石油鉆機關鍵設備在線監測與診斷系統研制

駱學理,金藝,張易,楊曉光,蘇勇,王永超,陳冰鄧,賈登

(中國石油集團工程技術研究院有限公司,北京 102206)

為了實現對在役遠程作業鉆機關鍵設備運行狀態有效監控和設備故障發生預判斷,防止鉆機關鍵設備發生重大事故影響正常鉆井生產作業,不僅需要采集鉆井現場泥漿泵、絞車及配套電機、軸承、齒輪箱等設備的溫度、轉速、振動值等基本參數,還需要采集分析振動加速度、速度、位移的波形頻譜,為更精確監控關鍵設備運轉,同時需要采集和分析關鍵軸具的軸心軌跡。

目前國內數據采集系統多為模塊化產品,功能單一、集成度低,無法滿足多類型參數同步采集分析需求。文獻[1]中通過以太網UDP協議傳輸數據,將采集到的數據上傳到電腦端,對于現場設備分散、多點位監測布線非常不便;文獻[2]中采用芯片內部資源處理數據,處理結果顯示到LCD屏幕上,不適合現場長時間在線監測及預警使用;文獻[3]提出將壓縮算法融入到無線傳感技術中,目前壓縮算法并不成熟,且壓縮時間長,實時性差,無法滿足不同類型信號壓縮。國外數據采集系統已經比較成熟,但是價格高,系統更新維護困難。因此,結合石油鉆井現場高溫、嚴寒、高電磁騷擾以及有線設備線纜鋪設不便等問題,設計了基于無線傳輸和多參數采集的石油鉆機關鍵設備狀態監測系統。該系統由多信號采集系統和系統軟件組成,試驗證明該系統具有數據同步性好,高低溫環境下穩定性強,采集精度高,抗干擾能力強等優點。

1 多信號采集系統整體設計

采集系統主要實現振動、溫度、轉速、軸心軌跡等參數由模擬量到數字量的采集、轉換、編碼以及傳輸功能,主要由以STM32H750處理器為系統核心的主控單元、電源管理模塊、振動和溫度傳感器、傳感器激勵單元、模擬信號濾波單元、WiFi通信模塊、上位機軟件等組成。該系統在布置過程中,可視現場采集實際需要配接溫度傳感器、光電轉速傳感器、ICP加速度傳感器、電渦流傳感器,外接傳感器由激勵源供電,獲取被測對象產生的模擬信號,通過濾波電路、加速度/速度/位移轉化電路、抗混疊濾波器等電路對信號進行濾波等處理,然后分別通過并行A/D模塊電路進行模數轉換,由微處理器接收緩存并處理A/D模塊電路數據,通過無線WiFi通信模塊傳輸至電腦上位機軟件進行處理分析,由系統軟件進行波形顯示、傅立葉變換(FFT)以及數據存儲等。系統軟件可以通過指令實現對采樣接口傳輸速率、A/D模塊的內部抽樣率等控制。監測系統結構如圖1所示。

圖1 監測系統結構示意

2 采集系統硬件設計

2.1 恒流源驅動電路設計

壓電式加速度傳感器內置放大電路,但輸出信號仍非常微弱,需要再經過放大和濾波才能得到可靠的信號。為了保證放大和濾波的穩定性,提高傳感器的抗干擾能力,使用中需要由外部恒流源供電,有效信號疊加在供電電源線上輸出。傳感器工作輸入電壓在24 V,電流為4 mA,設計采用高精度恒流二極管,具備體積小、接線簡單、工作溫度范圍廣的優點[4],適用于多路信號同時采集使用。

2.2 抗混疊濾波器設計

為了防止采樣率不足造成的系統中不同信號發生混合,采用開關電容式抗混疊濾波芯片MAX291,設計了抗混疊低通濾波電路,MAX291芯片所需外部觸發時鐘由處理器主控單元提供。本設計兼顧了高頻與低頻信號采集,采樣頻率動態可調,MAX291芯片時鐘采用微控制器輸出PWM方式控制[5],這樣在切換高頻和低頻信號采樣時,只需要根據不同的采樣頻率輸出不同的PWM信號即可。抗混疊濾波器結構如圖2所示。

