軟件進(jìn)行波形顯示、傅立葉變換(FFT)以及數(shù)據(jù)存儲等。系統(tǒng)軟件可以通過指令實(shí)現(xiàn)對采樣接口傳輸速率、A/D模塊的內(nèi)部抽樣率等控制。監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2 采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒流源驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

壓電式加速度傳感器內(nèi)置放大電路,但輸出信號仍非常微弱,需要再經(jīng)過放大和濾波才能得到可靠的信號。為了保證放大和濾波的穩(wěn)定性,提高傳感器的抗干擾能力,使用中需要由外部恒流源供電,有效信號疊加在供電電源線上輸出。傳感器工作輸入電壓在24 V,電流為4 mA,設(shè)計(jì)采用高精度恒流二極管,具備體積小、接線簡單、工作溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)[4],適用于多路信號同時采集使用。

2.2 抗混疊濾波器設(shè)計(jì)

為了防止采樣率不足造成的系統(tǒng)中不同信號發(fā)生混合,采用開關(guān)電容式抗混疊濾波芯片MAX291,設(shè)計(jì)了抗混疊低通濾波電路,MAX291芯片所需外部觸發(fā)時鐘由處理器主控單元提供。本設(shè)計(jì)兼顧了高頻與低頻信號采集,采樣頻率動態(tài)可調(diào),MAX291芯片時鐘采用微控制器輸出PWM方式控制[5],這樣在切換高頻和低頻信號采樣時,只需要根據(jù)不同的采樣頻率輸出不同的PWM信號即可。抗混疊濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 抗混疊濾波器結(jié)構(gòu)示意

2.3 A/D采樣電路設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中,模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是保證同步性、實(shí)時性的關(guān)鍵部件,選用AD7760,24位Σ-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,融合了高采樣速率、八通道同步、高輸入帶寬、高輸入電壓范圍等優(yōu)勢[6],高速采集時信噪比可達(dá)100 dB,完全適合該系統(tǒng)的要求。AD7760型轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)置基準(zhǔn)電壓緩沖器和內(nèi)置數(shù)字濾波功能,降低了對外部基準(zhǔn)電壓的要求,因此無需對外部基準(zhǔn)電壓、供電電源等做太多復(fù)雜濾波即可達(dá)到較高的采樣精度。同時,在信號輸入端做單端轉(zhuǎn)差分處理,降低了信號噪聲,提高了采樣精度,完全滿足該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

在A/D轉(zhuǎn)換前需要根據(jù)輸入模擬信號的電壓范圍和AD7760型轉(zhuǎn)換器輸入端口的輸入電平范圍確定輸入模擬信號的放大倍數(shù),在信號輸入端口須考慮去除噪聲,同時要防止引入其他噪聲。A/D采樣電路采集部分模擬電路和數(shù)字電路PCB需要分開布局,采用多層電路板,保證A/D采樣電路下面有完整的地平面;采用磁珠既保證模擬地和數(shù)字地為單點(diǎn)連接[7-9],又保證A/D采樣電路信號轉(zhuǎn)換避免受干擾失真,該設(shè)計(jì)也提高了采集設(shè)備在工業(yè)現(xiàn)場的電磁兼容性。

2.4 WiFi通信模塊

為減少現(xiàn)場布線,采集設(shè)備通信傳輸采取WiFi方式,WiFi模塊內(nèi)置TCP/UDP協(xié)議,同時具有PA放大功能,是一款支持IEEE 802.1b/g/n無線通信標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式無線通信模塊[10-11]。WiFi模塊與采集卡通信采用串口透傳,需要將WiFi模塊的 TXD,RXD,RESET管腳分別加到STM32H750微處理器的RXD,TXD上即可,通過主電源引腳為模塊供電,電源引腳并聯(lián)儲能電容100 μF和高頻濾波電容100 nF,從而提高無線通信的質(zhì)量。該模塊外接一個12 dB頻段2.4 GHz延長天線,經(jīng)戶外空曠環(huán)境下Ping包測試有效傳輸距離能達(dá)到150 m。

