基于非接觸測量的快輪傳感器的設計

蔡文軍， 孫長征

(1中石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院 2中石化勝利石油工程有限公司渤海鉆井總公司)

游鉤實際位置是鉆井自動化系統中非常重要的參數，例如電子防碰系統中，當游吊系統到達防碰預警高度時，緩沖防碰裝置發出預警減速信號，SCR 系統接收到該信號后，自動將電機轉速降低到司鉆設定的速度[1]；鉆井儀表或者錄井系統中，大鉤提升或下放鉆桿柱直接反映了起鉆、下鉆的位移與速度，因而對大鉤的控制特別重要[2]。通常情況下，絞車滾筒主軸上加裝編碼器， 計算出大鉤實時位置[3]。但這種方式存在如下不足：首先，操作頻繁。每次搬家、重排、整理或更換鋼絲繩之前都需要對滾筒或者游車進行校準，并輸入大量參數。另外，誤差比較大。一般情況下存在非線性誤差以及人為誤差。對于非線性誤差，由于旋轉編碼器測量的是電動機的轉速和轉角，再通過數學比例轉換為絞車的速度和位置，而未考慮鋼絲繩直徑和滾筒長度，必然會產生誤差，誤差會隨著井深的增加而加大[4]。另外每次人工校準都要對許多參數重新測量，任何參數的測量誤差都會導致整體精度的降低；其次，使用這種傳感器實現的電子防碰系統在使用過程中故障率高，穩定性、抗干擾能力差，設置的防碰高度、零點經常跳變不能起到很好的保護作用[5]。

為了避免上述弊端，考慮對天車快輪進行測量。由于天車快輪與游鉤位置具有嚴格的線性關系，所以對其測量能夠有效消除非線性誤差。使用時僅需通過一次校準確定線性系數，存在許多難點：

(1)傳感器不能與快輪有任何接觸，因為快輪工作時轉速很高同時具有很大的慣性，任何接觸都會導致傳感器的損壞。

(2)不能在快輪上鑲嵌任何標志或感應裝置，否則會破壞快輪原有的動平衡特性。

(3)不能對快輪本體進行任何機械上的改造，否則會降低快輪的機械強度，帶來更大的安全風險。

(4)不能采用任何具有光電效應的傳感器，因為快輪工作時會產生大量的油污飛濺，導致光電效應失靈。

(5)天車快輪沒有提供可以安裝任何形式編碼器的接口，所以傳統編碼器無法應用。

本文介紹了一種能夠解決上述難點的非接觸傳感器，并且對其核心控制技術，即非接觸組合掃描方法進行了描述，最后介紹了這種特殊傳感器的安裝及使用方式。另外，由于國內外目前沒有其它類似的方法以及產品，所以本文并沒有描述其發展歷史以及引用其它相關研究理論。

一、基本原理

為了保證機械強度，快輪在設計時通常在其表面增加有加強筋或者通孔，稱之為特征。由于快輪旋轉是一個動態過程，這些特征也連續變化。例如當快輪旋轉時，從快輪表面上靜止的一點觀察，會有連續的特征變化，這些特征變化具有周期性，觀察點增多，所有觀察點所確定的特征組合稱之為當前快輪所處的狀態。當快輪旋轉時，快輪的狀態同樣也發生連續變化。這些特征的變化規律轉換成快輪旋轉時的一些狀態，就能夠計算出快輪的運行參數，例如轉速以及累積脈沖等。

目前國內天車快輪表面的特征主要分為兩類，一類是針對于小型鉆機，一般是40以下鉆機，這一類快輪表面無加強筋，主要特征是過孔以及金屬面，本文將這一類快輪稱為單層結構快輪，如圖1(a)；另一類針對于中大型鉆機，即40以上鉆機。這一類快輪表面除此外為了增加機械強度還存在加強筋，本文稱之為雙層結構，如圖1(b)。

