隨鉆儀器地面工控計算機的研究

尹金東，李昌紅，蔣 韜

（1.鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413；2.大慶油田第一采油廠第四油礦，黑龍江大慶163000）

1 概述

隨著大斜度井、水平井以及海上鉆井作業的增加，隨鉆測井在國內外已發展成為成熟的測井技術，隨鉆測井取代電纜測井已成為必然的趨勢。我國要緊跟世界石油工業先進技術的發展步伐，實現跨越式發展，達到提高國內隨鉆測井技術水平的目的，就要有發展隨鉆測井技術的新思路。工控計算機是整個系統的重要組成部分，可以把采集的井下被測參數的瞬時值隨時間的變化過程記錄下來，并進行數據處理，實現地層和構造模擬與解釋，完成地層評價，是鉆井決策的最重要依據。

2 地面系統工作原理及研究內容

地面系統主要由傳感器組（包括壓力傳感器、井深跟蹤傳感器、大鉤載荷傳感器）、接線盒、司鉆顯示器、井下數據采集處理儀、工控計算機、打印機/繪圖儀構成。井下數據采集處理儀為壓力傳感器、井深跟蹤傳感器、大鉤載荷傳感器、司鉆顯示器提供安全的工作電壓、電流，傳感器組將檢測到的各組電壓或者電流信號經接線盒傳輸到井下數據采集處理儀及工控計算機中的數據采集卡，工控計算機在現場把信號較高精度地轉換成數字量，對其進行處理、計算，得到有關測量數據。并且能通過遠傳通信技術（如485、232、以太網、各種無線網絡）把數據傳到其他控制器中。

本次對工控計算機的研究工作主要有：

①計算機的選型；

②數據采集卡的選型與設計。

借鑒現有的成果，吸收成熟的技術；外購設備的選擇上，采用穩定的產品，以能滿足實際工作情況為第一目標，爭取在最短的時間內完成樣機的研制與測試。

3 工控計算機的選型

工控計算機是地面系統的大腦，為了確保計算機能夠在現場復雜惡劣的自然環境中可以長時間無故障運行，所以采用工業控制計算機（工控機）作為系統軟件計算機。

工控機（Industrial Personal Computer—IPC）是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為一個工業控制器在工業環境中可靠運行。通俗地說就是專門為工業現場而設計的計算機，而工業現場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續作業即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比具有以下特點：

（1）機箱采用符合“EIA”標準的全鋼化工業機箱，增強了抗電磁干擾能力，有較高的防塵、防沖擊的能力。

（2）機箱內有專用底板并采用總線結構和模塊化設計技術。CPU及各功能模塊皆使用插板式結構，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。隨著工控機被大量用于工業現場，基于母板的系統是不靈活的，為了修復或更新系統需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導致修復或更新時系統停機時間增加，這在工控現場是不可接受的。因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。這種結構使得系統更新和修復簡單而且停機時間最少。這種設計理念影響了整個工控機的發展。

（3）機箱內裝有雙風扇，正壓對流排風，并裝有濾塵網用以防塵。

（4）機箱內有專門電源，有過壓、過流保護，并有較強的抗干擾能力。

（5）要求具有連續長時間工作能力。

（6）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關，可防止非法開、關和非法鍵盤輸入。

（7）開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應用軟件。

（8）可配置實時操作系統，便于多任務的調度和運行。

（9）一般采用便于安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見）此整體架構也有助于整體系統的散熱，系統的風流圖如圖1所示。

圖1 機箱風流圖

除了以上的特點外，其余特點與普通計算機基本相同。另外，由于以上的專業特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機稍高。因此我們選擇工控機作為整套地面設備的系統軟件計算機。

壓力傳感器和數據采集卡的選型：進口的由壬式壓力傳感器價格昂貴（5000美元左右），國產的螺紋扣式壓力傳感器雖然價格相對便宜（3000元人民幣左右），雖然在耐用性上與進口的由壬式壓力傳感器相比有很大的差距，但可以在國產螺紋扣式壓力傳感器的基礎上，進行改進，提高耐用性又可以合理的控制成本（5000元人民幣左右）。目前樣品已經設計制作完成，車間測試效果良好。

壓力傳感器的信號采集工作是由工控計算機內的一塊附加數據采集卡完成的。壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號通過數據采集卡在現場把信號進行采樣、保持，并送入A/D轉換器（模數轉換器）變成數字信號，然后將該信號送到FIFO（先進先出的數據緩存器）中。當FIFO中存放的數據到了一定數目時，由處理器從FIFO中讀出，然后通過遠傳通信技術（如485、232、以太網、各種無線網絡）把數據傳到計算機或者其他控制器中進行處理。

數據采集卡選用美國國家儀器有限公司（National Instruments）的PCI-6030E數據采集卡，如圖2所示。NI PCI-6030E具有可靠的數據采集能力，其指標可達16位分辨率的16路單端模擬輸入和100kS/s的采樣率，NI PCI-6030E讀寫不同類型的硬盤的速度最大可達100kS/s，可滿足絕大多數應用的要求。

圖2 PCI-6030E（PCI-MIO-16XE-10）數據采集卡

4 數據采集子卡的設計

此款數據采集子卡與PCI-6030E數據采集卡配合使用。此款數據采集子卡所涉及的電子元器件對工作環境沒有特殊要求（-20℃～70℃），均為市面上正在銷售的產品，采購方便。數據采集子卡原理圖及PCB電路圖如圖3所示，實物如圖4所示。

圖3 數據采集子卡原理圖及PCB電路圖

圖4 設計制作的數據采集子卡PCB板

5 通訊方式

工控計算機與井下數據采集處理儀可以通過ARCNET（采用光纖或者網線作為傳輸介質）、RS232等傳輸方式進行數據交換。

光纖通信容量大并且頻帶寬，可利用的帶寬約為50000GHz；損耗低，中繼距離長；并且光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設備等工業電器的干擾。因此大多地面設備的系統軟件計算機為了確保數據傳輸的速度、準確、穩定，采用ARCNET的方式。但應用此方式還需另選擇了光纖卡，以光纖卡PCX20-FOG-ST為例，售價在人民幣5000元左右，所以應用ARCNET的方式成本較高。

因系統軟件計算機與井下數據采集處理儀正常工作時，距離很近（不足1m），并且之間傳輸的數據量不大，RS232傳輸方式也可滿足工作需要。為減少成本，選擇RS232傳輸方式，需注意的是，所用電纜必須做好屏蔽，以阻止電磁等干擾，這樣既滿足了數據傳輸的速度、準確和穩定性，又控制了成本。工控計算機與井下數據采集處理儀之間傳遞數據的數據電纜選擇百通（Belden）的產品，數據接頭的選擇上，決定選用雷莫（Lemo）的產品。不但可以保證井場數據傳輸的質量，還可以保證與已有設備良好的兼容性，接線關系如圖5所示。

圖5 RS232傳輸方式關系圖

6 應用前景

本項目研究成功后，解決了LWD隨鉆儀器井下工具通訊問題和地面的測井解釋問題，并優化了定向模塊和電阻率模塊，提高了自主研發的隨鉆測井儀器的穩定可靠性，為具有自主知識產權的隨鉆測井儀器奠定更加堅實的基礎，降低了LWD應用成本，應用前景廣闊。