2.5 同步性測試

當(dāng)使用A/D采樣電路的多個通道采集數(shù)據(jù)時,需配置循環(huán)掃描模式,即多個通道按照配置的順序循環(huán)采集,相鄰?fù)ǖ篱g會存在一定的信號串?dāng)_,使得相鄰?fù)ǖ篱g不可避免地存在一定延遲,造成一定誤差,影響采集的同步性[12]。這些差異會增大后期信號處理的誤差,因此多通道數(shù)據(jù)采集的同步性是非常重要的問題。為了驗(yàn)證經(jīng)過配置后多個通道數(shù)據(jù)采集的同步性,該設(shè)計(jì)方案使用信號發(fā)生器作為信號源,對其發(fā)出的符合采集量程的方波信號進(jìn)行同步采集測試,經(jīng)過示波器驗(yàn)證,同步精度可以達(dá)到2.93 μs,遠(yuǎn)大于實(shí)際所需精度要求。

2.6 數(shù)據(jù)傳輸幀模塊

數(shù)據(jù)傳輸幀模塊將振動、溫度、電渦流及轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)按照同步采集數(shù)據(jù)幀格式打包,要求同一個包中各路數(shù)據(jù)的采集時刻是一致的。該系統(tǒng)需要用高采樣率采集各種波形,波形的采樣順序決定了數(shù)據(jù)上傳需要采用多幀分包結(jié)構(gòu),分包格式、數(shù)據(jù)壓縮算法、傳輸協(xié)議是保證大容量數(shù)據(jù)能夠及時、完整傳輸出去的關(guān)鍵。既要保證數(shù)據(jù)不丟失,又要降低采集數(shù)據(jù)的冗余度[13-14]。

2.7 硬件抗冷熱及電磁兼容設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)元器件采用工業(yè)級,溫度適應(yīng)范圍為-40～120 ℃,在生產(chǎn)階段對元器件進(jìn)行高低溫篩選,確保該系統(tǒng)在鉆井現(xiàn)場高溫、嚴(yán)寒環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行。傳感器以及系統(tǒng)電路采用有機(jī)硅灌封,使其具有優(yōu)秀的抗冷熱變化能力和導(dǎo)熱性能。電磁兼容性方面,傳感器與采集儀的傳輸線采用雙層屏蔽電纜傳輸信號,線纜兩端的屏蔽層接殼處理,線纜外部采用不銹鋼套管做進(jìn)一步的防護(hù),可以有效地防止外部干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)軟件是基于Visual Studio C#開發(fā),軟件參數(shù)設(shè)定方便快捷,實(shí)時動態(tài)顯示各種信號波形,數(shù)據(jù)查詢方便、快捷,數(shù)據(jù)分析方法全面、詳細(xì),響應(yīng)快[15]。該系統(tǒng)軟件由采集設(shè)備交互控制模塊、數(shù)據(jù)組態(tài)存儲查詢模塊、信號分析處理模塊以及設(shè)備在線監(jiān)測故障分析診斷模塊組成。

1)采集設(shè)備交互控制模塊。該部分與安裝在現(xiàn)場的采集設(shè)備實(shí)時通信,實(shí)現(xiàn)控制命令的下發(fā),以及數(shù)據(jù)回收的多幀拼接、解壓縮并還原為所需各種時域波形。

2)數(shù)據(jù)組態(tài)存儲查詢模塊。該模塊采用sqlite數(shù)據(jù)庫,涉及建表、插入、刪除、查詢等操作。首先建立設(shè)備樹管理現(xiàn)場安裝設(shè)備,再通過電子標(biāo)簽、二維碼等方式將現(xiàn)場設(shè)備測點(diǎn)與采集設(shè)備通道號關(guān)聯(lián),將采集的數(shù)據(jù)存入對應(yīng)的目錄。

