基于MSP-EXP430的鉆柱振動信號采集系統設計

張　京　郝花麗　惠月紅　白文豪　徐　濤　西安石油大學電子工程學院　陜西西安　710065

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基于MSP-EXP430的鉆柱振動信號采集系統設計

張京郝花麗惠月紅白文豪徐濤西安石油大學電子工程學院陜西西安710065

【文章摘要】

針對鉆柱振動易于影響鉆具使用壽命的問題，以鉆柱振動信號為研究對象，基于MSP-EXP430 單片機，結合信號處理技術，采用壓電式加速度傳感器采集鉆柱的三維振動信號，利用RS232或ZigBee技術完成傳輸數據，以Labview2010軟件平臺構建系統的監控和分析軟件，最終實現鉆具振動信號的地面實時采集、分析、處理、顯示及故障診斷。本項目的開展將實時提取鉆柱振動信息，為認知所鉆地層的井下工況和巖性分析，為優化鉆頭設計和井下鉆具組合結構、優化鉆井參數，防止鉆具事故及由振動引起的鉆井異常現象的發生提供重要的技術支撐。

【關鍵詞】

MSP-EXP430；鉆柱振動；信號采集

0　引言

鉆柱振動是鉆井過程中常見的物理現象，攜有非常豐富的井下鉆具信息。長期的鉆井實踐與研究表明，鉆柱的高幅振動、跳鉆、大幅度的粘滑扭轉振動對鉆井過程極具破壞作用，是鉆具損壞的主要原因，不僅會影響鉆井速度，還易使鉆柱疲勞破壞，誘發鉆井事故，大大增加了鉆井成本和風險。因此，研究鉆具振動對預測鉆具故障狀態、提高鉆井速度，降低鉆井風險有著十分重要的意義。

圖1　鉆柱振動信息采集器原理框圖

圖2　鉆柱振動信息采集軟件框圖

針對鉆柱振動可能給鉆井和鉆柱帶來的損害問題，Finnie、Bailey和Garrett W RBesausion等人圍繞著鉆柱振動問題開展了大量的理論研究。Lutz等人在井口接頭放置儀表化的傳動鉆桿上測量振動，并采用滑環傳送監測數據進行分析。中國石油大學（北京）高巖副教授、郭學增教授在鉆具振動檢測與分析方面開展了頗有成效的研究，總結出了三牙輪鉆頭的工作特征，即三牙輪鉆頭條件下鉆柱縱向振動的規律和波譜特征，把振動信號按分析頻率分為低頻段、中頻段和高頻段。此外國內的中國石油大學大慶石油學院等單位也進行了大量的鉆柱振動力學方面的研究，也取得了一些認識與進展。截止目前對于鉆柱系統簡單的直井鉆柱的振動理論的分析基本成熟，形成了差分法、有限元法、有線形分析方法和縱橫彎曲法等方法。但作為重要鉆井參數的振動信號，在國內一直沒有得到有效利用，僅限于理論性的研究和室內的實驗，特別是國內在鉆柱振動測量手段上遠落后于西方國家；目前國內還未見到來自現場的試驗報告，尚未有成熟的鉆井振動信號采集、信號分析與鉆井故障診斷系統。

本文將以鉆柱振動為研究對象，以MSPEXP430 單片機作為核心控制器，結合信號處理技術，采用壓電式加速度傳感器采集鉆柱的三維振動信號，利用RS232或ZigBee技術完成傳輸數據，以Labview2010軟件平臺構建系統的監控和分析軟件，最終實現鉆具振動信號的地面實時采集、分析、處理、顯示及故障診斷。

1　鉆柱振動信號采集系統硬件設計

鉆柱振動信號采集系統由：MSPEXP430處理器、振動傳感器、前置放大器、濾波器、通信模塊和電源模塊構成。圖1給出了鉆柱振動信息采集器原理框圖，

1.1主控制器

本系統采用MSP-EXP430G2553作為核心控制器，該控制器是一款超低功耗的單片機，具有5中節電模式，內置12位A/D；供電電壓1.8V~3.6V；為了提高采集精度，本系統采用了外部擴展的16位AD，滿足采集振動信號的要求。

1.2振動傳感器

振動傳感器是監測鉆柱振動的重要環節，由于在鉆井過程中，鉆柱時刻處于旋轉狀態，這就要求加速度計具有良好的中頻和高頻率特性。本文選擇朗斯公司的LC1002振動傳感器，量程范圍±20 g；靈敏度250 mv/g；頻率范圍0~20000 Hz；溫度范圍-40~125 ℃。

1.3放大器

由于振動信號比較微弱，因此本文采用可調增益的放大器，確保采集的信號滿足AD的量程需求。

1.4濾波器

當處于不同的鉆進過程中時，鉆柱的振動特性有所不同，因此，本設計根據不同的鉆井狀態，選擇不同的中心頻率的濾波器，確保了采集精度。

2　鉆柱振動信號采集系統軟件設計

鉆柱振動信號采集系統軟件包括了MSPEXP430G2的軟件和計算機上的分析軟件。其中，MSPE-XP430G2的軟件部分完成單片機的初始化、數據采集、AD 轉換、FLASH 讀寫、通信等功能；計算機上的分析軟件是基于Labview的回放分析軟件，實現對數據的回放、譜分析，振動的信息提取等。其功能主要包括：串口通信、用戶登陸、數據采集、數據分析、數據存儲和歷史數據讀取。由于LabVIEW是基于模塊化程序設計思想，因此在程序開發過程中也遵循著這一基本的思想，在總體方案確定后，根據所需的不同功能分別組建各種功能模塊，最后再進行集成和調試。單片機與PC機間的通信采用ZigBee協議進行無線傳輸。

圖3　鉆柱振動信息采集系統實物

3　結束語

針對鉆柱振動易于影響鉆具使用壽命的問題，以鉆柱振動信號為研究對象，基于MSPEXP430 單片機設計了一套鉆柱振動信號采集系統，實現了鉆柱振動信號的地面實時采集、分析、處理、顯示及故障診斷等功能。為認知所鉆地層的井下工況和巖性分析，為優化鉆頭設計和井下鉆具組合結構、優化鉆井參數，防止鉆具事故及由振動引起的鉆井異常現象的發生提供重要的技術支撐。

【參考文獻】

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基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目資助（編號：201410705032）