談石油鉆機鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

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摘要：針對目前石油鉆機非總線通信鉆井儀表系統(tǒng)電纜數(shù)量多、容易受到電磁干擾、故障排查困難、擴展能力不足、遠(yuǎn)程傳輸能力弱等問題，提出CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，利用傳感器采集鉆井儀表系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)并通過CAN總線通信方式將傳感器數(shù)據(jù)信號傳輸至觸摸屏一體機，觸摸屏一體機接收并處理傳感器數(shù)據(jù)信號后進(jìn)行參數(shù)顯示。采用無線通信方式將鉆機現(xiàn)場鉆井儀表系統(tǒng)信息發(fā)送至后臺監(jiān)控單元。

關(guān)鍵詞：鉆井儀表；CAN總線；觸摸屏一體機

引言

石油鉆機鉆井儀表系統(tǒng)用于檢測和顯示懸重、鉆壓、立管壓力、泵沖、泥漿罐液位等相關(guān)儀表系統(tǒng)參數(shù)，輔助司鉆進(jìn)行鉆井作業(yè)。目前石油鉆機鉆井儀表系統(tǒng)配置了大量傳感器，各類傳感器分別通過單獨電纜連接至數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱內(nèi)的電路板接收并處理傳感器信號后通過RS485通信方式將儀表系統(tǒng)參數(shù)發(fā)送至司鉆房前臺顯示單元和隊長辦公室后臺監(jiān)控單元，導(dǎo)致鉆井儀表系統(tǒng)電纜數(shù)量多、容易受到電磁干擾、故障排查困難、擴展能力不足、遠(yuǎn)程傳輸能力弱等問題。隨著技術(shù)發(fā)展，提出CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，徹底解決目前鉆井儀表系統(tǒng)存在的問題。

1石油鉆機鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案

采用CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統(tǒng)設(shè)計方案。系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理及顯示單元、無線遠(yuǎn)程傳輸單元、后臺監(jiān)控單元組成。傳感器采集儀表系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)后接至CAN總線節(jié)點盒，每個傳感器連接1個CAN總線節(jié)點盒，通過CAN總線節(jié)點盒內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換模塊將傳感器的模擬量和數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為CAN總線通信信號，CAN總線節(jié)點盒之間互連并采用CAN總線通信，CAN總線節(jié)點之間沒有主從之分，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的CAN總線節(jié)點個數(shù)理論上不受限制，并且各CAN總線節(jié)點之間可以自由通信[1]。通過1根CAN總線通信電纜將CAN總線節(jié)點盒連接至數(shù)據(jù)處理及顯示單元（觸摸屏一體機），數(shù)據(jù)處理及顯示單元接收并處理鉆井儀表系統(tǒng)CAN總線信號后進(jìn)行參數(shù)顯示。數(shù)據(jù)處理及顯示單元與后臺監(jiān)控單元之間采用無線通信方式將鉆井儀表信息發(fā)送至后臺監(jiān)控單元（安裝在隊長辦公室內(nèi)），隊長辦公室內(nèi)的工作人員可以隨時監(jiān)控現(xiàn)場鉆井儀表系統(tǒng)參數(shù)變化情況。

2優(yōu)化設(shè)計方案優(yōu)點

1）采用CAN總線通信，系統(tǒng)內(nèi)電纜連接數(shù)量少，減輕現(xiàn)場電纜敷設(shè)難度。2）信號傳輸由CAN總線通信替代原4~20mA模擬量長距離傳輸，提高了系統(tǒng)抗電磁干擾能力。3）采用觸摸屏一體機對信號進(jìn)行采集和處理，并設(shè)計有故障診斷畫面，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷檢測、傳感器故障檢測、信號中斷檢測等功能，司鉆可通過故障診斷畫面查看故障報警信息并迅速排查故障點。4）CAN總線節(jié)點之間沒有主從之分，系統(tǒng)可根據(jù)需要任意添加傳感器數(shù)量，傳感器連接至CAN節(jié)點盒后通過CAN總線通信將傳感器信號接入鉆井儀表系統(tǒng)并在觸摸屏一體機界面進(jìn)行顯示。5）采用無線通信方式將鉆井儀表信息發(fā)送至后臺監(jiān)控單元（安裝在隊長辦公室內(nèi)），隊長辦公室內(nèi)的工作人員可以隨時監(jiān)控現(xiàn)場鉆井儀表系統(tǒng)參數(shù)變化情況。石油鉆機鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計單線圖如圖1所示。

