轉盤扭矩監控系統設計＊

劉 佳，李喬喬

（1.廣州南洋理工職業學院，廣東 廣州510900；2.新鄉航空工業（集團）有限公司，河南 新鄉453000）

1 引言

石油和地質勘探開發中液壓轉盤主要實現鉆探開發過程中頻繁的鉆修井作業，在鉆井過程中，轉盤的功能是傳遞扭矩，帶動鉆具旋轉鉆進，將扭矩傳遞到鉆具上，使轉臺獲取相對的轉速并能輸出扭矩的水平轉動設備。包括轉盤液壓執行機構、液壓動力源、液壓控制端和機械連接部分，液壓轉盤驅動力在于液壓系統，經過轉動軸或鏈條箱的鏈條能使轉盤旋轉，實現轉盤給鉆桿施加扭矩。

轉盤扭矩是鉆井過程中轉盤工作狀態的重要參數之一，對轉盤扭矩進行動態監測能提前預判井下工作狀態，預防鉆井工程事故的發生，避免卡鉆事故，降低鉆井風險。轉盤扭矩監控系統主要用于鉆修井勘探開發過程中實時監控轉盤扭矩，司鉆和相關技術人員能及時推斷井下磨阻的變化和鉆頭的磨損情況，根據扭矩變化情況合理調節參數以得到優化鉆井的效果。對保證鉆井過程安全具有重要的現實意義，從而達成安全生產的目的。

2 系統整體設計

轉盤扭矩監控系統主要由轉盤扭矩傳感器單元、按鍵單元、轉盤扭矩采集單元、報警單元、顯示單元、無線通信單元、上位機單元組成。轉盤扭矩采集單元采用單片機微處理器開發，轉盤扭矩傳感器單元電信號經過信號處理后傳送到轉盤扭矩采集單元，按鍵單元完成轉盤扭矩的配置，轉盤扭矩采集單元采集轉盤扭矩信號經由數據處理工程值計算后傳送到顯示單元進行顯示，當顯示值超過報警門限時，驅動報警單元動作，上位機單元通過無線通信單元與轉盤扭矩采集單元傳輸數據。位于室外的轉盤扭矩監控系統的防爆等級依照行業標準必須大于或等于ExdⅡBT4，防護等級必須大于或等于IP56。系統框架如圖1所示。

圖1 系統框架圖

2.1 轉盤扭矩傳感器單元

轉盤扭矩傳感器單元由轉盤扭矩傳感器、連接電纜及安裝附件組成。鉆修井作業時，轉盤驅動鉆具，轉盤傳動鏈條的張緊程度相對于轉盤的扭矩。轉盤扭矩傳感器測量轉盤鏈條的張緊力。最理想的固定位置是在轉盤的驅動鏈條箱內鏈條緊邊的下面，惰輪位于主動鏈輪與從動鏈輪的正當中。傳感器的底板安裝平面與鏈條緊邊中心線（繃直狀態）平行。傳感器的搖臂活動端位于主動鏈輪方向，并在鏈條箱貼近轉盤傳感器液壓缸地方引出傳感器的液壓管線[2]。

轉盤鏈條的張緊力通過液壓管線傳遞到液壓變送器，將液壓信號變換為電流信號，轉盤扭矩變送器DC4～20 mA電流信號通過轉盤扭矩傳感器單元由信號處理后經轉盤扭矩采集單元進行采集處理。現場安裝時通常采用三通接頭實現鏈條張緊力液壓信號和轉盤扭矩變送器電信號轉換[3]。

2.2 按鍵單元

按鍵單元主要由標定/監控按鍵和數碼開關組成。當標定/監控按鍵按下時，轉盤扭矩監控系統處于標定情形，轉盤扭矩監控系統循環顯示數碼開關的標定系數A和數碼開關標定系數B，便于操作者觀察和修改。標定/監控按鍵彈起時，轉盤扭矩監控系統處在監控狀態。

2.3 轉盤扭矩采集單元

轉盤扭矩采集單元采用單片機微控制器開發為主控制器，包括隔離安全柵、無線通信單元接口電路、CPU單元、電源單元、按鍵單元接口電路、顯示單元驅動接口電路。本設計中單片機微控制器采用ATmega32先進的RISC結構，具有獨立片內振蕩器可編程的看門狗定時器，可設置為多種休眠模式來降低功耗，內部含8 KB片內SRAM，32 KB FLASH，ADC模數轉換器[4]，PCB電路排版設計時采用表面貼裝技術TQFP封裝使質量和尺寸減少，提高了電路的穩定性和可靠性，抗干擾能力強，實用于鉆修井工況場合。

2.4 顯示單元

顯示單元與轉盤扭矩采集單元通過顯示驅動接口電路連接，實時顯示轉盤扭矩數值，當顯示數值超過設置報警值時閃爍，提醒操作人員注意安全。

2.5 報警單元

報警單元主要由聲光報警器組成，當顯示數值超過設置報警值時閃爍，轉盤扭矩采集單元驅動聲光報警器發出報警聲音并有規律閃爍提醒。

2.6 無線通信單元

無線通信單元基于SX1278貼片型射頻集成電路和附屬電路構成，通信距離較遠，傳輸功耗低全球免許可的ISM頻段，工作電壓為2.0～5.5 V，適用于電池應用的領域。

2.7 上位機單元

上位機單元與轉盤扭矩采集單元通過無線通信單元提供無線長距離數據傳輸功能，完成轉盤扭矩參數的自動保存，工程技術人員可隨時查詢井下鉆具的實時及歷史數據和曲線,包括井號、鉆井時間、操作人員、轉盤扭矩最大值和最小值，可通過網絡遠程瀏覽[5]。

3 軟件設計

轉盤扭矩監控系統軟件設計主要由初始化子程序、讀標定系數A子程序、讀標定系數B子程序、轉盤扭矩數據顯示子程序、模數A/D采集子程序、數據處理子程序單元、數據通訊子程序等幾部分組成，軟件設計流程如圖2所示。

圖2 軟件設計流程圖

轉盤扭矩監控系統初始上電后，轉盤扭矩采集單元的ATmega32單片機由初始化子程序進行初始化設置，配置定時器的工作方式和初始值，許可中斷源對應的中斷位，設置中斷的優先級別，配置串口相應工作模式和通信波特率，預先初始化數據變量和命令字；然后通過調用讀標定系數A子程序、讀標定系數B子程序，讀出保存在鎖存器中的數碼開關分別為標定系數A和標定系數B；當標定/監控按鍵彈起時，轉盤扭矩監控系統處于監控模式，采集轉盤扭矩電流信號調用模數轉換子程序，數據濾波子程序處理，轉換為轉盤扭矩工程值后，顯示單元實時顯示轉盤扭矩數值；當標定/監控按鍵按下時，轉盤扭矩監控系統處于標定模式，轉盤扭矩監控系統循環顯示數碼開關（標定系數A）和數碼開關（標定系數B）。系統通過無線通信單元調用上位機數據通訊子程序，將轉盤扭矩工程值傳輸到上位機進行記錄和處理。

4 結語

本文提出的轉盤扭矩監控系統設計，具有操作簡便、實現成本低、靈活性高的特點。通過實時監測轉盤扭矩能提前判別鉆具的工作狀況，預防鉆井工程事故的發生，對預防因鉆具引起的異常事故，降低鉆井風險具有實際指導意義。具備較好的經濟收益和社會效益，對實現安全鉆井，進而完成安全生產的目的有相當重要的現實意義。