蘇同發(fā)，張 樸，2，侯軍濤，姜天杰

(1.華中科技大學(xué)人工智能與自動化學(xué)院，湖北武漢 430074 ；2.圖像信息處理與智能控制教育部重點實驗室，湖北武漢 430074；3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，常規(guī)的電纜測井儀器已經(jīng)不能滿足海上油田勘測開發(fā)的要求。隨鉆測井系統(tǒng)Drilog是中海油服在2014年研制出的隨鉆測井平臺，該系統(tǒng)主要由MWD隨鉆測井儀、工程參數(shù)測量儀(DSM)、電阻率伽馬測井儀(ACPR/NGR)等組成，其中MWD系統(tǒng)包括脈沖器和定向測量探管部分，主要實現(xiàn)井眼的井斜、方位和工具面角測量與上傳[1]。定向探管電路是由信號采集電路(signal conditioning borad,SCB)、電源管理電路(power borad，PB)和主要控制電路(master board,MB)組成。如圖1所示，SCB主要完成加速度、磁通門和溫度等10路傳感器信號的采集和解算；MB主要完成獲取SCB參數(shù)輸出以及必要的邏輯控制；PB主要通過供電方式的不同進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而完成傳感器、SCB和MB的供電。

圖1 探管電路結(jié)構(gòu)

探管電路在隨鉆測井系統(tǒng)中負(fù)責(zé)井眼姿態(tài)參數(shù)的采集和上傳到地面IDEAS系統(tǒng)，通過IDEAS系統(tǒng)的解碼和處理后可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測井眼軌跡，同時現(xiàn)場工程可以實時根據(jù)監(jiān)控地層的變化做出判斷，更快定位產(chǎn)油的最佳位置[2]。由于其在隨鉆測井中的重要作用，在定向探管電路研制和生產(chǎn)過程中，需要對其進(jìn)行可靠性試驗，避免其在實際作業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)故障導(dǎo)致人力、財力以及時間的損失。

1 測試原理

電子產(chǎn)品的可靠度通常是指在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下滿足規(guī)定的功能的能力，對于探管電路而言是在工況環(huán)境下完成一定次數(shù)的測井任務(wù)的概率。為縮短早期故障期的時間，在探管電路投入使用前應(yīng)進(jìn)行可靠性篩選試驗以及早發(fā)現(xiàn)電路的缺陷并改正，探管電路使用的是高加速應(yīng)力篩選(highly accelerated stress screening，HASS)技術(shù)。

HASS試驗主要用于探管電路生產(chǎn)過程中的篩選以提高現(xiàn)場可靠性，通常分為析出篩選和檢測篩選。析出篩選的范圍是高于上(或下)工作極限的，以達(dá)到時間壓縮，將電路產(chǎn)品相關(guān)的潛在缺陷轉(zhuǎn)變成明顯的缺陷;檢測篩選使用的應(yīng)力通常低于析出篩選，用于檢測出探管電路的明顯缺陷[3-4]。

由于探管電路系統(tǒng)中PB、SCB和MB任何一個電路故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)故障，故可以將探管電路系統(tǒng)看作串聯(lián)系統(tǒng)。其中Rs(t)為系統(tǒng)可靠度，R1(t)、R2(t)、R3(t)為PB、SCB和MB電路可靠度，則：

Rs(t)=R1(t)R2(t)R3(t)

(1)

探管電路系統(tǒng)的失效分布為

(2)

對式(2)求導(dǎo)可得到失效分布密度fs(t)，進(jìn)而求得系統(tǒng)的失效函數(shù)λs(t)為

(3)

由式(3)可知系統(tǒng)的可靠度要低于單個電路的可靠度，因此建立探管電路強(qiáng)度和外部環(huán)境應(yīng)力的干涉模型，如圖2所示。

圖2 探管電路強(qiáng)度-應(yīng)力干涉模型

2 系統(tǒng)總體設(shè)計及硬件實現(xiàn)

在HASS測試過程中，需要時刻監(jiān)控板間信號用來衡量電路板的功能有沒有失效。現(xiàn)有的實驗方案是將探管電路放入HASS試驗環(huán)境箱，通過示波器、探管分析儀、直流電源和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行環(huán)境搭建，針對PB、SCB和MB不同電路進(jìn)行不同環(huán)境搭建。同時試驗過程中需要人工計時并記錄信號波形，整個過程需要觀察測試是否出現(xiàn)異常，在多輪測試時耗時耗力。定向探管電路產(chǎn)品功能自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)能夠使得HASS試驗自動化，減少電路長時間在高應(yīng)力環(huán)境下的損傷。

