劉 佳，李喬喬

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

1 引言

石油和地質(zhì)勘探開發(fā)中液壓轉(zhuǎn)盤主要實現(xiàn)鉆探開發(fā)過程中頻繁的鉆修井作業(yè)，在鉆井過程中，轉(zhuǎn)盤的功能是傳遞扭矩，帶動鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進，將扭矩傳遞到鉆具上，使轉(zhuǎn)臺獲取相對的轉(zhuǎn)速并能輸出扭矩的水平轉(zhuǎn)動設(shè)備。包括轉(zhuǎn)盤液壓執(zhí)行機構(gòu)、液壓動力源、液壓控制端和機械連接部分，液壓轉(zhuǎn)盤驅(qū)動力在于液壓系統(tǒng)，經(jīng)過轉(zhuǎn)動軸或鏈條箱的鏈條能使轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤給鉆桿施加扭矩。

轉(zhuǎn)盤扭矩是鉆井過程中轉(zhuǎn)盤工作狀態(tài)的重要參數(shù)之一，對轉(zhuǎn)盤扭矩進行動態(tài)監(jiān)測能提前預(yù)判井下工作狀態(tài)，預(yù)防鉆井工程事故的發(fā)生，避免卡鉆事故，降低鉆井風險。轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)主要用于鉆修井勘探開發(fā)過程中實時監(jiān)控轉(zhuǎn)盤扭矩，司鉆和相關(guān)技術(shù)人員能及時推斷井下磨阻的變化和鉆頭的磨損情況，根據(jù)扭矩變化情況合理調(diào)節(jié)參數(shù)以得到優(yōu)化鉆井的效果。對保證鉆井過程安全具有重要的現(xiàn)實意義，從而達成安全生產(chǎn)的目的。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計

轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器單元、按鍵單元、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤扭矩采集單元采用單片機微處理器開發(fā)，轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器單元電信號經(jīng)過信號處理后傳送到轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元，按鍵單元完成轉(zhuǎn)盤扭矩的配置，轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元采集轉(zhuǎn)盤扭矩信號經(jīng)由數(shù)據(jù)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(qū)動報警單元動作，上位機單元通過無線通信單元與轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元傳輸數(shù)據(jù)。位于室外的轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)的防爆等級依照行業(yè)標準必須大于或等于ExdⅡBT4，防護等級必須大于或等于IP56。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.1 轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器單元

轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器單元由轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器、連接電纜及安裝附件組成。鉆修井作業(yè)時，轉(zhuǎn)盤驅(qū)動鉆具，轉(zhuǎn)盤傳動鏈條的張緊程度相對于轉(zhuǎn)盤的扭矩。轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器測量轉(zhuǎn)盤鏈條的張緊力。最理想的固定位置是在轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動鏈條箱內(nèi)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(tài)）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(zhuǎn)盤傳感器液壓缸地方引出傳感器的液壓管線[2]。

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤扭矩變送器DC4～20 mA電流信號通過轉(zhuǎn)盤扭矩傳感器單元由信號處理后經(jīng)轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元進行采集處理?，F(xiàn)場安裝時通常采用三通接頭實現(xiàn)鏈條張緊力液壓信號和轉(zhuǎn)盤扭矩變送器電信號轉(zhuǎn)換[3]。

2.2 按鍵單元

按鍵單元主要由標定/監(jiān)控按鍵和數(shù)碼開關(guān)組成。當標定/監(jiān)控按鍵按下時，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)處于標定情形，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)循環(huán)顯示數(shù)碼開關(guān)的標定系數(shù)A和數(shù)碼開關(guān)標定系數(shù)B，便于操作者觀察和修改。標定/監(jiān)控按鍵彈起時，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)處在監(jiān)控狀態(tài)。

2.3 轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元

轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元采用單片機微控制器開發(fā)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(qū)動接口電路。本設(shè)計中單片機微控制器采用ATmega32先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有獨立片內(nèi)振蕩器可編程的看門狗定時器，可設(shè)置為多種休眠模式來降低功耗，內(nèi)部含8 KB片內(nèi)SRAM，32 KB FLASH，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器[4]，PCB電路排版設(shè)計時采用表面貼裝技術(shù)TQFP封裝使質(zhì)量和尺寸減少，提高了電路的穩(wěn)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(zhuǎn)盤扭矩采集單元通過顯示驅(qū)動接口電路連接，實時顯示轉(zhuǎn)盤扭矩數(shù)值，當顯示數(shù)值超過設(shè)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(shù)值超過設(shè)置報警值時閃爍，轉(zhuǎn)盤扭矩采集單元驅(qū)動聲光報警器發(fā)出報警聲音并有規(guī)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(gòu)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(yīng)用的領(lǐng)域。

2.7 上位機單元

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

3 軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由初始化子程序、讀標定系數(shù)A子程序、讀標定系數(shù)B子程序、轉(zhuǎn)盤扭矩數(shù)據(jù)顯示子程序、模數(shù)A/D采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序單元、數(shù)據(jù)通訊子程序等幾部分組成，軟件設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 軟件設(shè)計流程圖

轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)初始上電后，轉(zhuǎn)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(shè)置，配置定時器的工作方式和初始值，許可中斷源對應(yīng)的中斷位，設(shè)置中斷的優(yōu)先級別，配置串口相應(yīng)工作模式和通信波特率，預(yù)先初始化數(shù)據(jù)變量和命令字；然后通過調(diào)用讀標定系數(shù)A子程序、讀標定系數(shù)B子程序，讀出保存在鎖存器中的數(shù)碼開關(guān)分別為標定系數(shù)A和標定系數(shù)B；當標定/監(jiān)控按鍵彈起時，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)處于監(jiān)控模式，采集轉(zhuǎn)盤扭矩電流信號調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)據(jù)濾波子程序處理，轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)盤扭矩工程值后，顯示單元實時顯示轉(zhuǎn)盤扭矩數(shù)值；當標定/監(jiān)控按鍵按下時，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)處于標定模式，轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)循環(huán)顯示數(shù)碼開關(guān)（標定系數(shù)A）和數(shù)碼開關(guān)（標定系數(shù)B）。系統(tǒng)通過無線通信單元調(diào)用上位機數(shù)據(jù)通訊子程序，將轉(zhuǎn)盤扭矩工程值傳輸?shù)缴衔粰C進行記錄和處理。

4 結(jié)語

本文提出的轉(zhuǎn)盤扭矩監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，具有操作簡便、實現(xiàn)成本低、靈活性高的特點。通過實時監(jiān)測轉(zhuǎn)盤扭矩能提前判別鉆具的工作狀況，預(yù)防鉆井工程事故的發(fā)生，對預(yù)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(jīng)濟收益和社會效益，對實現(xiàn)安全鉆井，進而完成安全生產(chǎn)的目的有相當重要的現(xiàn)實意義。