3)信號分析處理模塊。包括數(shù)據(jù)的預(yù)處理和數(shù)據(jù)分析兩個部分。預(yù)處理部分主要解決初步數(shù)據(jù)的有效性問題,過濾傳感器損壞、線纜斷裂等特征數(shù)據(jù),降低無效數(shù)據(jù)進(jìn)入后續(xù)分析過程,并且剔除奇異點(diǎn)和消除趨勢項(xiàng)[16-17];數(shù)據(jù)分析部分包括數(shù)字濾波、包絡(luò)濾波等功能,首先根據(jù)不同設(shè)備類型選擇該設(shè)備分析所需高通低通濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波,過濾無效頻率成分,再根據(jù)轉(zhuǎn)速進(jìn)行特定包絡(luò)濾波,得到有效故障頻率成分。

4)設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷模塊。該模塊可以判斷分析設(shè)備故障,軟件對數(shù)據(jù)采集處理后可以得到時域波形圖和FFT的頻譜圖。

4 采集系統(tǒng)測試

4.1 性能測試

為驗(yàn)證該采集系統(tǒng)的性能,參照J(rèn)JG676—2019《測振儀檢定規(guī)程》[18],在溫度為25 ℃、濕度為50%的室溫環(huán)境下分別對采集系統(tǒng)加速度幅值頻率響應(yīng)、幅值線性度、頻率誤差等進(jìn)行檢定校準(zhǔn)。

4.1.1加速度幅值頻率響應(yīng)檢測

在振動采集儀頻率范圍內(nèi)均勻選取7個頻率點(diǎn),檢定其幅值頻率響應(yīng)。由標(biāo)準(zhǔn)振動臺給出在某一頻率下的振動幅值xr,讀取該系統(tǒng)的顯示值xi;改變標(biāo)準(zhǔn)振動臺輸出頻率,記錄不同頻率點(diǎn)下幅值測量示值,按公式(1)計(jì)算其幅值相對誤差,測試數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 加速度幅值頻率響應(yīng)

(1)

式中:δi——幅值頻率響應(yīng)相對誤差,%;xi——采集系統(tǒng)加速度、速度、位移幅值測量值,m/s2,mm/s,μm,i——加速度(a),速度(v),位移(A);xri——標(biāo)準(zhǔn)振動臺的加速度、速度、位移標(biāo)準(zhǔn)幅值,m/s2,mm/s,μm。

4.1.2幅值非線性度檢測

通過選取合適的參考頻率點(diǎn),在該頻率下,由標(biāo)準(zhǔn)振動臺給出6個均勻分布的振動幅值,記錄采集系統(tǒng)的測量示值,按公式(1)計(jì)算出每點(diǎn)的相對誤差,取最大值即為幅值非線性度。測試數(shù)據(jù)見表2～4所列。

表2 加速度幅值非線性度

表3 速度幅值非線性度

表4 位移幅值非線性度

4.1.3頻率誤差檢測

在采集系統(tǒng)的測量范圍內(nèi),選取7個頻率點(diǎn),由標(biāo)準(zhǔn)振動臺給出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率,記錄不同頻率下采集系統(tǒng)的頻率測量值,按公式(2)計(jì)算頻率誤差,見表5所列。

表5 振動頻率測試數(shù)據(jù)

頻率誤差計(jì)算公式為

(2)

式中:δf——頻率誤差,%;fi——采集系統(tǒng)實(shí)測值,Hz;fr——標(biāo)準(zhǔn)振動臺的頻率的標(biāo)準(zhǔn)值,Hz。

測試結(jié)果表明,在室溫條件下,系統(tǒng)加速度幅值頻率響應(yīng)誤差為1%,幅值非線性度誤差1.8%,頻率誤差為0.2%,均優(yōu)于國標(biāo)要求。

4.2 溫濕度穩(wěn)定性測試

中國新疆地區(qū)石油鉆井現(xiàn)場夏季的氣溫可能會超過40 ℃,而冬季的氣溫則可能降至-20 ℃左右。根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的要求,利用恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬鉆井現(xiàn)場極端溫度、濕度環(huán)境,測試該系統(tǒng)的穩(wěn)定性,具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:

1)振動采集儀安裝于恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)擱架中間,標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)安裝于標(biāo)準(zhǔn)振動臺臺面,傳感器的輸出電纜通過試驗(yàn)機(jī)的過線孔與振動采集儀連接,設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)振動臺輸出頻率,xr設(shè)為10 m/s2。

