尹金東，李昌紅，蔣 韜

（1.鉆井工程技術(shù)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(yè)的增加，隨鉆測(cè)井在國(guó)內(nèi)外已發(fā)展成為成熟的測(cè)井技術(shù)，隨鉆測(cè)井取代電纜測(cè)井已成為必然的趨勢(shì)。我國(guó)要緊跟世界石油工業(yè)先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展步伐，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，達(dá)到提高國(guó)內(nèi)隨鉆測(cè)井技術(shù)水平的目的，就要有發(fā)展隨鉆測(cè)井技術(shù)的新思路。工控計(jì)算機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，可以把采集的井下被測(cè)參數(shù)的瞬時(shí)值隨時(shí)間的變化過(guò)程記錄下來(lái)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)地層和構(gòu)造模擬與解釋?zhuān)瓿傻貙釉u(píng)價(jià)，是鉆井決策的最重要依據(jù)。

2 地面系統(tǒng)工作原理及研究?jī)?nèi)容

地面系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集處理儀、工控計(jì)算機(jī)、打印機(jī)/繪圖儀構(gòu)成。井下數(shù)據(jù)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(cè)到的各組電壓或者電流信號(hào)經(jīng)接線盒傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)采集處理儀及工控計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡，工控計(jì)算機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)把信號(hào)較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，對(duì)其進(jìn)行處理、計(jì)算，得到有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)。并且能通過(guò)遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到其他控制器中。

本次對(duì)工控計(jì)算機(jī)的研究工作主要有：

①計(jì)算機(jī)的選型；

②數(shù)據(jù)采集卡的選型與設(shè)計(jì)。

借鑒現(xiàn)有的成果，吸收成熟的技術(shù)；外購(gòu)設(shè)備的選擇上，采用穩(wěn)定的產(chǎn)品，以能滿足實(shí)際工作情況為第一目標(biāo)，爭(zhēng)取在最短的時(shí)間內(nèi)完成樣機(jī)的研制與測(cè)試。

3 工控計(jì)算機(jī)的選型

工控計(jì)算機(jī)是地面系統(tǒng)的大腦，為了確保計(jì)算機(jī)能夠在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜惡劣的自然環(huán)境中可以長(zhǎng)時(shí)間無(wú)故障運(yùn)行，所以采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（工控機(jī)）作為系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)。

工控機(jī)（Industrial Personal Computer—IPC）是一種加固的增強(qiáng)型個(gè)人計(jì)算機(jī)，它可以作為一個(gè)工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運(yùn)行。通俗地說(shuō)就是專(zhuān)門(mén)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)而設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)，而工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一般具有強(qiáng)烈的震動(dòng)，灰塵特別多，另有很高的電磁場(chǎng)力干擾等特點(diǎn)，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒(méi)有休息。因此，工控機(jī)與普通計(jì)算機(jī)相比具有以下特點(diǎn)：

（1）機(jī)箱采用符合“EIA”標(biāo)準(zhǔn)的全鋼化工業(yè)機(jī)箱，增強(qiáng)了抗電磁干擾能力，有較高的防塵、防沖擊的能力。

（2）機(jī)箱內(nèi)有專(zhuān)用底板并采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)。CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動(dòng)能力。隨著工控機(jī)被大量用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，基于母板的系統(tǒng)是不靈活的，為了修復(fù)或更新系統(tǒng)需要更換整個(gè)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(dǎo)致修復(fù)或更新時(shí)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間增加，這在工控現(xiàn)場(chǎng)是不可接受的。因此工程師們想到另外一個(gè)方法，取消母板架構(gòu)，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴(kuò)展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無(wú)源器件組成的。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)更新和修復(fù)簡(jiǎn)單而且停機(jī)時(shí)間最少。這種設(shè)計(jì)理念影響了整個(gè)工控機(jī)的發(fā)展。

（3）機(jī)箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對(duì)流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。

（4）機(jī)箱內(nèi)有專(zhuān)門(mén)電源，有過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，并有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（5）要求具有連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作能力。

（6）電源及鍵盤(pán)均帶有電子鎖開(kāi)關(guān)，可防止非法開(kāi)、關(guān)和非法鍵盤(pán)輸入。

（7）開(kāi)放性好，兼容性好，吸收了PC機(jī)的全部功能，可直接運(yùn)行PC機(jī)的各種應(yīng)用軟件。

（8）可配置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運(yùn)行。

（9）一般采用便于安裝的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱（4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱較為常見(jiàn)）此整體架構(gòu)也有助于整體系統(tǒng)的散熱，系統(tǒng)的風(fēng)流圖如圖1所示。

