研究與開發(fā)鉆參儀

1、前言第 1 頁（共 54 頁）前言前言一、課題研究背景一、課題研究背景 石油鉆探的高投入和高風險以及發(fā)生工程事故帶來的嚴重后果已引起石油鉆探工作者的廣泛關注, 隨著勘探區(qū)域的不斷擴大和難度的增大, 風險越來越高, 同時人們的安全意識也不斷提高。因此, 鉆井參數(shù)儀的應用越來越普遍。 本課題針對鉆修井作業(yè)過程中的實際情況設計了一種新型的鉆井參數(shù)裝置， 能夠利用現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)對鉆進情況進行智能分析, 這一點在鉆探發(fā)生異常時尤為重要。由于鉆探現(xiàn)場技術力量有限, 智能分析工作往往要由專家進行異地分析, 這就要求鉆場的各項鉆進數(shù)據(jù)要實時、準確地向總部信息中心傳輸。因而, 鉆井參數(shù)監(jiān)測儀必須具備一個能夠?qū)?/p>

2、時、準確向總部信息中心傳輸數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)。二、目前的鉆井參數(shù)儀二、目前的鉆井參數(shù)儀 鉆井儀表的研究與使用，不僅提高了鉆井過程中各項參數(shù)指示與記錄的準確程度，而且為油田的安全生產(chǎn)提供了科學依據(jù)。目前鉆井現(xiàn)場有六道參數(shù)儀、八道參數(shù)儀等鉆井參數(shù)儀以及液面報警器等單項參數(shù)記錄儀，這些儀表雖能提供現(xiàn)場參數(shù)，但數(shù)據(jù)傳輸大多還是靠 RS232/RS485 通信。而這種傳輸受地理環(huán)境因素影響較大，不能任意鋪設，且可擴充性差，在鉆井搬遷過程中拆卸和安裝工作量大。相比較而言，以太網(wǎng)有高可移動性、通信范圍不受環(huán)境條件的限制、傳輸范圍能得到較大地拓寬等優(yōu)點。 無線傳輸鉆井參數(shù)儀的研制，改進了現(xiàn)有的鉆井參數(shù)儀依靠的有線

3、傳輸方式，使鉆井參數(shù)啟示儀器儀表的相對落后的現(xiàn)狀得到了較大改觀。無線傳輸鉆井參數(shù)儀在鉆井過程中具以太網(wǎng)實時監(jiān)控以及計算機分析與打印等功能，從而提高了鉆井現(xiàn)場參數(shù)采集與記錄分析的準確性、可靠性，使鉆井參數(shù)儀器儀表更具實用性。三、課題主要研究內(nèi)容三、課題主要研究內(nèi)容 針對系統(tǒng)的設計要求，本課題主要研究了以下三個方面的內(nèi)容: 系統(tǒng)主要由三部分組成：1 信號采集與處理。 其中的內(nèi)容有天車防碰、大鉤位置檢測、大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速參數(shù)的檢測電路，并電路設計中留有冗余的多路 AD、HSC，這樣使系統(tǒng)的擴展極為的方便。通過安裝在主滾筒上的增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖完成對主滾筒旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)方向的檢測，

4、將對垂直運動的游車位移的檢測轉(zhuǎn)換為對滾筒的圓周運動的檢測，從而間接得到游車垂直運動的運行高度及運動速度。對于大鉤載荷，一般都采用在死繩端測信號的方法間接測取大鉤載荷。轉(zhuǎn)盤在輕載荷下允許使用的最高轉(zhuǎn)速，一般規(guī)定為 300rmin。為滿足鉆井工藝的需要，轉(zhuǎn)盤亦能提供多種轉(zhuǎn)速。一般地通常最低工作轉(zhuǎn)速為 5060 rmin，而用于打撈作業(yè)或取芯鉆進的事故轉(zhuǎn)速為 2530rmin。 2 人機界面。人機界面的硬件主要采用高亮 LED、防水按鍵、聲光報警指示燈組成。主要實現(xiàn)各參數(shù)以模擬表的型式進行顯示，各傳感器的參數(shù)設定及修正。前言第 2 頁（共 54 頁） 3 數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)通訊總線采用 RS485 或以

5、太網(wǎng)，協(xié)議為標準的 Modbus 協(xié)議。 Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議,控制器相互之間、控制器經(jīng)由以太網(wǎng)其它設備之間可以通信。 第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 3 頁（共 54 頁）第一章第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法1.1 鉆機的結(jié)構(gòu)鉆機的結(jié)構(gòu)石油鉆機是油、氣田開發(fā)的鉆井設備，隨著鉆井方法、鉆井工藝的發(fā)展，鉆機裝備和技術也得到不斷的發(fā)展。當今國內(nèi)外廣泛采用的鉆井方法是旋轉(zhuǎn)鉆井法，相應的鉆井設備為轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆機。陸用轉(zhuǎn)盤鉆機是鉆井設備的基本型式，通常所說的鉆機指的就是這種鉆機，也被稱為常規(guī)鉆機。1.1