圖2 抗混疊濾波器結構示意

2.3 A/D采樣電路設計

在該系統中,模數轉換芯片是保證同步性、實時性的關鍵部件,選用AD7760,24位Σ-Δ型模數轉換器,融合了高采樣速率、八通道同步、高輸入帶寬、高輸入電壓范圍等優勢[6],高速采集時信噪比可達100 dB,完全適合該系統的要求。AD7760型轉換器具有內置基準電壓緩沖器和內置數字濾波功能,降低了對外部基準電壓的要求,因此無需對外部基準電壓、供電電源等做太多復雜濾波即可達到較高的采樣精度。同時,在信號輸入端做單端轉差分處理,降低了信號噪聲,提高了采樣精度,完全滿足該系統的設計要求。

在A/D轉換前需要根據輸入模擬信號的電壓范圍和AD7760型轉換器輸入端口的輸入電平范圍確定輸入模擬信號的放大倍數,在信號輸入端口須考慮去除噪聲,同時要防止引入其他噪聲。A/D采樣電路采集部分模擬電路和數字電路PCB需要分開布局,采用多層電路板,保證A/D采樣電路下面有完整的地平面;采用磁珠既保證模擬地和數字地為單點連接[7-9],又保證A/D采樣電路信號轉換避免受干擾失真,該設計也提高了采集設備在工業現場的電磁兼容性。

2.4 WiFi通信模塊

為減少現場布線,采集設備通信傳輸采取WiFi方式,WiFi模塊內置TCP/UDP協議,同時具有PA放大功能,是一款支持IEEE 802.1b/g/n無線通信標準的嵌入式無線通信模塊[10-11]。WiFi模塊與采集卡通信采用串口透傳,需要將WiFi模塊的 TXD,RXD,RESET管腳分別加到STM32H750微處理器的RXD,TXD上即可,通過主電源引腳為模塊供電,電源引腳并聯儲能電容100 μF和高頻濾波電容100 nF,從而提高無線通信的質量。該模塊外接一個12 dB頻段2.4 GHz延長天線,經戶外空曠環境下Ping包測試有效傳輸距離能達到150 m。

2.5 同步性測試

當使用A/D采樣電路的多個通道采集數據時,需配置循環掃描模式,即多個通道按照配置的順序循環采集,相鄰通道間會存在一定的信號串擾,使得相鄰通道間不可避免地存在一定延遲,造成一定誤差,影響采集的同步性[12]。這些差異會增大后期信號處理的誤差,因此多通道數據采集的同步性是非常重要的問題。為了驗證經過配置后多個通道數據采集的同步性,該設計方案使用信號發生器作為信號源,對其發出的符合采集量程的方波信號進行同步采集測試,經過示波器驗證,同步精度可以達到2.93 μs,遠大于實際所需精度要求。

2.6 數據傳輸幀模塊

數據傳輸幀模塊將振動、溫度、電渦流及轉速數據按照同步采集數據幀格式打包,要求同一個包中各路數據的采集時刻是一致的。該系統需要用高采樣率采集各種波形,波形的采樣順序決定了數據上傳需要采用多幀分包結構,分包格式、數據壓縮算法、傳輸協議是保證大容量數據能夠及時、完整傳輸出去的關鍵。既要保證數據不丟失,又要降低采集數據的冗余度[13-14]。