3數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

數(shù)據(jù)采集單元主要由傳感器、CAN總線節(jié)點盒組成。通過傳感器檢測儀表系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)并采用屏蔽電纜連接至CAN總線節(jié)點盒。每個傳感器連接1個CAN總線節(jié)點盒，通過CAN總線節(jié)點盒內(nèi)的信號轉(zhuǎn)換模塊將傳感器的模擬量和數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為CAN總線通信信號，CAN總線節(jié)點盒之間通過CAN總線通信方式進(jìn)行互連。可以根據(jù)需要任意增加傳感器數(shù)量，方便靈活，極大提高了系統(tǒng)的擴展能力。大大減少了現(xiàn)場電纜連接數(shù)量，采用CAN總線通信方式提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。CAN總線通信具有以下特點：1）網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信實時性強；2）網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制；3）各節(jié)點之間實現(xiàn)自由通信。

4數(shù)據(jù)處理及顯示單元設(shè)計

數(shù)據(jù)處理及顯示單元主要由觸摸屏一體機組成，安裝在司鉆房內(nèi)。CAN總線節(jié)點盒互連后通過一根CAN總線通信電纜連接至觸摸屏一體機，通過CAN總線通信方式將采集的傳感器信號發(fā)送至觸摸屏一體機。觸摸屏一體機接收傳感器信號并對信號進(jìn)行運算處理，轉(zhuǎn)化為工程參數(shù)。觸摸屏一體機可對儀表參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定、修改并進(jìn)行儀表參數(shù)顯示，具有參數(shù)超限報警和故障診斷功能，配置無線遠(yuǎn)程傳輸接口。觸摸屏一體機安裝儀表系統(tǒng)處理軟件，設(shè)計人機界面，通過相關(guān)組態(tài)軟件實現(xiàn)控制界面制作、控制變量建立、相關(guān)屬性設(shè)置等[2]。界面實現(xiàn)人性化設(shè)計，司鉆可根據(jù)習(xí)慣自主選擇儀表仿真、數(shù)據(jù)顯示和曲線顯示等界面。

5無線遠(yuǎn)程傳輸單元設(shè)計

無線遠(yuǎn)程傳輸單元主要由無線網(wǎng)橋組成，觸摸屏一體機與無線網(wǎng)橋有線連接，后臺監(jiān)控單元的工控計算機與另外一個無線網(wǎng)橋有線連接，通過無線網(wǎng)橋以無線傳輸方式將儀表系統(tǒng)參數(shù)信息傳輸至后臺監(jiān)控單元。無線通信中的信息傳輸是以電磁波為傳輸載體，信息數(shù)據(jù)通過電磁波傳輸至指定接收裝置中，不受任何電路的范圍限制，方便快捷[3]。無線網(wǎng)橋就是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接，除了具備有線網(wǎng)橋的基本特點之外，比其它有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署。無線網(wǎng)橋工作在5.8GHz頻段，傳輸距離遠(yuǎn)，信號強，帶寬和傳輸質(zhì)量有保證。局域網(wǎng)在傳輸范圍方面有很大的局限性，采用無線網(wǎng)橋可以有效地提高網(wǎng)絡(luò)的拓展性和延展性，可以連接相距較遠(yuǎn)的局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率以及數(shù)據(jù)信息共享。

6后臺監(jiān)控單元設(shè)計

后臺監(jiān)控單元主要由工控計算機（含軟件）、打印機組成，安裝在隊長辦公室內(nèi)。鉆井儀表系統(tǒng)參數(shù)的記錄、存儲采用工控計算機，能實時以參數(shù)和曲線方式記錄鉆井過程中各鉆井參數(shù)的變化，并能存儲和打印各參數(shù)，還能進(jìn)行各工程參數(shù)的歷史回放。隊長辦公室內(nèi)的工作人員可通過后臺監(jiān)控單元及時了解現(xiàn)場各鉆井參數(shù)相關(guān)信息，在參數(shù)異常時及時提醒司鉆，提高鉆井的安全性。鉆井儀表參數(shù)的記錄、存儲為后續(xù)鉆機的鉆井作業(yè)積累寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。

7結(jié)語

通過采用CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方案，大大減少了現(xiàn)場電纜連接數(shù)量，可以根據(jù)需要任意增加傳感器數(shù)量，方便靈活，極大提高了系統(tǒng)的擴展能力和抗干擾能力。系統(tǒng)具有故障診斷功能，幫助司鉆迅速查找故障原因。采用無線遠(yuǎn)程傳輸方式提高了數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸能力和傳輸速度。輔助司鉆完成鉆井作業(yè)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

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[3]殷泉.關(guān)于局域網(wǎng)無線通信系統(tǒng)的探析[J].卷宗,2014(8):296-297.

作者：李慶福 史金紅 朱永慶 孔永超 宋濤 張彥偉 王紅櫻 楊豐博 李娜 單位：寶雞石油機械有限責(zé)任公司