6、.11.1.1 石油鉆機的組成石油鉆機的組成 石油鉆機是由多種機器設備組成的、具有多種功能的成套性聯(lián)合工作機組，如 1 所示。第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 4 頁（共 54 頁） 圖圖 1 1 鉆機結(jié)構(gòu)鉆機結(jié)構(gòu)1-天車 ；2-游動滑車；3-大鉤；4-泥漿泵；5-空氣包；6-泥漿池；7-動力機；8-泥漿槽；9-水龍頭；10-方鉆桿；11-絞車；12-轉(zhuǎn)盤；13-防噴器；14-表層套管；15-井眼；16-鉆柱；17 鉆鋌；18-洗井液；19-鉆頭它主要包括旋轉(zhuǎn)鉆進系統(tǒng)、鉆井液循環(huán)系統(tǒng)、鉆具起升系統(tǒng)、動力機組、傳動和控制系統(tǒng)、底座和其他輔助設備等. 鉆井工藝對石油鉆機的基本要求是:（

7、1）起下鉆具能力：為了起下鉆具及處理井下事故等，石油鉆機要有一定的起重能力和起升速度,這由鉆機的起升系統(tǒng)承擔.（2） 旋轉(zhuǎn)鉆進能力：為了帶動鉆具、鉆頭的旋轉(zhuǎn)鉆進等，石油鉆機要有一定的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，這由鉆機的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)承擔。（3） 循環(huán)洗井能力：為了保證正常鉆井、沖洗井底以及攜帶巖屑等，循環(huán)鉆井液要有一定的壓力和排量，這由鉆機的循環(huán)系統(tǒng)承擔。為了滿足鉆井工藝的要求，整套鉆具由八個大的系統(tǒng)和設備組成，即：1) 起升系統(tǒng) 2) 旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)3) 循環(huán)系統(tǒng) 4)動力驅(qū)動系統(tǒng)5) 傳動系統(tǒng) 6) 控制系統(tǒng)和監(jiān)測顯示儀表7) 鉆機底座 8) 輔助設備其中，起升系統(tǒng)在鉆井過程中的主要作用是起下鉆具、下套管、懸持鉆具

8、和鉆頭送進等。這套設備由鉆井絞車、輔助剎車、游動系統(tǒng)(鋼絲繩、天車、游動滑車以及大鉤)和井架組成。 井架的作用是安放天車，懸掛游車、大鉤及專用工具(如吊鉗等)，在鉆井過程中進行起下鉆具和下套管的操作。另外，起下鉆具過程中，可用以存放立根，其能容納立根總長度稱為立根容量。游動系統(tǒng)(鋼絲繩、天車、游動滑車及大鉤)可以大大降低快繩拉力，從而大為減輕鉆機絞車在鉆井各個作業(yè)(起下鉆、下套管、鉆進、懸持鉆具)中的負荷和降低起升機組發(fā)動機應配備的功率。鉆井絞車的作用是：用于起下鉆具、下套管；鉆井過程中控制鉆壓、送進鉆第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 5 頁（共 54 頁）具；借助錨頭上、卸鉆具絲

9、扣；起吊重物及進行其他輔助工作；整體起放井架。由此可見鉆井絞車在鉆井的過程中起到至為關鍵的作用，控制絞車的旋轉(zhuǎn)和速度，就能控制游動系統(tǒng)的運行，從而達到游車的精確定位的目的。1.1.2 大鉤機械結(jié)構(gòu)大鉤機械結(jié)構(gòu) 大鉤（圖 2 所示）是石油鉆井提升系統(tǒng)的一部分，懸掛于游動滑車的下面。鉆井時，在大鉤上懸掛帶有全部鉆具的水龍頭。大鉤兩側(cè)還掛有兩個吊環(huán)，與吊卡配合供起下鉆具或下套管之用。 鉆井大鉤按其結(jié)構(gòu)可分為兩種，鉤桿與鉤身剛性連接和鉤桿與鉤身銷軸鉸鏈連接；鉆井大鉤按其制造方法，又可分為鍛造的、鑄造的和鋼板組合式的。盡管每一種結(jié)構(gòu)均有自己的優(yōu)缺點，但在目前制造技術和無損檢測技術較高的條件下，鉤桿與鉤身