2.7 硬件抗冷熱及電磁兼容設計

該系統元器件采用工業級,溫度適應范圍為-40～120 ℃,在生產階段對元器件進行高低溫篩選,確保該系統在鉆井現場高溫、嚴寒環境下的穩定運行。傳感器以及系統電路采用有機硅灌封,使其具有優秀的抗冷熱變化能力和導熱性能。電磁兼容性方面,傳感器與采集儀的傳輸線采用雙層屏蔽電纜傳輸信號,線纜兩端的屏蔽層接殼處理,線纜外部采用不銹鋼套管做進一步的防護,可以有效地防止外部干擾信號進入系統。

3 系統的軟件設計

該系統軟件是基于Visual Studio C#開發,軟件參數設定方便快捷,實時動態顯示各種信號波形,數據查詢方便、快捷,數據分析方法全面、詳細,響應快[15]。該系統軟件由采集設備交互控制模塊、數據組態存儲查詢模塊、信號分析處理模塊以及設備在線監測故障分析診斷模塊組成。

1)采集設備交互控制模塊。該部分與安裝在現場的采集設備實時通信,實現控制命令的下發,以及數據回收的多幀拼接、解壓縮并還原為所需各種時域波形。

2)數據組態存儲查詢模塊。該模塊采用sqlite數據庫,涉及建表、插入、刪除、查詢等操作。首先建立設備樹管理現場安裝設備,再通過電子標簽、二維碼等方式將現場設備測點與采集設備通道號關聯,將采集的數據存入對應的目錄。

3)信號分析處理模塊。包括數據的預處理和數據分析兩個部分。預處理部分主要解決初步數據的有效性問題,過濾傳感器損壞、線纜斷裂等特征數據,降低無效數據進入后續分析過程,并且剔除奇異點和消除趨勢項[16-17];數據分析部分包括數字濾波、包絡濾波等功能,首先根據不同設備類型選擇該設備分析所需高通低通濾波器進行數字濾波,過濾無效頻率成分,再根據轉速進行特定包絡濾波,得到有效故障頻率成分。

4)設備在線監測與故障診斷模塊。該模塊可以判斷分析設備故障,軟件對數據采集處理后可以得到時域波形圖和FFT的頻譜圖。

4 采集系統測試

4.1 性能測試

為驗證該采集系統的性能,參照JJG676—2019《測振儀檢定規程》[18],在溫度為25 ℃、濕度為50%的室溫環境下分別對采集系統加速度幅值頻率響應、幅值線性度、頻率誤差等進行檢定校準。

4.1.1加速度幅值頻率響應檢測

在振動采集儀頻率范圍內均勻選取7個頻率點,檢定其幅值頻率響應。由標準振動臺給出在某一頻率下的振動幅值xr,讀取該系統的顯示值xi;改變標準振動臺輸出頻率,記錄不同頻率點下幅值測量示值,按公式(1)計算其幅值相對誤差,測試數據見表1所列。

表1 加速度幅值頻率響應

(1)

式中:δi——幅值頻率響應相對誤差,%;xi——采集系統加速度、速度、位移幅值測量值,m/s2,mm/s,μm,i——加速度(a),速度(v),位移(A);xri——標準振動臺的加速度、速度、位移標準幅值,m/s2,mm/s,μm。

4.1.2幅值非線性度檢測

通過選取合適的參考頻率點,在該頻率下,由標準振動臺給出6個均勻分布的振動幅值,記錄采集系統的測量示值,按公式(1)計算出每點的相對誤差,取最大值即為幅值非線性度。測試數據見表2～4所列。

表2 加速度幅值非線性度

表3 速度幅值非線性度

表4 位移幅值非線性度

4.1.3頻率誤差檢測

在采集系統的測量范圍內,選取7個頻率點,由標準振動臺給出相應的標準頻率,記錄不同頻率下采集系統的頻率測量值,按公式(2)計算頻率誤差,見表5所列。

表5 振動頻率測試數據

頻率誤差計算公式為

(2)

