深水鉆機多參數監測系統的集成化網絡化設計

張鵬飛，梁春平，梁衛斌，羅磊，王飛

深水鉆機多參數監測系統的集成化網絡化設計

張鵬飛1，2，梁春平1，2，梁衛斌1，2，羅磊1，2，王飛1，2

（1．寶雞石油機械有限責任公司，陜西寶雞721002；2．國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西寶雞721002）①

鉆井參數是油氣鉆井工程監測鉆進過程、進行科學分析和科學決策的重要依據。為開發深水鉆機多參數監測系統，實現多鉆井參數的動態采集、分析、存儲和歸檔，采用模塊化設計，應用區塊化的數據采集單元，提高了采集的靈活性和實用性。應用Visual C＋＋實現了軟件程序和數據庫等的開發，實現了各個分散系統的高度集成，打破了傳統監測系統重復配置、各個子系統各自獨立等現狀，為整套深水鉆機提供了一套完備的監測系統。

鉆機；多參數；監測系統；集成化；網絡化

鉆井參數監測系統是油氣鉆井工程監測鉆進過程、進行科學分析和科學決策的重要工具，是鉆井作業人員的眼睛，它能夠實時反映鉆井工況，是保證安全、優質、快速、高效、科學鉆井的重要手段。隨著鉆機和鉆井技術的快速發展，鉆井儀表的發展得到了質的飛躍，不僅提高了鉆井過程中各項參數指示與記錄的準確程度，而且實現了實時監測、記錄，為油田的安全生產提供了科學依據，為鉆后提供可回放的歷史數據［1］。目前，鉆井參數監測由過去的機械、液壓儀表向數字化、集成化、智能化和網絡化方向發展。為此，開發了一套集成化和網絡化的深水鉆機多參數監測系統。

1　多參數監測系統總體設計

本系統為以采集卡為核心的測試系統，也稱為數據采集／監測系統，如圖1所示。它由傳感器、信號調理電路、多路轉換開關、采樣保持電路（S／H）、模數轉換電路（A／D）、接口電路、控制器、顯示器、打印機等外部設備組成。

其中，傳感器的作用是將被測非電量轉換為電量；信號調理電路的作用是將傳感器輸出的微弱信號進行放大和濾波等加工處理，以便使傳感器輸出信號與A／D相適配；多路轉換開關的作用是將多路傳感器輸出信號按預定時序分時地與S／H電路接通，這種多路信號通道共享1個A／D，其優點是降低成本，減小體積；S／H的引入是因為A／D轉換需要一定時間，它可以使信號轉換期間模擬信號保持不變；A／D作用是將模擬信號轉換為數字量，以便適應采集卡工作需要；采集卡是單元采集系統的核心，它主要有2個作用，一是通過軟件協調使整個系統成為一個有機整體，按預定程序運行；二是對監測信號進行遠傳給上位機服務器，在服務器中存儲、運算（判斷）、處理和歸檔，并將處理結果通過輸出接口送到外部設備進行顯示、打印［2-4］。

圖1　監測系統框圖

2　多參數監測系統的硬件設計

硬件設計采用模塊化設計思路，由多個傳感器、信號調理模塊、數據采集卡等幾部分構成。由于被檢測設備分散，并且配套的傳感器數量多，實現集中監測比較困難，所以設計采用分區塊采集模式，通過以太網通訊完成各個區塊采集單元的數據交換，并通過以太網實現與上位機服務器的通訊，實現監測參數的歸總。下面分區塊對被監測的參數進行歸類介紹。

1） 固控區。包含有多個泥漿液位傳感器、多個散料罐物位傳感器、計量罐液位傳感器、回流罐位移傳感器等。

2） 氣源區。包括低壓氣源壓力傳感器、高壓氣源壓力傳感器、輸出氣源壓力傳感器等。

3） 鉆臺區。包含泥漿回流傳感器、鉤載傳感器、立管壓力傳感器、多個盤剎壓力傳感器、絞車潤滑油壓傳感器、絞車滾筒編碼器、轉盤轉矩傳感器、轉盤轉速傳感器、頂驅轉矩和轉速傳感器等。

4） 泵區。包括多個泵沖傳感器、潤滑油壓傳感器等。

5） 管柱處理區。包括多個編碼器、多個接近開關、多個壓力傳感器、多個油缸位移傳感器。

6） 升沉補償區。包括多個壓力傳感器、多個油缸位移傳感器、多個加速度傳感器、多個接近開關、多個壓力開關、多個液位傳感器等。

7） 電控區。包括主電機電流、繞組溫度、轉速；發電機組轉速、頻率、電流、電壓、有功功率、無功功率、并網信號、油壓、水溫、繞組溫度；傳動柜全部故障代碼、輸出電流、輸出電壓、母線電壓、電控柜溫度、P L C通訊信號等。