10、剛性連接、鑄造的三鉤式鉆井大鉤以其質(zhì)量可靠，輕巧緊湊，使用方便成為應用最為廣泛的大鉤型式。 提環(huán)與提環(huán)座采用銷軸連接，筒體與鉤身采用左旋螺紋連接，鉤桿與提環(huán)座固定在一起，使鉤身與筒體可繞鉤桿回轉(zhuǎn)或沿鉤桿上下運動。筒體內(nèi)裝有內(nèi)外彈簧，起鉆時，能使立根松扣后向上彈起，同時，筒體內(nèi)特殊的結(jié)構(gòu)，使筒體和鉤身空腔內(nèi)的機油具有良好的液力緩沖功能，從而又可以消除卸扣后鉆桿的反彈振動，使鉆桿接頭螺紋不受損壞。 第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 6 頁（共 54 頁） 圖圖 2 大鉤大鉤大鉤載荷的測量方法： 鉤載的測量和位移一的測量一樣，所處的工況比較惡劣，冊取信號比較困難，一般都采用在死繩端測信號

11、的方法間接測取大鉤載荷。死繩固定器將死繩端固定在井架上，測死繩端信號的壓力傳感器就安裝在死繩固定器上。由于死繩端相對固定，信號干擾小，傳輸方便，易于比較準確地測的死繩端的壓力信號。1.1.3 絞車滾筒結(jié)構(gòu)絞車滾筒結(jié)構(gòu)第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 7 頁（共 54 頁） 圖圖 3 3 絞車滾筒結(jié)構(gòu)圖絞車滾筒結(jié)構(gòu)圖絞車滾筒（圖 3）是鉆井作業(yè)中為起下鉆具提供動力的設備通過它的旋轉(zhuǎn)拉動鋼絲繩。絞車滾筒的設計必須保證必要的強度，工藝性好，并且盡可能使慣性矩小以便下放空吊卡時容易加速。鋼絲繩在滾筒上每層都是平行按螺旋方向纏繞，各層的纏繞方向是相反的。在下放和起升鉆柱的過程中，根據(jù)負荷、大

12、鉤速度和繩系的繩數(shù)，鋼絲繩應該以不同的速度在絞車滾筒上纏上和脫放。起升最重鉆柱時，鋼絲繩纏繞滾筒的速度應該在 35 米/秒的范圍內(nèi)，起升空吊卡為 1220 米/秒。下放鉆柱鋼絲繩脫放的最大速度不能超過 30 米/秒，下放套管柱的最小速度在 2 米/秒之內(nèi)。鉆機的主剎車裝置直接安裝在滾筒上以保證剎車有效、平穩(wěn)地制動滾筒，實現(xiàn)精調(diào)下放速度和送鉆速度；輔助剎車保證在起下鉆柱時實現(xiàn)滾筒的自由轉(zhuǎn)動及失速情況下的及時剎車。對于游車位置的測量，采用的方法是在絞車滾筒上安裝一個光電編碼器，將游車垂直運動位置的檢測轉(zhuǎn)化為對絞車旋轉(zhuǎn)運動位置的檢測，通過對絞車的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的檢測實現(xiàn)對游車位置的間接求導。 本系統(tǒng)的防碰

13、剎車即是通過控制電磁閥的開合來實現(xiàn)對滾筒剎車的控制。1.1.4 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤 圖圖 4 4 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 8 頁（共 54 頁）1 轉(zhuǎn)盤的主要作用：鉆井時，旋轉(zhuǎn)鉆具，提供足夠的扭矩和轉(zhuǎn)速。下套管和起下鉆時，能承受套管和鉆具的重量。處理井下事故時，可以卸扣井下動力鉆具鉆井時，轉(zhuǎn)盤制動時提供反扭矩。2 轉(zhuǎn)盤的組成： （1）水平軸總成：水平軸頭部裝有與轉(zhuǎn)臺大錐齒輪相嚙合的小錐齒輪，尾部裝輸入鏈輪或聯(lián)接法蘭(萬向軸輸入時)軸通過一對調(diào)心雙列滾子軸承(或頭部為滾子軸承，尾部為調(diào)心雙列滾子軸承)和套筒固定在殼體上。 套筒的作用是使水平軸部件能進行整體裝配。水平軸下方的殼

14、體構(gòu)成一獨立油池使二軸承得到潤滑。 （2）轉(zhuǎn)臺總成：裝有大錐齒輪的轉(zhuǎn)臺體如同一又短又粗的空心立軸，借助主、輔軸承座在殼體上。 （3）主、輔軸承：主軸承起承載、承轉(zhuǎn)和定位的作用。起下鉆時，承受鉆柱或套管柱的重量。輔助軸承也是向心止推球軸承，其作用為徑向扶正和軸向防跳與主軸承配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺體的定位。 （4）殼體：殼體是結(jié)構(gòu)較為復雜的鑄鋼件，內(nèi)腔形成兩個油池，外形應上便于安裝、固定于鉆臺底座上。3 轉(zhuǎn)盤相關數(shù)據(jù)測量 （1）轉(zhuǎn)盤扭矩測扭矩采用的是電阻應變式傳感器，簡稱應變片。它的基本原理是基于金屬電阻絲的變形，進而引起相應電阻的變化，此現(xiàn)象稱為金屬線的電阻應變效應。在測量轉(zhuǎn)盤扭矩時，將專用的應變片用應變