式中:δf——頻率誤差,%;fi——采集系統實測值,Hz;fr——標準振動臺的頻率的標準值,Hz。

測試結果表明,在室溫條件下,系統加速度幅值頻率響應誤差為1%,幅值非線性度誤差1.8%,頻率誤差為0.2%,均優于國標要求。

4.2 溫濕度穩定性測試

中國新疆地區石油鉆井現場夏季的氣溫可能會超過40 ℃,而冬季的氣溫則可能降至-20 ℃左右。根據文獻[19]中的要求,利用恒溫恒濕試驗機在實驗室條件下模擬鉆井現場極端溫度、濕度環境,測試該系統的穩定性,具體實驗步驟如下:

1)振動采集儀安裝于恒溫恒濕試驗機擱架中間,標準加速度計安裝于標準振動臺臺面,傳感器的輸出電纜通過試驗機的過線孔與振動采集儀連接,設定標準振動臺輸出頻率,xr設為10 m/s2。

2)調整恒溫恒濕試驗機溫濕度,記錄采集系統的幅值測量示值,按式(1)計算其幅值相對誤差,部分測試數據見表6所列。

表6 不同溫度、濕度條件下幅值頻率響應

試驗結果表明,該采集系統在-30～50 ℃環境條件下,幅值頻率響應誤差不大于5%,工作穩定可靠,測試結果符合國標要求。

4.3 抗擾度測試

采集系統應用于鉆井現場絞車、泥漿泵的狀態監測,需要對鉆井現場環境中存在的電磁騷擾具有較強的抗擾度,為測試數據采集儀的電磁兼容性,在電磁兼容實驗室內,依據文獻[20]要求,分別對數據采集儀進行靜電放電抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、電涌(沖擊)抗擾度三方面進行測試。

4.3.1靜電放電抗擾度試驗

將待測數據采集儀放置于接地參考平面上高0.8 m的非導電桌上,桌面上的水平耦合板尺寸為1.6 m×0.8 m,并用絕緣支撐將采集儀和電纜與耦合板隔離,利用靜電放電測試儀分別對待測采集儀進行空氣放電和接觸放電,靜電放電抗擾度測試及結論見表7所列。

表7 靜電放電抗擾度測試及結論

4.3.2電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗

將待測數據采集儀與脈沖群發生器正確連接,放置于接地參考平面上,按如下要求進行試驗,測性能判定為優,滿足設計要求: 重復頻率為5 kHz;上升時間為5 ns,持續時間為50 ns;試驗等級為±1.0 kV;采用電源端口作為試驗端口;試驗時間1 min。

4.3.3電涌(沖擊)抗擾度試驗

將待測數據采集儀放置于試驗臺面上與三相電涌發生器正確連接,按如下要求進行試驗,測試性能判定為優,滿足設計要求: 正負極性各5次,間隔時間為1 min,開路電壓前沿/脈寬為1.2/50 μs,試驗等級為差模為±1.0 kV,試驗等級為共模為±2.0 kV,將電源端口作為試驗端口。

5 現場試驗

為進一步驗證該系統性能,2021年10月至2022年3月在新疆某鉆井現場對該系統進行了現場試驗。根據國家及行業標準中規定的設備振動烈度閾值,結合振動監測數據的趨勢分析,鉆井泵、絞車設備運行平穩均未超出標準規定的報警閾值。現場試驗證明該系統運行穩定,測量準確。

6 結束語

本文研究了1套石油鉆機關鍵設備在線監測與診斷系統,實現了對鉆機關鍵設備的振動、溫度、轉速、軸心軌跡等參數的同步采集以及無線傳輸,與國內市場上同類產品相比,該系統具有無線采集與傳輸、高精度數據采集、較強的抗干擾能力、實時監測與診斷等優勢;與國外市場上同類產品相比,該系統性價比更高。目前,該系統已應用于新疆、長慶油田鉆井現場,下一步將從豐富采集軟件功能著手,利用采集到的數據同鉆井現場維修記錄相結合,逐步形成個性化診斷標注庫,根據鉆井泵與絞車運行時間和監測數據,最終實現實時、動態更新的診斷標準庫。