由于HASS試驗采取的是循環(huán)應(yīng)力的方式施加，在每個應(yīng)力作用下都需要進(jìn)行一輪完整的電路測試，故系統(tǒng)需要具備自動循環(huán)測試PB、SCB和MB電路的能力。PB需要提供可控的直流電源和交流電源并對板上電源信號15、-15、5、3.3 V等進(jìn)行采集存儲；SCB需要提供3路加速度、3路磁通門和4路溫度等10路傳感器的模擬信號輸出和SCB采集后的獲??；MB需要對其實現(xiàn)的邏輯控制進(jìn)行測試并記錄。此外，如表1所示，系統(tǒng)在軟件交互上需要實現(xiàn)自動測試、歷史數(shù)據(jù)查看、用戶管理和報表導(dǎo)出等功能以及最大可同時測試3套探管電路的能力。

表1 探管電路功能自動檢測系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)容

探管電路HASS試驗測試平臺主要由HASS測試環(huán)境臺、測試連接線纜和定向探管電路產(chǎn)品功能自檢測系統(tǒng)組成，系統(tǒng)包括電路測試所必要的硬件設(shè)備和良好的人機(jī)交互界面。由于Drilog隨鉆測井系統(tǒng)中的多個電路系統(tǒng)采用自定義的儀器總線(TBus)進(jìn)行通訊，因此為保證測試系統(tǒng)在電路上的通用性及可擴(kuò)展性，采用測試柜的形式封裝并使用模塊化的設(shè)計，如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)設(shè)計圖

檢測系統(tǒng)中參數(shù)測量模塊和模擬輸出模塊由數(shù)據(jù)采集卡組成，其中A/D部分實現(xiàn)探管電路上的信號采集，D/A部分實現(xiàn)對傳感器信號的模擬輸出。由于采集信號的幅值差異需要選擇不同采集信號范圍的采集卡，具體采集卡的型號及參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)的通信需要的機(jī)箱選用CompactDAQ機(jī)箱——cDAQ-9189，此款機(jī)箱擁有8槽接口，具有體積小、功能齊全、擴(kuò)展性強(qiáng)、以太網(wǎng)通訊等特點。程控電源模塊中直流電源采用KR-100-02型號電源，利用RS232端口的SCPI協(xié)議與上位機(jī)通信；交流電源使用ANB13-1KVA型號電源，采用RS485接口的MODBUS通訊協(xié)議與上位及通信。工業(yè)計算機(jī)使用IPC-710型號并搭配FPM-7211W型號工業(yè)顯示器作為中央控制模塊。為保證良好的人機(jī)交互，采用程控繼電器、多色LED顯示燈、自鎖開關(guān)、蜂鳴器等硬件進(jìn)行狀態(tài)提示和報警監(jiān)控。

3 軟件平臺設(shè)計

定向探管電路產(chǎn)品功能自動檢測軟件系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)，它具有操作簡單、即搭即用、功能完善和對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的控制庫齊全等特點。在數(shù)據(jù)持久化方面采用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，其具有體積小、操作簡易和穩(wěn)定等特點，另外對于一些形式簡單、數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)采用LabVIEW提供的ini配置文件進(jìn)行存取。如圖4所示，軟件系統(tǒng)主要由用戶管理、方案管理、系統(tǒng)設(shè)置、自動測試和數(shù)據(jù)查看模塊組成。各模塊中根據(jù)不同的功能需要和數(shù)據(jù)庫和ini文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以保證數(shù)據(jù)的正確存取。

圖4 測試系統(tǒng)軟件功能

軟件系統(tǒng)的自動運行采用事件結(jié)構(gòu)和隊列消息結(jié)構(gòu)的設(shè)計模式，事件結(jié)構(gòu)用來處理前面板用戶的點擊事件，負(fù)責(zé)頁面跳轉(zhuǎn)和指定功能的執(zhí)行；隊列消息結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置方案進(jìn)行自動測試的流程管理。不同的設(shè)計模式解耦設(shè)計保證測試系統(tǒng)的多線程并行執(zhí)行。

3.1 數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的存取

數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)有著方便數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)保存安全、易于處理分析和跨平臺操作靈活等特點。在本系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)庫存儲用戶基本信息、運行方案信息、系統(tǒng)報警信息、SCB和PB測試信息等。系統(tǒng)實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)庫文件到數(shù)據(jù)表的自動創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)表字段和數(shù)據(jù)內(nèi)容的自動添加，在LabVIEW中，數(shù)據(jù)庫的建立是通過ActiveX功能調(diào)用ADOX技術(shù)完成，調(diào)用ADOX Catalog對象的Create方法根據(jù)SN號創(chuàng)建唯一數(shù)據(jù)庫，該方法的ConnectString屬性指定驅(qū)動和數(shù)據(jù)源，一般設(shè)定為“Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;DataSource=數(shù)據(jù)庫路徑”。