15、膠粘貼到被測彈性軸上，組成應變橋。 （2）轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速在測量轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)盤邊上有個凹槽，轉(zhuǎn)盤外圍有一個距離檢測裝置，當凹槽轉(zhuǎn)過檢測裝置時，就會接受到一個脈沖，即轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一圈。在轉(zhuǎn)盤邊上開的凹槽越多，檢測到的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速就越精確。1.2 鉆井參數(shù)儀的工作原理鉆井參數(shù)儀的工作原理由于大鉤載荷、轉(zhuǎn)盤扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速參數(shù)等在介紹結(jié)構(gòu)的時候就說過，因此這里著重講天車防碰的工作原理。第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 9 頁（共 54 頁）從鉆機的結(jié)構(gòu)中我們可以了解到對于游車的運動方向是垂直的上下運動，其運動的位移有 2030m 之間，對于這樣垂直運動裝置的位置檢測顯然不能采用常規(guī)的位置傳感器（如接近

16、開關等）加以實現(xiàn)，為此本文提出了將游車垂直運動位置的檢測轉(zhuǎn)化為對絞車旋轉(zhuǎn)運動位置的檢測，通過對絞車的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的檢測實現(xiàn)對游車位置的間接求導，而本文中對絞車的測量采用的是旋轉(zhuǎn)光電編碼器。1.2.1 光電編碼器的工作原理光電編碼器的工作原理光電編碼器又稱軸角編碼器（圖5）, 它以高精度計量圓光柵為檢測元件, 通過光電轉(zhuǎn)換將輸入軸的角位移信息轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字代碼，在現(xiàn)代電機控制系統(tǒng)中常常用以檢測轉(zhuǎn)子的位置與速度。因其結(jié)構(gòu)簡單、計量精度高、壽命長等優(yōu)點, 近年來在精密定位方面使用較多。光電編碼器分兩大類,即絕對式和增量式。絕對式光電編碼器具有與微機或 DSP的接口,使用方便,但是價格高。增量式光電編碼器

17、不具有計數(shù)和接口電路,一般是輸出A、B、Z 脈沖信號, 但是價格較低,因此比較常用。 圖圖 5 5 編碼器原理編碼器原理 一、增量式光電編碼器的輸出信號往往直接連接到微機或DSP的計數(shù)器輸入端,第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 10 頁（共 54 頁）由其軟件來鑒相和計數(shù), 具有硬件鑒相與計數(shù)功能,計數(shù)結(jié)果以并行口輸出,可與微機直接接口。在并行口之前還用鎖存電路來消除硬件電路自身的延時所可能引起的計數(shù)錯誤,減輕了后續(xù)微機的軟件負擔。 增量式光電編碼器輸出A、B 兩個互差90的方波信號,每轉(zhuǎn)一周每個信號輸出N 個脈沖。所以光電編碼器的可利用的最高精度為4N pp r 。A、B 信號的

18、相位關系體現(xiàn)了光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向。例如,當光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時, A 超前B 90；逆時針旋轉(zhuǎn)時, B 超前A 90（如圖6所示） 。因此, 鑒相電路通過A、B 的相位關系來判斷旋轉(zhuǎn)方向,并且據(jù)此決定當一個計數(shù)脈沖出現(xiàn)時應該對當前計數(shù)值加1還是減1。鑒相電路通常用一個D 觸發(fā)器實現(xiàn)鑒相（電路圖略） ，并用一個異或門從A、B信號產(chǎn)生計數(shù)脈沖,起到倍頻作用,所以精度是2N pp r,最大脈沖頻率為N n /30 Hz,其中n是轉(zhuǎn)速( r /min). 編碼器正轉(zhuǎn)時輸出信號 編碼器反轉(zhuǎn)時輸出信號 圖圖 6 6 編碼器鑒相輸出波形編碼器鑒相輸出波形光電編碼器順時針旋轉(zhuǎn)時,信號A 超前B 90(如圖7

19、所示) ,D觸發(fā)器輸出Q 為高電平, /Q 為低電平 。當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時,情況相反。二、絕對式光電編碼器的結(jié)構(gòu)如圖7所示, 主要由光源、光柵付、光敏元件、碼盤、電子處理電路等部件組成。碼盤一側(cè)的光源發(fā)出的平行光經(jīng)過光柵付照射到碼盤的透明和不透明區(qū)段,在透明區(qū)段光線會穿過碼盤, 在不透明區(qū)段則不會。在碼盤另一側(cè)的光敏元件, 接受到從透明區(qū)段透過的光線, 經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及電子處理電路的調(diào)制后將位置信息以數(shù)字信號形式輸出。根據(jù)碼盤上透明區(qū)段刻劃規(guī)律的不同, 絕對式編碼器輸出的數(shù)字信號的編碼類型也不同, 主要有二進制碼與格雷碼兩種。相對于二進制碼, 格雷碼是單位變化碼, 即從一個位置到相鄰位置僅