2)調(diào)整恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)溫濕度,記錄采集系統(tǒng)的幅值測量示值,按式(1)計(jì)算其幅值相對誤差,部分測試數(shù)據(jù)見表6所列。

表6 不同溫度、濕度條件下幅值頻率響應(yīng)

試驗(yàn)結(jié)果表明,該采集系統(tǒng)在-30～50 ℃環(huán)境條件下,幅值頻率響應(yīng)誤差不大于5%,工作穩(wěn)定可靠,測試結(jié)果符合國標(biāo)要求。

4.3 抗擾度測試

采集系統(tǒng)應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場絞車、泥漿泵的狀態(tài)監(jiān)測,需要對鉆井現(xiàn)場環(huán)境中存在的電磁騷擾具有較強(qiáng)的抗擾度,為測試數(shù)據(jù)采集儀的電磁兼容性,在電磁兼容實(shí)驗(yàn)室內(nèi),依據(jù)文獻(xiàn)[20]要求,分別對數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電涌(沖擊)抗擾度三方面進(jìn)行測試。

4.3.1靜電放電抗擾度試驗(yàn)

將待測數(shù)據(jù)采集儀放置于接地參考平面上高0.8 m的非導(dǎo)電桌上,桌面上的水平耦合板尺寸為1.6 m×0.8 m,并用絕緣支撐將采集儀和電纜與耦合板隔離,利用靜電放電測試儀分別對待測采集儀進(jìn)行空氣放電和接觸放電,靜電放電抗擾度測試及結(jié)論見表7所列。

表7 靜電放電抗擾度測試及結(jié)論

4.3.2電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)

將待測數(shù)據(jù)采集儀與脈沖群發(fā)生器正確連接,放置于接地參考平面上,按如下要求進(jìn)行試驗(yàn),測性能判定為優(yōu),滿足設(shè)計(jì)要求: 重復(fù)頻率為5 kHz;上升時間為5 ns,持續(xù)時間為50 ns;試驗(yàn)等級為±1.0 kV;采用電源端口作為試驗(yàn)端口;試驗(yàn)時間1 min。

4.3.3電涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)

將待測數(shù)據(jù)采集儀放置于試驗(yàn)臺面上與三相電涌發(fā)生器正確連接,按如下要求進(jìn)行試驗(yàn),測試性能判定為優(yōu),滿足設(shè)計(jì)要求: 正負(fù)極性各5次,間隔時間為1 min,開路電壓前沿/脈寬為1.2/50 μs,試驗(yàn)等級為差模為±1.0 kV,試驗(yàn)等級為共模為±2.0 kV,將電源端口作為試驗(yàn)端口。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該系統(tǒng)性能,2021年10月至2022年3月在新疆某鉆井現(xiàn)場對該系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。根據(jù)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的設(shè)備振動烈度閾值,結(jié)合振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的趨勢分析,鉆井泵、絞車設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)均未超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的報警閾值?，F(xiàn)場試驗(yàn)證明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,測量準(zhǔn)確。

6 結(jié)束語

本文研究了1套石油鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測與診斷系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對鉆機(jī)關(guān)鍵設(shè)備的振動、溫度、轉(zhuǎn)速、軸心軌跡等參數(shù)的同步采集以及無線傳輸,與國內(nèi)市場上同類產(chǎn)品相比,該系統(tǒng)具有無線采集與傳輸、高精度數(shù)據(jù)采集、較強(qiáng)的抗干擾能力、實(shí)時監(jiān)測與診斷等優(yōu)勢;與國外市場上同類產(chǎn)品相比,該系統(tǒng)性價比更高。目前,該系統(tǒng)已應(yīng)用于新疆、長慶油田鉆井現(xiàn)場,下一步將從豐富采集軟件功能著手,利用采集到的數(shù)據(jù)同鉆井現(xiàn)場維修記錄相結(jié)合,逐步形成個性化診斷標(biāo)注庫,根據(jù)鉆井泵與絞車運(yùn)行時間和監(jiān)測數(shù)據(jù),最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時、動態(tài)更新的診斷標(biāo)準(zhǔn)庫。