系統(tǒng)使用Database Connectivity工具包訪問數(shù)據(jù)庫，該工具包封裝了一系列數(shù)據(jù)庫操作和管理的功能，方便對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)表的建立和修改以及對數(shù)據(jù)的增刪改查[6]。為了降低程序的繁冗度，將對不同數(shù)據(jù)的操作方法統(tǒng)一成子VI，在操作數(shù)據(jù)過程中只需指定子VI的輸入?yún)?shù)和對應(yīng)的條件。以修改配置參數(shù)為例，DB Tools中update data VI中condition接口語句設(shè)置為“where ′唯一標(biāo)志符′=?”，在子VI調(diào)用時指定配置參數(shù)、時間、幅值、方案名和唯一標(biāo)志符即可。此外，系統(tǒng)與用戶信息、報警信息、測試信息等數(shù)據(jù)庫主要交互內(nèi)容及condition條件如表3所示。

表3 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫交互內(nèi)容及條件

軟件系統(tǒng)設(shè)計時除了根據(jù)每套探管電路的SN號創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫文件并在數(shù)據(jù)庫中建立SCB測試表和PB測試表存儲測試過程對應(yīng)的信號外，還會建立一個總測試表，用來記錄探管電路測試信息。圖5所示為曲線查詢的前面板，在曲線查看過程中，先通過條件查詢總表得到已測試的探管電路信息，再選擇查看對應(yīng)的SCB或PB測試曲線。

圖5 曲線查詢結(jié)果前面板

查詢總測試表中探管電路結(jié)果信息可通過測試時間、SN號和批次號3種條件查詢。圖6為通過測試時間查詢的程序框圖，程序通過數(shù)據(jù)庫交互執(zhí)行SQL語句“SELECT * FROM 總測試表 WHERE時間>#?# AND時間<#?#”查詢出記錄并展示到結(jié)果表中，其中?為指定格式時間。通過SQL語句“SELECT COUNT(*) FROM 總測試表WHERE時間> #?# AND時間< #?#”查詢記錄總條數(shù)。

圖6 根據(jù)時間查詢程序框圖

查詢出探管測試信息后，可通過右鍵菜單選擇查看SCB或PB的測試數(shù)據(jù)。測試數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)表查看和曲線圖查看2種方式，在查看過程中可指定時間間隔查看數(shù)據(jù)點，以模擬加速度X為例，執(zhí)行的SQL語句為“SELECT MIN(時間),AVG(模擬加速度X) from數(shù)據(jù)表名WHERE id BETWEEN ? AND ?”，?與?之間的差值即為時間間隔。

3.2 系統(tǒng)并行邏輯實現(xiàn)

在定向探管電路產(chǎn)品功能自動檢測軟件系統(tǒng)中每個功能模塊都有單獨的頁面管理，使用LabVIEW中選項卡實現(xiàn)界面的切換及按鈕的界面跳轉(zhuǎn)，每個選項卡標(biāo)簽頁作為一個功能的顯示。在系統(tǒng)運行過程中，多個任務(wù)可以同時執(zhí)行并相互不干擾，如在測試運行過程中可以進(jìn)行歷史測試數(shù)據(jù)查看及報表導(dǎo)出。由于LabVIEW是以數(shù)據(jù)流的模式運行，每個數(shù)據(jù)流起始節(jié)點到結(jié)束節(jié)點都可看作一個線程，因此系統(tǒng)可分為3個線程運行，分別用來控制頁面跳轉(zhuǎn)、處理用戶單擊事件和自動運行流程控制，其中頁面跳轉(zhuǎn)和用戶單擊事件處理使用事件結(jié)構(gòu)設(shè)計模式進(jìn)行處理。

隊列消息結(jié)構(gòu)設(shè)計模式處理系統(tǒng)中人際交互、輔助線程實現(xiàn)電源管理、采集、顯示、控制和報警等任務(wù)。簡化邏輯程序框圖如圖7所示，主線程負(fù)責(zé)初始化測試系統(tǒng)、監(jiān)測用戶事件并作出相應(yīng)響應(yīng)、處理并提交測試結(jié)果和測試程序退出操作；直流電源線程和交流電源線程負(fù)責(zé)根據(jù)方案輸出電源以及直流交流電源交替供電的切換；采集線程和顯示線程負(fù)責(zé)依照方案對SCB測試的模擬信號進(jìn)行生成以及通過串口讀取并計算MB信號值進(jìn)行顯示、對PB板上電壓信號進(jìn)行采集及顯示、SCB測試和PB測試的切換；PB時間控制線程用于根據(jù)測試方案控制PB測試的時間以及全部電路的測試循環(huán)次數(shù)；報警線程用于實時監(jiān)控交流電壓和頻率以及直流電壓和電流有沒有超出設(shè)定值。