20、有一位變化, 可提高位置檢測的可靠性。因此, 大多數(shù)絕對式編碼器都采用格雷碼方式編碼。第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 11 頁（共 54 頁）絕對式光電編碼器又可分為單轉(zhuǎn)型與多轉(zhuǎn)型, 單轉(zhuǎn)型絕對編碼器將碼盤的一周分成若干個測量步, 對應每一步都有惟一確定的碼值, 由于這些碼值在每一轉(zhuǎn)都會重復, 因而單轉(zhuǎn)型絕對編碼器多用于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)量不超過一轉(zhuǎn)的角度測量； 多轉(zhuǎn)型絕對編碼器不僅能夠?qū)σ晦D(zhuǎn)內(nèi)每一個確定的角位置進行編碼,還能夠?qū)D(zhuǎn)數(shù)進行編碼, 因而適用于旋轉(zhuǎn)軸的多轉(zhuǎn)角度測量。 圖圖 7 7 絕對式編碼器結(jié)構(gòu)與原理圖絕對式編碼器結(jié)構(gòu)與原理圖R O Q 425 絕對式光電編碼器是多轉(zhuǎn)型絕對

21、式編碼器, 共有4096( 12 位) 圈, 每圈有8192( 13 位) 個位置值, 其電器參數(shù)為：工作電壓: 10V 30V ； 輸出碼: 格雷碼；信號輸入: TTL 時鐘信號； 信號輸出: 同步串行信號( SSI) 。其讀數(shù)時序如圖8 所示。 圖圖 8 8 編碼器讀數(shù)時序圖編碼器讀數(shù)時序圖 本系統(tǒng)采用的是意大利 ELCO 公司生產(chǎn)的 EH120P1024SS、24L88X3PR 中空式軸套型編碼器 ,它能夠套在絞車滾筒的主軸與滾筒一起旋轉(zhuǎn)，從而達到檢測游車第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 12 頁（共 54 頁）位移的功能。1.2.2 游車位移和方向的測量原理游車位移和方向的

22、測量原理一、正如在 1.2 節(jié)增量式編碼盤的原理中所講的，安裝在主滾筒上的光電編碼盤隨著主滾筒的旋轉(zhuǎn)將輸出如圖 9 所示的兩組脈沖。 圖圖 9 9 A A、B B 信號輸出信號輸出通過A、B 的相位關系來判斷滾筒的轉(zhuǎn)動方向， 信號A 超前B 90,D觸發(fā)器輸出Q波形為高電平, /Q 波形為低電平；當光電編碼器逆時針旋轉(zhuǎn)時,情況相反。參考電路如下： ABA單片機（隔離）（隔離）正向反向B第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 13 頁（共 54 頁） 圖圖 1010 位移和方向測量電路位移和方向測量電路二、系統(tǒng)裝置的組成框圖如 11 所示。 LED 顯示 光電編碼器 主滾筒 控制裝置 死繩

23、固定器 井架 應變式傳感器 應變橋 +5V -12 +12V 主氣源管線直流電源轉(zhuǎn)換 電磁閥控制 電磁閥 滾筒離合器 1030V 寬幅輸入 圖圖 1111 系統(tǒng)裝置圖系統(tǒng)裝置圖D QClk /Q+5V+5VB+5V+5VA第一章 鉆機的結(jié)構(gòu)和游車運動位移的測量方法第 14 頁（共 54 頁）工作原理：本裝置采用電子傳感器，控制器等元件，將游車滑動的垂直運動行程用滾筒轉(zhuǎn)動的圈數(shù)來表示。滾筒運轉(zhuǎn)圈數(shù)傳感器安裝在滾筒側(cè)面上，控制器安裝在操作室內(nèi)，操作工在控制器表面的計數(shù)器上預設危險圈數(shù)。滾筒轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)一圈計一位正數(shù)，相反方向轉(zhuǎn)一圈記一位負數(shù)。當計數(shù)器的實際記數(shù)值達 到設定值時，計數(shù)器發(fā)出信號將電控氣

24、閥導通，切斷離合器動力，電喇叭報警，并使汽缸通氣，將滾筒剎車以達到防碰的目的。該裝置和傳統(tǒng)的鉆井參數(shù)裝置相比，除了防碰功能外，還具有以下優(yōu)點：1. 作為下鉆的輔助工具 鉆桿排放在二層臺上形成立根系統(tǒng)，由大鉤和吊卡取下鉆桿，通過游車控制大鉤在二層臺的精確位置，可以減小調(diào)整位置帶來的設備損耗。 2 防止超速 通過安裝在主滾筒上的光電編碼器間接測得游車大鉤的速度和加速度，游車的位置通過人機界面指示，還可以通過人機界面設定游車安全運行的區(qū)間，當游車超速或超過安全運行區(qū)間，系統(tǒng)會自動控制游車使其減速或軟停，同時還有智能游車防碰校準功能。自動送鉆停止工作時，司鉆可以直接操作盤剎進行手動送鉆。 在智能天車防