圖1 兩種快輪表面特征

二、組合掃描方法

對于不同的快輪，例如不同的尺寸或表面特征，旋轉一周狀態的變化規律并不相同。另外，對于相同快輪在不同轉速情況下的狀態也會發生變化。這就需要讓傳感器“學習”其所對應快輪的狀態變化規律，這一過程稱之為“辨識”。當快輪靜止或者低速旋轉時的辨識稱之為靜態辨識，這一過程主要是讓傳感器存儲快輪旋轉一周的全部狀態。當快輪轉速逐漸提高過程，其狀態也會發生變化，這一過程的辨識稱之為動態辨識。對于雙層快輪，還要對快輪表面的背景特征進行識別。在快輪辨識以及之后的運行過程中，均需要使用一種本文稱之為非接觸組合掃描的方法，其設計采用分層結構，從下至上分別是識別層、狀態層、解釋層以及協議層。本文結合兩種典型快輪的表面特征，對其進行分別描述。

1．識別層

識別層又稱物理層，由一組非接觸模擬量接近傳感器組成。對于雙層快輪，其排列規律如圖2所示。這組傳感器呈雙列對稱分布，并且其圓弧的圓心與快輪圓心重合，該圓弧角度為45°。對于單層快輪，采用單列45°對稱分布。

圖2 雙層快輪傳感器的排列形式

每個傳感器相當于基本原理所述觀察點的功能，其目的是要把快輪金屬表面與傳感器之間的距離變化轉變成可靠的數字信號。快輪旋轉時，每個傳感器會交替產生具有升余弦特性的脈沖信號。快輪高速旋轉時的速度可達720 r/min，對于單層結構快輪，理想情況下(即無配重塊干擾)，快輪每旋轉一周會產生8個脈沖，脈沖頻率可達96 Hz。為了將如上波形轉換成數字信號，需要進行邊沿捕獲，使用數字信號處理器很容易實現。這里需要注意，一般這種感應式傳感器在某些極限位置有可能發生振蕩，當振蕩產生時將會導致捕獲錯誤，此時需要進行信號處理，一般采用低通濾波器，圖3黃色表示發生振蕩的信號，紫色表示經過濾波之后的信號，可以看出在整個振蕩周期僅能夠進行一次有效邊沿捕獲。

圖3 振蕩信號的處理

任意時刻，每個傳感器所采集的信號均代表了其所在位置快輪金屬表面的特征。對于單層快輪，傳感器識別兩種特征，當傳感器處于過孔位置時其特征為“金屬不存在”，處于金屬面為“金屬存在”。對于雙層快輪，除此之外還存在與加強筋相關的特征。另外，傳感器對金屬面的測量值能夠直接體現出快輪的整體軸向偏移，當該值振動比較劇烈時說明快輪運行時的軸向振動也比較劇烈，一般情況下可以考慮更換快輪，所以該值是判斷快輪壽命的重要依據。

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物理層具備溫控電路，可保證傳感器工作在合理的溫度范圍，保證測量精度。

2. 狀態層

任意時刻，每個傳感器對應的特征組合稱之為狀態。每一種狀態對應于快輪的某一特定位置，并且可以對其編碼，使用特定的數字進行描述。如圖4所示，這是單層結構快輪在某一時刻的狀態，其中紅圈代表的傳感器組呈45°對稱分布。這里規定傳感器組的編號從右向左依次為1～7號。很明顯，圖中1、2、3、7號傳感器處于金屬面位置，用邏輯數字1表示“金屬存在”，4、5、6號傳感器處于過孔位置，用邏輯數字0表示“金屬不存在”，這樣這組傳感器代表的二進制數為1000111，十六進制數為0x47，即當前快輪所處狀態為0x47。

圖4 某一時刻的穩定狀態

以此類推，當快輪逆時針旋轉時，理想狀態下其狀態變化規律可以依次組成如下狀態數組：{0x63,0x43,0x67,0x47,0x07,0x06,0x0f,0x4f,0x4e,0x46,0x0e,0x1e,0x0c,0x1c,0x3c,0x18,0x38,0x39,0x70,0x79,0x31,0x78,0x30,0x71,0x61,0x73} 。靜態辨識就是獲得該狀態數組的過程。