圖7 隊列消息結(jié)構(gòu)程序框圖

將測試方案中的直流/交流電源輸出參數(shù)及變化時間、模擬輸出信號幅值及變化時間和信號采集時間等復(fù)雜控制方案存入數(shù)據(jù)庫中，在各自的控制線程中進(jìn)行讀取和處理。對于一些系統(tǒng)的單值方案采用ini文件的形式進(jìn)行存取，如測試循環(huán)次數(shù)、循環(huán)等待時間和是否測試某一電路等信息。提前設(shè)置好方案信息后，點擊“開始測試”按鈕，系統(tǒng)讀取方案并按照規(guī)定的方案自動執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)束后提交測試結(jié)果寫入測試總表中。

4 系統(tǒng)試驗測試

為了方便測試，將硬件設(shè)備組裝在可移動的機(jī)柜中，機(jī)柜采用桌式設(shè)計，機(jī)柜下方設(shè)有萬向輪方便移動。試驗前需根據(jù)GB/T 29309—2012《電工電子產(chǎn)品高加速壽命試驗導(dǎo)則規(guī)范》確定試驗的應(yīng)力剖面圖，常見的高加速試驗項目有高/低溫步進(jìn)試驗、快速溫變循環(huán)試驗、振動步進(jìn)試驗和快速溫變循環(huán)與振動步進(jìn)綜合試驗等[7]，本文以探管電路的HASS試驗中的快速溫變循環(huán)與振動綜合篩選為例，如圖8所示，探管電路通過夾具固定在環(huán)境箱內(nèi)連接探管測試系統(tǒng)實時監(jiān)控并記錄探管電路的功能狀態(tài)。

圖8 HASS試驗測試系統(tǒng)

根據(jù)導(dǎo)則規(guī)范及已有探管電路HALT試驗結(jié)果分析，溫度應(yīng)力選取上工作極限和上破環(huán)極限的平均值為溫度上限(即150 ℃)，選取下工作極限和下破環(huán)極限的平均值為溫度下限(即-30 ℃)，溫變速率設(shè)置為略低于工作極限(即30 ℃/min)，循環(huán)施加3次；振動應(yīng)力選取工作極限和破環(huán)極限的近似平均值20g持續(xù)施加。HASS試驗剖面圖如圖9所示。

圖9 HASS試驗剖面圖

根據(jù)探管電路的測試時序要求，PB需測試8 min，包括直流變化輸入測試4 min和交流變化輸入測試4 min；SCB測試需4 min，包括模式設(shè)置1 min和數(shù)據(jù)接收3 min；MB測試需3 min，進(jìn)行邏輯通斷測試。測試總時長為15 min。HASS試驗剖面中的高溫及低溫應(yīng)力持續(xù)時間同樣設(shè)置為15 min，探管測試系統(tǒng)循環(huán)測試設(shè)為9次，進(jìn)行篩選試驗得到試驗結(jié)果。

HASS篩選試驗的溫度循環(huán)共計3個周期，其中每個周期的時間約為45 min，選擇第一個周期的PB上15 V電壓信號和5 V電壓信號繪制曲線,如圖10所示。在150 ℃高溫交流變化供電階段14：06時3套探管電路均出現(xiàn)15 V電壓信號輸出關(guān)閉現(xiàn)象而5 V電壓信號正常輸出的現(xiàn)象，并且3個周期測試中該現(xiàn)象持續(xù)存在，定位到15 V電壓輸出管理模塊存在高溫失效問題。試驗結(jié)束后，經(jīng)過專業(yè)工程師分析，確定為MB上15 V控制模塊元器件問題。

圖10 探管PB上15 V和5 V信號圖

5 結(jié)束語

本文對隨鉆測井系統(tǒng)中的探管電路的生產(chǎn)過程中的可靠性試驗進(jìn)行了分析，并根據(jù)HASS試驗要求及探管電路中PB、SCB和MB的測試功能設(shè)計并制造了探管電路自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足3套探管同時測試并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的HASS試驗剖面圖方案進(jìn)行自動循環(huán)測試，實時顯示測試曲線并記錄保存，最后形成報表導(dǎo)出。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)搭配HASS試驗環(huán)境箱能夠快速調(diào)整方案自動進(jìn)行可靠性試驗，及時發(fā)現(xiàn)探管電路缺陷，節(jié)省了試驗準(zhǔn)備與測試時間，縮短了試驗周期。該系統(tǒng)的投入使用為工業(yè)自動化系統(tǒng)開發(fā)提供一定的參考。