25、碰裝置中，通過控制滾筒的運轉(zhuǎn)速度間接控制下鉆的速度，既方便司鉆的操作，也便于觀測和控制。以上對鉆機的結(jié)構(gòu)作了較為詳細的闡述，同時對本系統(tǒng)中需要測量的數(shù)據(jù)大鉤載荷、游車位移和方向、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩的傳感器形式及安裝方法、位置也作出了具體詳細的說明。第二章 鉆井參數(shù)儀的總體設計方案第 15 頁（共 54 頁）第二章第二章 鉆井參數(shù)儀的總體設計方案鉆井參數(shù)儀的總體設計方案本章主要討論 鉆井參數(shù)儀的總體設計要求，并根據(jù)這些要求提出了相應的總體設計方案及系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)，并著重介紹了基于PIC18F458 單片微機的防碰裝置的方案設計。2.1 鉆井參數(shù)儀的設計要求鉆井參數(shù)儀的設計要求 鉆井參數(shù)儀主要

26、有游車位移測控裝置（包括游車游車高度、速度及方向信號檢測） ，轉(zhuǎn)盤測控裝置（包括轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)盤扭矩） ，控制系統(tǒng)（報警系統(tǒng)、剎車控制及執(zhí)行系統(tǒng)） ，鍵盤及 LED 顯示部分， 數(shù)據(jù)傳輸及其監(jiān)測系統(tǒng)。2.1.1 主要技術參數(shù)：主要技術參數(shù)： 系統(tǒng)主要檢測的參數(shù)有如下幾項1、大鉤位置檢測，檢測誤差 V_temp_max_samplingtimer) /第二種情況，已開啟但采樣未完成/采樣時間已超時V_temp_erro=0 x01； /置溫度任務危險范圍標記V_AD_channel= V_AD_channel+1； /跳過溫度任務的執(zhí)行 ,換下一個通道If (V_AD_channel V_AD_m

27、axchannel)V_AD_channe=0 x00；第四章 鉆井參數(shù)儀的軟件設計第 42 頁（共 54 頁）else if(ADCON1bits.ADON= =0) /第三種情況，采樣完成V_AD_valueV_temp_channel = ADRESH*256+ADRESL；V_AD_channel= V_AD_channel+1；/溫度任務執(zhí)行完成 ,換下一個通道If ( V_AD_channel V_AD_maxchannel)V_AD_channe=0 x00； ADCON1bits.ADON=0； /end of task。 4.2.2 人機交互界面設計人機交互界面設計在游車高度

28、和速度的實時遠程監(jiān)控界面中，我們將游車的運動狀況實時的顯示出來，對運動過程中有危險產(chǎn)生時提供聲光報警的功能。在數(shù)據(jù)的存儲方面，本系統(tǒng)將各項參數(shù)存入 EEPROM 中，各項參數(shù)包括二層臺位置，鉆臺位置，滾筒的參數(shù)（滾筒直徑，鋼繩直徑，鋼繩已排層數(shù)，每層最大排繩這些參數(shù)是精確計算游車位移的重要計算參數(shù)），實時保存這些參數(shù)，使在掉電情況下或用戶每次作業(yè)中不需要對滾筒參數(shù)從新設定，甚至每次作業(yè)開始時，如二層臺位置和零點位置（鉆臺位置）不變，這些參數(shù)也無需再次進行設定，我們選用的 PIC18F458 單片微機的動態(tài)存貯器有 1536 個字節(jié)，完全滿足了系統(tǒng)在動態(tài)存儲設計上的要求。4.2.3 MODBUS

29、 協(xié)議協(xié)議本系統(tǒng)設計的任務 之一是與單片機 進行數(shù)據(jù)的交換，設計中采用的是Modbus數(shù)據(jù)交換格式 Modbus 協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議,控制器相第四章 鉆井參數(shù)儀的軟件設計第 43 頁（共 54 頁）互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡（例如以太網(wǎng)）和其它設備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準。有了它,不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡,進行集中監(jiān)控。此協(xié)議定義了一個控制器能認識使用的消息結(jié)構(gòu),而不管它們是經(jīng)過何種網(wǎng)絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程,如何回應來自其它設備的請求,以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。當在一Modb

