計算機控制下傳信息通道模擬實驗仿真系統探討

摘要：本文重點研究旋轉導向鉆井系統中下傳信息通道的仿真系統，給出使用計算機控制下傳信息通道的原理，分析了系統設計過程中的注意事項；結合實驗室的可用資源，設計并實現了計算機控制下傳信道模擬實驗的仿真系統。

關鍵詞：計算機控制；下傳信道；仿真系統

在最小程度的地面工作人員干預的情況下，旋轉導向閉環鉆井系統沿著預先設計好的井眼軌跡鉆進，通過泥漿脈沖發生器將井下的工作狀態實時地傳送到地面，現場工作人員可以對井下工具的狀態進行監控，并通過發出干預指令對鉆井工具進行遙控，達到控制井眼軌跡的目的。要實現旋轉導向，系統必須同時實現井下實時可控和地面可遙控的功能。

一、總體設計

1.系統設計。地面信號下傳系統的設計方案如下：

正常情況下，由泥漿泵提供立管中穩定的液流，泥漿在立管中經由水龍帶和方鉆桿的傳送進入井下循環系統。此時，立管上的壓力傳感器感知立管上的壓力變化，并將感知結果傳輸給地面控制臺。在立管上引出分支導管向井下傳輸負脈沖信號，分支導管與開關閥相連。開關閥開啟時，泥漿瞬時分流，致使立管及鉆柱內壓力驟降；開關閥關閉時，循環系統的壓力逐漸恢復正常。在開關閥的一開一關之間，會產生一系列負泥漿脈沖信號。當開啟開關閥時，泥漿在分支管路中流動的瞬時加速度大，這有可能導致壓力反彈現象，為避免此類狀況，這需要一個直徑較大的管路連接開關閥和泥漿池。增加一個蓄能器可以平穩液流，從而可以安全地使用截面積較小的軟管甚至水龍帶，另外，為了使液流更加平穩，還可以在此基礎上增加一個節流閥。為了保護開關閥并防止泥漿從導管中倒流，還必須在導管上安裝單向閥。必要時還可以通過在導管上安裝手動閥門的辦法來確保鉆井系統的可靠性和安全性。

2.計算機控制設計。計算機通過控制電磁閥的工作狀態來完成命令的發送，因此電磁閥的吸合和釋放時間要精確。為了滿足這一要求，除電磁閥本身的制作工藝以外，還需要配以有效的驅動電路。系統所采用的電源模塊BUP-40W12S24的工作原理保證了電磁閥在不工作的情況下無輸出電壓，降低了系統的功耗。

系統所選用的電磁閥功耗遠大于實驗室使用電磁閥（7W）。因此，有必要針對該電池閥重新設計控制電路和控制模塊。在本實驗中，主控制芯片MCU1和MCU2分別實現控制發送和采集解碼的功能，且均通過RS232口與PC機相連。MCU1發出的控制信號通過驅動電路轉換為電壓信號，實現對電磁閥的控制。電磁閥的狀態改變造成液壓循環產生壓力的變化，壓力傳感器采集到這一變化的脈沖信號，通過MCU2的處理傳輸給PC機，從而實現閉環控制的功能。

二、設計原理

1.液壓循環系統原理。在液壓循環系統中，壓力傳感器前安裝旁通閥，其初始狀態為關閉，只要設計適當的旁路，就可由計算機控制其開關。正常工作時開啟電機為系統提供動力，油泵開始工作。調節溢流閥，保證系統最高壓力穩定在4MP。該系統可有效模擬井場泥漿的循環過程，旁通閥常態關閉。由于實際鉆井過程中，需要加長單向閥與壓力傳感器之間的油管以模擬正常狀況下的壓力變化。實驗數據顯示：油管加長后帶來的井底壓力變化延遲約為200ms，井口井底壓差約為2MP。打開電磁閥時，閥體狀態換至開啟狀態，旁通支路導通后，主循環系統中的壓力開始下降，傳感器立即感知到壓力變化，井口旁通閥按設計好的順序開、關，按指令完成相應動作。

2.電磁閥原理。電磁閥的工作原理是在電流的作用下產生勵磁作用，通過改變滑閥芯的位置而改變流體的流動方向。電磁閥一般用于液壓系統，達到開通和關閉油路的作用。

為了搭建符合實際的實驗室模擬平臺，旁通閥的選擇必須適當。實驗室現有循環系統的系統壓力為4MPa，而閥體其它參數要據此做出合理的理論估算。

3.節流閥原理。節流閥一般設計為三角槽式的節流結構。由于節流口的三角槽式設計，壓力油在進油口與節流口間流動時，節流閥芯上的壓力是平衡的，此時節流力矩較小，便于高壓下的調節。通過調節節流閥頂部的手輪推動閥芯上下移動，可以實現流量的調節。實驗裝置中旁通閥后安裝有節流閥，其作用為調整系統在最高壓力給定情況下進入井下鉆井液的流量。節流閥通過手動調節開口量大小來調整液壓油的流量。

三、仿真實驗

（一）仿真條件

1.電磁閥的選擇。通過估算，電磁閥和節流閥選型的理論參數為：（1）開關電磁閥通徑10mm，流量40升/分；（2）節流閥通徑10mm，節流范圍：1.6升/分～40升/分。

2.壓力傳感器選型。壓力傳感器選用的薄膜壓力變送器由北京中行機電研究生產，型號為CYB.20S，量程范圍0～40MP，供電要求+5VDC。

3.實驗裝置組裝要求。（1）實驗前檢查循環系統裝置，保證各部件安裝穩定，油路循環暢通。（2）傳感器的安裝應準確到位，以確保系統采集信號和執行干預命令的準確性。同時，傳感器的供電系統與整套系統采用共地設計，達到降低噪聲影響的目的。（3）實驗所用的電磁閥必須純凈無雜質，閥芯盡量選擇濕式電磁鐵。當系統背壓較高（本系統大于10MPa）時，使用螺絲刀緩推手動推桿，以免破壞手動推桿，導致電磁鐵漏油或無法復位。

4.壓力傳感器標定。以1MPa為單位，調節標準油壓計的壓力輸出（O～25MPa），正反各三次行程，利用傳感器采集敏感信號。

5.開閥實驗。電磁閥的控制是實驗平臺搭建前的測試重點。我們選用北京208所生產的電源模塊（輸出功率為30W）為電磁閥供電，該電源的特點是其輸出電壓可控。通過測試在長時間開閥條件和正常供電情況下，該電源的輸出供電情況和電磁閥的工作情況，結果顯示高電平控制端下，該電源的輸出功率不能滿足電磁閥的工作要求。

（二）主要實驗步驟

（1）校準標準油壓計，檢查其密封性；（2）安裝、連接實驗設備裝置；（3）設置參數；（4）通過改變標準油壓計砝碼數量調節壓力輸出信號，重復采集步驟；（5）繪制傳感器輸出特性曲線，分析處理實驗數據。

（三）標定結果

通過測量所得數據計算出壓力傳感器所測的原始數據見表1，傳感器輸出特性曲線如圖1所示。由輸出特性曲線不難看出：傳感器輸出標準電壓，曲線線性度良好，因此可以將其直接接入信號采集電路。經過正反各3次行程的采集，對采集數據進行均值處理所得到的傳感器標定結果為：Y=707.2331865+447.12955X 其中：Y一量化臺階數：X一壓力（MPa）。