石油修井機防碰儀自動監控系統的設計研究

丁紅軍+++劉志強

摘 要：基于修井機的安全監測要求，設計的監控系統采用能夠滿足要求的AT89C51單片機作為核心單片機，應用監測信號無線傳輸來取代原有的有線傳輸，同時無線發射接收部分采用模塊化設計；改變原有的對絞車盤進行監測的方式，提高了系統的檢測準確度，也簡化了監測系統的線路，使設備更簡潔、更小型化、便于安裝及調試。

關鍵詞：修井機；防碰儀；監控系統

引言

由于科學技術的發展和前進，工業上的各種機電產品在智能化、在線實時監控性以及人機交互界面友好性上有了更高的要求。對于石油機械的修井機，對在線實時監控監測性能上提出了更高的要求。

在現有的應用情況來看，對修井機的可監測性有以下的幾個要求。（1）要去能夠對修井機工作頭的位置進行適時監測，并同步顯示給操作人員，并能實現自動蜂鳴器報警。（2）監測設備在結構和線路排布上應盡可能的簡單，以提高其可靠性和安全性，監測系統所用的傳感器應能在較為惡劣的自然環境下進行工作，不易受到外界環境的影響。（3）監測監控系統安全可靠，使用壽命長，便于安裝和維修，使用成本經濟等特點。

1 修井機監控系統總體設計

為達到技術指標，將傳感器直接裝在天棚的飛輪上，通過對飛輪的轉數監測轉換成工作頭的位置信號，信號采集監測收集頭采用兩個霍爾傳感器與單片機直接連接，把磁鋼安裝在修井機天棚的鋼制飛輪上面。當飛輪正轉的時候帶著磁鋼首先通過霍爾傳感器A，單片機關閉所有外部中斷以保證磁鋼再次通過霍爾傳感器B時的信號不會對單片機的計數造成影響，同時單片機開始對飛輪轉數開始計數增加；當飛輪處在反轉的狀態時候，磁鋼首先通過霍爾傳感器并被感知，單片機開始計數并減少。采用這種監測方法也很容易實現飛輪正反轉方向的識別計數。

當單片機完成轉數的計數后，數據就被用串行口發送到無線發射模塊PTR2000，然后發送給控制室的接收模塊，接收模塊也是由單片機和無線接收PTR2000組成。最后把轉化后的值在四位七段數碼管上進行顯示。

1.1 通井機監測系統的設計框圖

修井機監測系統的工作原理框圖如圖1、圖2所示。

1.2 系統硬件設計

系統采用的單片機是AT89C51，它具有價格低廉、性能良好等特性，綜合了實際情況以及本設計所需的性能及各種要求，選用AT89C51作為主控單片機[1]。系統的無線傳輸模塊PTR2000：無線收發一體數傳MODEM模塊PTR2000芯片性能優異，它的顯著特點是所需外圍元件少，設計方便。該模板塊在內部需成了頻道切換、功率放大、高頻接收、FSK調制/解調等功能，因而是目前集成度較高的無線數據傳輸的產品。信號采集傳感器NJK-5002C霍爾傳感器特點：它具有結構簡單堅固、小巧、質量輕、使用壽命長、安裝方便、消耗功率小、抗震動、不怕各種環境的污染和腐蝕，例如灰塵、油污、水汽及霧等?；魻杺鞲衅鬟€具有精度高、線性度好的特點；若能進一步取用了各種補償和保護措施，會使得霍爾器件的工作溫度范圍達到-55℃～150℃。

1.3 儀器的監測監控信號采集的設計

本系統的監測監控系統采用兩個NJK-5002C接近式霍爾傳感器作為檢測磁性信號的輸入，以感應天棚飛輪上的磁鋼的運動和轉數，兩個霍爾傳感器的設計安裝距離為在15mm左右，這樣既可以保證磁鋼通過時候不會產生誤判，又能夠保證感知磁鋼都輸出信號。（因為霍爾傳感器作用距離一般小于10mm）[2]。

1.4 無線接收和無線發射電路的設計

無線接收與無線發射模塊中，兩種PTR2000與單片機的連接口方式是一樣的，主要是由于PTR2000為無線發射接收一體化得集成模塊，其究竟處于發射形式還是接收形式，是由其TXEN口是接高電平還是低電平，所以在電路的無線接收和發射模塊中，兩者的硬件連接方式是一樣的，只是軟件的設計有些不同。

2 系統安裝設計

把兩個NJK5002C為接近式霍爾傳感器安裝在飛輪支架上，兩個傳感器之間的距離為15mm；磁鋼安裝在飛輪上，根據測量的精度要求可以安裝多個磁鋼，均勻分布在飛輪上。這樣傳感器通過感知磁鋼來測定飛輪轉的圈數，在通過系統轉換成鋼絲繩的長度，從而測量出深度[3]。

3 儀器顯示電路的設計

修井機的作業深度一般在五千米左右，所以采用四位七段數碼管可以滿足顯示的需要。根據不同型號的修井機的需要，也可采用有小數點的八段數碼管，如果要求精度達到一米以下，可選用五位八段數碼管。綜合考慮了修井機的精度及常用型號，選用四位七段數碼管，精度為一米[4]。

4 軟件工作程序模塊設計

本系統設計的程序分為發射模塊和接收模塊這兩個主要的部分：

其中無線發射模塊的程序有：（1）系統初始化程序；（2）系統主程序；（3）系統發送程序。

無線接收模塊程序：（1）初始化程序；（2）主程序；（3）PTR2000數據接收程序；（4）循環/深度轉換程序；（5）報警子程序；（6）鍵盤輸入設定的工作深度程序；（7）循環次數記錄子程序。

5 操作面板設計

右側上端為四位數碼管，可顯示總深度和循環次數。數碼管左側為兩個LED，分別指示數碼管顯示的為工作頭深度和循環次數。最下側為復位鍵，終止蜂鳴鍵，深度/循環轉換鍵，總電源開關。

6 結束語

由于采油修井機的要求，修井機自動監測監控的系統采用價格低廉且能夠滿足要求的AT89C51單片機作為設計的核心單片機，應用監測信號無線傳輸來取代原有的有線傳輸，從而簡化了監測系統的線路，使得設備更簡潔，更小型化。同時改變原有監測的方式，使檢測的準確度提高。同時無線發射接收部分采用模塊化設計，是機構更加簡潔，也更便于安裝及調試。

參考文獻

[1]宋江平.鉆機防碰天車監控系統設計[J].石油機械，1996，24（1）：48-50.

[2]陳礪，譚盈科.單片機原理和應用[M].北京：電子工業出版社，1997：5-24.

[3]王如竹，等.新型防碰天車研制[J].中國設備工程，2005（4）：28-30.

[4]章立標，張詩針.修井機主滾筒繩、亂繩現象探討[J].石油機械，1995（1）：79-82.

作者簡介：丁紅軍（1975，12-），男，湖南省武岡市，職稱：講師，學歷：博士，研究方向：機械設計制造。