30、us網(wǎng)絡上通信時,此協(xié)議決定了每個控制器須要知道它們的設備地址,識別按地址發(fā)來的消息,決定要產(chǎn)生何種行動。如果需要回應,控制器將生成反饋信息并用Modbus協(xié)議發(fā)出。在其它網(wǎng)絡上,包含了Modbus協(xié)議的消息轉(zhuǎn)換為在此網(wǎng)絡上使用的幀或包結(jié)構(gòu)。這種轉(zhuǎn)換也擴展了根據(jù)具體的網(wǎng)絡解決節(jié)地址、路由路徑及錯誤檢測的方法。 1、在 MODBUS 網(wǎng)絡上傳輸 標準的 Modbus 口是使用一 RS-232C 兼容串行接口,它定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。控制器能直接或經(jīng)由 Modem 組網(wǎng)?？刂破魍ㄐ攀褂弥鲝募夹g,即僅一設備（主設備）能初始化傳輸。其它設備（從設備）根據(jù)主設備查詢提供

31、的數(shù)據(jù)作出相應反應。典型的主設備：主機和可編程儀表。典型的從設備：可編程控制器。主設備可單獨和從設備通信,也能以廣播方式和所有從設備通信。如果單獨通信,從設備返回一消息作為回應,如果是以廣播方式查詢的,則不作任何回應。Modbus 協(xié)議建立了主設備查詢的格式：設備（或廣播）地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、一錯誤檢測域。從設備回應消息也由 Modbus 協(xié)議構(gòu)成,包括確認要行動的域、任何要返回的數(shù)據(jù)、和一錯誤檢測域。如果在消息接收過程中發(fā)生一錯誤,或從設備不能執(zhí)行其命令,從設備將建立一錯誤消息并把它作為回應發(fā)送出去。 2、查詢-回應 1 查詢查詢消息中的功能代碼告之被選中的從設備要執(zhí)行何種功能

32、。數(shù)據(jù)段包含了從設備要執(zhí)行功能的任何附加信息。例如功能代碼 03 是要求從設備讀保持寄存器并返回它們的內(nèi)容。數(shù)據(jù)段必須包含要告之從設備的信息：從何寄存器開始讀及要讀的寄存器數(shù)量。錯誤檢測為從設備提供了一種驗證消息內(nèi)容是否正確的方法。2 回應如果從設備產(chǎn)生一正常的回應,在回應消息中的功能代碼是在查詢消息中的功能代碼的回應。數(shù)據(jù)段包括了從設備收集的數(shù)據(jù)：象寄存器值或狀態(tài)。如第四章 鉆井參數(shù)儀的軟件設計第 44 頁（共 54 頁）果有錯誤發(fā)生,功能代碼將被修改以用于指出回應消息是錯誤的,同時數(shù)據(jù)段包含了描述此錯誤信息的代碼。錯誤檢測域允許主設備確認消息內(nèi)容是否可用。 三、兩種傳輸方式 控制器能設置為

33、兩種傳輸模式（ASCII 或 RTU）中的任何一種在標準的Modbus 網(wǎng)絡通信。用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個 Modbus 網(wǎng)絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。1.ASCII 模式地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 . 數(shù)據(jù) n LRC 高字節(jié) LRC 低字節(jié) 回車 換行 2.RTU 模式地址 功能代碼 數(shù)據(jù)數(shù)量 數(shù)據(jù) 1 . 數(shù)據(jù) n CRC 高字節(jié) CRC 低字節(jié) 所選的 ASCII 或 RTU 方式僅適用于標準的 Modbus 網(wǎng)絡，它定義了在這些網(wǎng)絡上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃唬约皼Q定怎樣將信息打包成消息域

34、和如何解碼。 第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 45 頁（共 54 頁）第五章第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論系統(tǒng)的調(diào)試是對硬件設計、程序流程和控制算法實現(xiàn)的全面檢驗。在硬件及軟件的調(diào)試中我們利用 MICRO CHIP 公司提供的 MPLAB、MPLAB IDE（V7.1）軟件及設備對數(shù)據(jù)采集通道，人機接口和數(shù)據(jù)通訊接口等進行了調(diào)試，實現(xiàn)并完善了天車防碰控制系統(tǒng)的設計要求。本章將具體介紹整個系統(tǒng)的調(diào)試過程以及調(diào)試結(jié)果。5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試系統(tǒng)硬件調(diào)試 系統(tǒng)硬件調(diào)試主要是防碰測控裝置的硬件調(diào)試，以下將從調(diào)試的裝置及調(diào)試內(nèi)容等方面對整個設計過程加以介紹。5.1.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試