單個采集模塊同時完成16通道的開關量輸入與32路的模擬量同步采集，滿足目前鉆井的要求，通過擴展多個采集模塊可以實現更多通道的采集。

2．1 傳感器的選型

傳感器是作為信息技術的3大支柱之一，對系統檢測起到了決定性的作用。在自動監測和自動控制系統中，傳感器相當于人的五官，直接感知外界的信息。傳感器是監測系統中必不可少的工具，選擇傳感器至關重要，對于深水鉆機多參數監測系統應該從以下幾個方面考慮。

1） 根據被測對象與使用工況選擇傳感器。要完成任一具體的測量，首先考慮被測對象屬性和使用工況。電壓型還是電流型，量程大小，安裝尺寸要求，是否有防爆需求，走線方式，測量方式是直接測量還是間接測量等。在選定上述指標后，在考慮傳感器的具體性能指標。

2） 線性度（即非線性誤差）。傳感器的線形度指輸出與輸入之間的線性程度。從原理上講，線性度的范圍越寬越好，這樣在量程范圍內的測量準確度就越高，測量精度才能得到保障。

3） 靈敏度。通常，希望在線性范圍內，靈敏度越高越好。然而，傳感器的靈敏度高，外接的干擾也容易被引入，從而影響了測量的精度。所以，在選擇傳感器時盡量選擇信噪比比較高的傳感器，在保證靈敏度的同時減少干擾因素的介入。

4） 遲滯特性。遲滯特性反應傳感器正向和反向行程的輸出輸入特性曲線不重合的程度。希望遲滯越小越好，這樣可以確保正反向測量的一致性，能夠真實地反應被測量的數值。

5） 重復性。傳感器使用中，多次重復的測量對應的測量曲線重復性越好，對應的誤差就越小，它反應出了傳感器的穩定性。在構建監測系統要充分考慮此因素，確保長期使用而具有良好的準確性。

6） 精度。傳感器的精度并非越高越好，滿足測量要求即可，不要一味的追求精度而造成不必要的成本增加，做到被測量的數值要求和精度吻合即可［2-5］。

綜合考慮以上因素，可保證傳感器正確選型。

2．2 信號調理電路

信號調理電路實現傳感器信號與采集卡的通信，實現模擬信號、數字信號讀入各個區塊的采集單元，并實現與各個采集單元和上位機的通訊，為控制系統提供設備的狀態信號，用于實現報警或執行動作等操作。

對于數字量的輸入，如接近開關和壓力開關，由于它是一個開關量，不需要對它進行處理，串接一個電阻，在電阻兩端取電壓即可送入采集卡采集。電路圖如圖2所示。

圖2　數字信號處理電路

壓力、位移和轉矩等信號為模擬量，對于模擬量的輸入，針對來自傳感器的信號為4～20mA電流信號，所以需要串聯標準電阻，取得2～10 V標準電壓信號送回采集卡。電路圖如圖3所示。需注意的是數字地與模擬地要區分開。

圖3　模擬信號處理電路

2．3 數據采集卡［6］

本監測系統采用的高速光隔U SB采集卡，它具有以下特點：采用U SB2．0接口，光電隔離模擬量采集；靈活的供電電源方式；16通道的開關量輸入與32路單端／16路雙端模擬量同步采集，能夠滿足用戶的同步觸發、同步啟動、狀態同步檢測等要求；12位采集精度；系統總的采集貫通速率為400 ksps；豐富的擴展接口。

圖4是開關量接線圖，D O0～D O15是16路開關量輸出，DI0～DI15是16路開關量輸入，33、34針為數字量公共地線。

圖4　16通道開關量輸入與輸出接線圖

圖5為32路單端模擬量輸入接頭。模擬量輸入共計32通道。其中1～16為模擬量輸入的起始16通道，17，18，19，20這4個針用于擴展，采集時不使用，針21～36為后16個模擬量通道。37，38，39，40為4個模擬量輸入地線，用戶輸入的模擬信號的地線要與這4個地線相連，這4個地線內部相連。

圖5　模擬量輸入通道1～32

2．4 信號的傳輸

鉆井的工作環境惡劣，信號需要遠距離傳輸且受到的外界干擾大，TTL和RS232C接口難以滿足要求，因此，本系統采用ENTERNET接口，來實現微處理器輸出信號的遠距離傳輸。

IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α等炎性細胞因子的異常表達是導致腸組織細胞間緊密連接丟失以及細胞上皮屏障損傷的主要原因，也在IBD發病過程中起著重要的作用[11～15]。如圖 1所示，LPS處理能顯著刺激Caco-2細胞中IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。而辣木多肽處理能夠顯著抑制模型細胞中 IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。特別是，高濃度辣木多肽(100 μg/mL和150 μg/mL)能夠使細胞中的IL-1β水平分別較模型細胞中IL-1β水平降低10.6%和19.8%，IL-8水平降低36.4%和43.7%，TNF-α水平降低30.7%和37.9%。

3　多參數監測系統的軟件設計

監測系統軟件是監測系統的核心，它利用數據采集卡實現數據采集，應用服務器對采集的數據進行存儲、分析、顯示和其他處理，根據檢測的信號作出判斷發出信號給控制單元，實現報警和設備的控制。

本系統應用VisualC＋＋、Server2008等開發工具在Windows操作系統下設計和開發了一套基于數據采集卡的應用程序，具備數據采集、數據處理、數據存儲、動態波形顯示、信號分析等功能，還具有良好的人機界面以及穩定準確的反饋控制信號等一系列功能。軟件流程如圖6所示。

3．1 數據采集模塊

本系統選用的數據采集卡提供了Windows7／XP下使用的驅動程序，應用程序通過調用采集卡的動態鏈接庫，然后在ADCard．DLL內部再調用其它內核驅動程序。

3．2 數據存儲模塊

考慮到系統數據存儲量，選用Server 2008數據庫既可滿足數據的存儲，可以實時的把采集到的數據寫入數據庫。

圖6　軟件流程

4　結論

1） 開發了深水鉆機多參數監測系統，與傳統儀表系統比較，具有如下特點：系統數據接口可以和現有的深水鉆機配套的電控系統集成，便于數據的共享和系統邏輯保護設置；具備數據分析和處理的能力，可以實現超限報警、分析預警和故障判斷等功能；具有可視化的參數曲線，可直觀反映各個參數的變化，為后期的故障分析提供依據。實現了采集、分析、處理、數據存儲和歸檔等一系列功能。

2） 系統已經通過了軟硬件的調試，監測裝置體積小，方便安裝，適合深水鉆機的配套。

3） 系統實現了各分散系統的高度集成，打破了傳統監測系統重復配置、各子系統各自獨立等現狀，為整套深水鉆機提供了一套完備的監測系統。

4） 多參數監測系統的應用，在很大程度上將提高鉆井的安全性、提高鉆井效率、降低鉆井成本，有利于整個鉆井過程的科學化、實時化和網絡化。

［1］ 李加國．鉆井參數儀的現狀及發展趨勢［J］．江漢石油職工大學學報，2009，22（4）：31-32．

［2］ 王淑紅．測控電路與器件［M］．北京：清華大學出版社：北京交通大學出版社，2006．

［3］ 王先培，王泉德．測控總線與儀器通信技術［M］．北京：機械工業出版社，2007．

［4］ 任致程．傳感器、變送器、智能數顯控制器應用手冊［M］．北京：中國電力出版社，2007．

［5］ 孟立凡，藍金輝．傳感器原理與應用［M］．北京：電子工業出版社，2007．

［6］ 周玉豐，李濤．一種新型鉆井參數監測系統的硬件設計［J］．石油礦場機械，2011，40（2）：68-72．

Design of Integration and Networking in Deep-water Drilling Rigmulti-parametermonitor System

ZHANG Pengfei1，2，LIANG Chunping1，2，LIANGWeibin1，2，LUO Lei1，2，WANG Fei1，2
（1．Baoji Oilfieldmachinery Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．N ational Oil&Gas Drilling EquipmenTEngineering Research Center，Baoji721002，China）

The drilling parameter is im portantim plement tomonitor drilling procedure and analyze during drilling process for final scientific solution，since it is valuable tomonitor the parameters，to developmonitor system of deep water drilling rig．The system shallfinish dynamic collection，analysis and data storage．To design inmodulemode，themodule data storage unit im proves the flexibility and practicability of data collection．At the same time，the software Visual C＋＋is used to develop program and database，to realize system integration．at the same time，to the traditionalmonitor systemmalpractice of repeat configuration and independent sub system are broken，w hich supply an integratedmonitor system for deep water system．

drilling rig；m ultiparameter；m onitor system；integration；netw orking

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．022

10013482（2015）03008704

①2014-09-19

國家高技術研究發展（863）計劃項目“深水鉆機與鉆柱自動化處理關鍵技術研究”（2012-AA09-A203）

張鵬飛（1981-），男，陜西寶雞人，工程師，碩士，現從事石油裝備的設計與研發工作，Email：zhangpf2006＠163．com。