若快輪旋轉時這些狀態均能被有效檢測出來，那么快輪每旋轉一周會產生8個周期的狀態變化，總計8×26=208個狀態。但是隨著轉速增加，有些狀態會變得不穩定，甚至檢測不到，這種狀態稱之為不穩定狀態，不會隨轉速變化而變化的狀態稱之為穩態。圖4所示為穩定狀態，圖5所示為不穩定狀態。當快輪逆時針旋轉經過這種狀態時，會連續產生如下幾種狀態，即0000111、0000110、0001111、1001111、1001110、1000110，所形成的狀態數組為{0x07,0x06,0x0f,0x4f,0x4e,0x46}。

當轉速的超過某一閾值后，該狀態數組有可能發生狀態丟失現象，而圖5僅僅是其中一個不穩定狀態。經過分析，在一個狀態周期中一共存在六個穩定狀態，分別是0x63、0x47、0x0e、0x1c、0x38、 0x71。其它狀態均為不穩定狀態，不穩定狀態分成6個不穩定狀態數組分別是{0x43,0x67}，{0x07,0x06,0x0f,0x4f,0x4e,0x46}，{0x1e,0x0c}，{0x18,0x3c}，{0x39,0x70,0x79,0x31,0x78,0x30}，{0x61,0x73}，每兩個不穩定數組之間均存在一個穩定狀態。當發生狀態丟失時，每個不穩定狀態數組都有可能發生狀態丟失，這種情況必須被系統識別， 前文所提到的動態辨識就是獲得不同轉速條件下對應的狀態數組。

圖5 某一時刻的不穩定狀態

3. 解釋層

解釋層的主要功能是將狀態的變化轉換成計數值。狀態數組中的任何狀態都可以被設置成起始狀態，這一過程對應著使用者的“清零”或者“游鉤回零”操作。當某一狀態被設置成起始狀態之后，該狀態也稱為計數零點，當快輪順時針或者逆時針旋轉時，系統的狀態也會按照上文中所述狀態數組的遞增或者遞減順序變化，若按照遞增順序變化一次，即進入到相鄰的下一個狀態，則系統的計數值加一，反之減一，這樣就將傳感器相對于起始位置的位置變化轉化成計數值。例如，使用者在狀態0x0e進行了“清零”操作，那么當系統狀態變化為0x46計數值為-1，若狀態變化為0x1e，那么計數值為1。

表1 通信協議舉例

4. 協議層

三、 傳感器的安裝及使用

前文已經介紹，傳感器組的中心線必須與快輪的中心線重合。如何保證可靠精確的安裝是一難題。本文提出了一種安裝方式，通過重新設計天車快輪鋼絲繩防跳槽支架實現。將傳感器通過螺栓固定在支架上，然后將防跳槽支架安裝至快輪即可，這樣的安裝方式即不影響快輪運行，又保證傳感器能夠可靠的掃描快輪表面。固定后的傳感器以及快輪的安裝如圖6所示。

圖6 傳感器安裝方式

本文所述傳感器能夠輸出原始的增量型計數脈沖，也能夠以標準Modbus數據幀的形式通過現場總線進行訪問。由于該傳感器安裝的位置在天車快輪旁邊，與上位機或者控制系統的距離比較遠，所以本文提出了一種無線通信解決方案。系統由非接觸傳感器(天車)，將數據信號從節點無線收發單元(天車)，傳輸到主節點無線收發單元(司鉆房外側)，從而在人機界面(司鉆房內部)上顯示。非接觸傳感器供電來自于天車頭上的探照燈電源，這樣鉆機在搬家過程中也無需拆線，使用非常方便。

四、 結論

本文介紹的新型傳感器采用了非常獨特的非接觸組合掃描技術。目前，中石油和中石化的部分鉆機已經安裝有基于這種傳感器的電子防碰以及鉆井儀表系統，效果明顯。從現場實際使用的反應來看這種傳感器的特點如下：①非接觸測量。無需對快輪本體進行任何改造，不影響快輪的機械強度；②精度極高。無線性誤差，測量精度優于滾筒編碼器；③無需校準。出廠后無需校準，省去了繁瑣的標定過程；④通過快輪的軸向振動判斷快輪的工作情況。

目前該系列傳感器已經進入到第三代，更新了核心算法，同時系統固件中已經固化了目前國內主流廠家快輪的特征矩陣，省去了辨識過程，實現了即裝即用。