35、的裝置系統(tǒng)硬件調(diào)試的裝置（一）天車位移測控裝置（一）天車位移測控裝置 根據(jù)設計要求設計的天車位移測控裝置的實物主要完成三部分內(nèi)容，即數(shù)據(jù)檢測部分，控制部分和數(shù)據(jù)顯示部分（見附錄） 。（二）單片機調(diào)試裝置 單片機調(diào)試裝置主要實現(xiàn)的是對 PIC18F458 單片機進行燒寫及仿真調(diào)試，其調(diào)試環(huán)境如下圖所示。第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 46 頁（共 54 頁）圖圖 3333 調(diào)試環(huán)境圖調(diào)試環(huán)境圖第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 47 頁（共 54 頁）5.1.2 系統(tǒng)硬件調(diào)試的內(nèi)容系統(tǒng)硬件調(diào)試的內(nèi)容系統(tǒng)硬件調(diào)試的內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)采集及控制輸出，人機接口，數(shù)據(jù)通訊等內(nèi)容，主要內(nèi)容如下：一）數(shù)據(jù)采集

36、 1高度檢測及標定 2速度檢測及標定 3方向檢測及標定 二）鍵盤控制及 LED 顯示三）數(shù)據(jù)通訊1RS232 通訊2CAN 總線通訊5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試防碰測控裝置的軟件的調(diào)試環(huán)境主要是 MICRO CHIP 提供的 MPLAB IDE（V7.1）軟件，其調(diào)試環(huán)境如下圖，在該調(diào)試環(huán)境下可以對程序中的變量及單片機的特殊功能寄存器（ SFR）進行監(jiān)控，所以軟件的調(diào)試十分方便。圖圖 3434 MPLABMPLAB IDEIDE（V7.1V7.1）軟件提供的調(diào)試環(huán)境）軟件提供的調(diào)試環(huán)境第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 48 頁（共 54 頁）5.3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)論系統(tǒng)調(diào)試結(jié)論表表 1 1 高

37、度測控現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)高度測控現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)測量參數(shù)脈沖計數(shù)（個） 顯示游車高度（米） 實際游車高度（米）1280030. 030.0591280030. 030.0 411280030. 030. 0631280030. 030. 0551280030. 030.0 481280030. 030.0 42 測 量 參 數(shù) 值1280030. 030. 054測量參數(shù)脈沖計數(shù)（個）顯示游車高度（米）實際游車高度（米）10240 32. 032.0 23 1024032. 032.0 271024032. 032. 0251024032. 032. 0351024032. 032. 039 測 量 參

38、 數(shù) 值10240 32. 0 32. 037試驗條件：滾筒直徑 1.1m，游車繩系 1：8.經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，鋼絲繩松放過程測量誤差僅為 1.36，而收緊過程中誤差僅為0.72。根據(jù)設計要求，測量精度在滿量程是在 0.2%即可，因此系統(tǒng)設計達到要求。經(jīng)過對現(xiàn)場的系統(tǒng)調(diào)試以及在調(diào)試過程中對現(xiàn)場軟、硬件設計加以改進，本系統(tǒng)已完全達到了設計要求，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)的抗干擾能力強、能夠滿足油田用戶的使用要求。第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 49 頁（共 54 頁）表二表二 大鉤載荷測控現(xiàn)場數(shù)據(jù)大鉤載荷測控現(xiàn)場數(shù)據(jù) 經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，測量顯示值與實際值誤差僅為 0.30。根據(jù)設計要求，測量精度在滿量程是

39、在 0.2%即可，因此系統(tǒng)設計達到要求。參考文獻參考文獻1 王志奇， 電動鉆機及自動化技術 ，石油工業(yè)出版社， 20022 王志奇， 石油鉆井設備與計算方法 ，石油工業(yè)出版社，19893 鄔寬明， CAN 總線原理和應用系統(tǒng)設計 ，北京航空航天大學出版社， 19964 陽憲急， 工業(yè)數(shù)據(jù)通信與控制網(wǎng)絡 ，清華大學出版社， 20035 鄔寬明， 現(xiàn)場總線技術應用選編 ，北京航空航天大學出版社， 20036 劉和平， PIC18FXXX 單片機原理及接口程序設計 ，北京航空航天大學出版社，2004 測量參數(shù)顯示大鉤載荷（噸） 實際大鉤載荷（噸）5050.0367575.068100100.0591

40、25125.021150150.049175175.022 測 量 參 數(shù) 值200200.013第五章 鉆井參數(shù)儀的調(diào)試及結(jié)論第 50 頁（共 54 頁）7MicroCHIP PIC18F458 Datasheet ，MicroCHIP Technology Inc，20048 陳國先， PIC 單片機原理與接口技術 ，電子工業(yè)出版社， 20049 加Myke Predko， PIC 微控制器編程與自主開發(fā) ，電子工業(yè)出版社， 200310 唐賢遠， 傳感器原理及應用 ，電子科技大學出版社， 200011 劉駕仁 韓保君， 傳感器原理及應用技術 ，西安電子科技大學， 200312 康華光， 電子技術基礎（模擬部分） ，華中理工大學， 199913 何立民， IIC 總線應用系統(tǒng)設計 ，北京航空航天大學， 1995 14 邱關源， 電路 ，高等教育出