圖1 機(jī)箱風(fēng)流圖

除了以上的特點(diǎn)外，其余特點(diǎn)與普通計(jì)算機(jī)基本相同。另外，由于以上的專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，同層次的工控機(jī)在價(jià)格上要比普通計(jì)算機(jī)稍高。因此我們選擇工控機(jī)作為整套地面設(shè)備的系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)。

壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的選型：進(jìn)口的由壬式壓力傳感器價(jià)格昂貴（5000美元左右），國(guó)產(chǎn)的螺紋扣式壓力傳感器雖然價(jià)格相對(duì)便宜（3000元人民幣左右），雖然在耐用性上與進(jìn)口的由壬式壓力傳感器相比有很大的差距，但可以在國(guó)產(chǎn)螺紋扣式壓力傳感器的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)，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(jīng)設(shè)計(jì)制作完成，車(chē)間測(cè)試效果良好。

壓力傳感器的信號(hào)采集工作是由工控計(jì)算機(jī)內(nèi)的一塊附加數(shù)據(jù)采集卡完成的。壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡在現(xiàn)場(chǎng)把信號(hào)進(jìn)行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）變成數(shù)字信號(hào)，然后將該信號(hào)送到FIFO（先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器）中。當(dāng)FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時(shí)，由處理器從FIFO中讀出，然后通過(guò)遠(yuǎn)傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計(jì)算機(jī)或者其他控制器中進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)采集卡選用美國(guó)國(guó)家儀器有限公司（National Instruments）的PCI-6030E數(shù)據(jù)采集卡，如圖2所示。NI PCI-6030E具有可靠的數(shù)據(jù)采集能力，其指標(biāo)可達(dá)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(xiě)不同類(lèi)型的硬盤(pán)的速度最大可達(dá)100kS/s，可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。

圖2 PCI-6030E（PCI-MIO-16XE-10）數(shù)據(jù)采集卡

4 數(shù)據(jù)采集子卡的設(shè)計(jì)

此款數(shù)據(jù)采集子卡與PCI-6030E數(shù)據(jù)采集卡配合使用。此款數(shù)據(jù)采集子卡所涉及的電子元器件對(duì)工作環(huán)境沒(méi)有特殊要求（-20℃～70℃），均為市面上正在銷(xiāo)售的產(chǎn)品，采購(gòu)方便。數(shù)據(jù)采集子卡原理圖及PCB電路圖如圖3所示，實(shí)物如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集子卡原理圖及PCB電路圖

圖4 設(shè)計(jì)制作的數(shù)據(jù)采集子卡PCB板

5 通訊方式

工控計(jì)算機(jī)與井下數(shù)據(jù)采集處理儀可以通過(guò)ARCNET（采用光纖或者網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)）、RS232等傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)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(zhǎng)；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(yáng)黑子活動(dòng)的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾。因此大多地面設(shè)備的系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、?zhǔn)確、穩(wěn)定，采用ARCNET的方式。但應(yīng)用此方式還需另選擇了光纖卡，以光纖卡PCX20-FOG-ST為例，售價(jià)在人民幣5000元左右，所以應(yīng)用ARCNET的方式成本較高。

因系統(tǒng)軟件計(jì)算機(jī)與井下數(shù)據(jù)采集處理儀正常工作時(shí)，距離很近（不足1m），并且之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、?zhǔn)確和穩(wěn)定性，又控制了成本。工控計(jì)算機(jī)與井下數(shù)據(jù)采集處理儀之間傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)電纜選擇百通（Belden）的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)接頭的選擇上，決定選用雷莫（Lemo）的產(chǎn)品。不但可以保證井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，還可以保證與已有設(shè)備良好的兼容性，接線關(guān)系如圖5所示。

圖5 RS232傳輸方式關(guān)系圖

6 應(yīng)用前景

本項(xiàng)目研究成功后，解決了LWD隨鉆儀器井下工具通訊問(wèn)題和地面的測(cè)井解釋問(wèn)題，并優(yōu)化了定向模塊和電阻率模塊，提高了自主研發(fā)的隨鉆測(cè)井儀器的穩(wěn)定可靠性，為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的隨鉆測(cè)井儀器奠定更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，降低了LWD應(yīng)用成本，應(yīng)用前景廣闊。