钻机起升及井下工具综合实验装置监测系统设计

钻机起升及井下工具综合实验装置监测系统设计
杨阳;张禾;江茂德;张娜
【摘要】本文基于组态软件与数据库技术设计了一套钻机起升及井下工具综合实验装置的实时监测系统.该系统主要由传感器、数据采集部件、总线通信接口、工控机及相应的系统软件构成.系统软件在ForceControl6.1与SQL Server 2008环境下开发,采用模块化的设计思想,主要包括数据采集模块、数据存储模块、数据处理和分析模块、报警与事件记录模块等.实践证明,系统使用、维护方便,稳定可靠,保障了实验装置的安全、稳定运行,可以满足对现代智能化钻机的科学研究和实验教学要求.
【期刊名称】《仪器仪表用户》
【年(卷),期】2012(019)001
【总页数】3页(P25-27)
【关键词】钻机实验装置;监测系统;ForceControl 6.1;SQL Server 2008
【作者】杨阳;张禾;江茂德;张娜
【作者单位】西南石油大学,成都610500;西南石油大学,成都610500;西南石油大学,成都610500;西南石油大学,成都610500
【正文语种】中文
【中图分类】TP274+.2
0 引言
石油钻井向自动化、智能化的方向发展，是新时期钻井技术发展的必然。

随之，钻井监测技术也将得以进一步的提升。

如何全面、深入、系统的开展钻井设备的状态监测与故障诊断工作，是钻井监测技术发展的方向［1-2］。

钻机起升及井下工具综合实验装置是一个井场大型综合实验、培训与科研平台，主要由绞车、转盘、井架起放装置、自动送钻装置、高温高压模拟井筒以及液压系统和动力系统等部分组成［3］。

该实验装置是为进行电驱动石油钻机自动化、智能化研习提供平台，同时为进行现代钻机研发、开展基础理论研究提供接口，其中高温高压模拟井筒可开展井下工具、仪表实验，系统可以较真实的模拟现场钻机运行工况。

该装置不仅可以进行钻机起升的系统试验，还可进行各种单元试验，如盘式刹车、自动送站、井下工具等，以满足对钻井过程的科学研究和实验教学要求。

为保障系统的安全、稳定运行及满足科研和实验教学对相关参数的测试需求，需要对该平台设计一一个实时监测系统。

1 监测系统总体架构设计
钻机起升与井下工具综合实验平台实时监测系统由监测硬件系统和监测软件系统组成，并基于SQL Server 2008数据库管理软件设计监测数据库，用于存放管理监
测数据。

该监测系统的设计包括硬件和软件两个部分。

硬件设计包括传感器的优选、数据采集网络与现场总线通信接口的设计。

软件设计采用模块化的思想，将系统功能模块化，从而保证监测系统的可靠性和程序的易维护性。

监测系统总体架构框图如图1所示。

图1 监测系统总体架构框图
2 监测系统硬件设计
2.1 传感器优选
传感器实质上是一种功能块，其作用是将来自外界的各种信号转换成为电信号。

它是实现测试与自动控制的首要环节。

传感器千差万别，即便对于相同种类的测量也
可采用不同工作原理的传感器，因此，要根据需要选用最适宜的传感器。

传感器的选型原则有量程、线性范围、精确度、可靠性、安装方式及使用环境等［4-5］。

本系统需完成实验平台五大单元模块数据的检测，井架起放单元主要是对两个平行推力同步液缸位移的检测;起、下钻单元主要是对交流电机扭矩与转速、直流电机
扭矩与转速、滚筒轴扭矩、大钩速度与载荷等参数进行检测;自动送钻单元主要对
送钻电机转速、大钩速度与载荷、滚筒轴扭矩、死绳拉力等参数进行检测;转盘旋
转单元主要对转盘电机的转速和扭矩进行检测;模拟井筒单元主要对模拟井筒上部、下部的温度和压力进行检测。

根据监测系统的设计要求，设置所需直接检测参数与间接检测参数，确定监测系统的检测点位置、类型、范围和检测方法，直接监测点统计如表1所示。

其中，传感器量程的选择主要根据被测参数的范围来选定，测
量范围一般在量程的20%～80%范围之内。

间接检测点包括大钩速度、大钩载荷等，其中大钩速度由安装于滚筒末端的HTB光电编码器检测出滚筒转速后计算得出，大钩载荷由死绳拉力传感器数据间接计算。

2.2 数据采集系统设计
选用数据采集设备时需要考虑的因素有：通道数，分辨率，输入信号范围，最高采样频率，信号隔离等［6］。

考虑以上因素，根据系统需求，本监测系统采用研华数据采集模块ADAM4017+负责井筒温度和压力的采集，选用阿尔泰数据采集卡PCI2306负责其它参数的采集。

因为数据采集卡PCI2306主要适用于短距离、高速的数据采集场合，数据采集模块ADAM4017+适用于长距离、低速的数据采集
场合。

ADAM4017+利用RS-485网络和模块命令的设置，与工控机可以进行直
接通讯，模块结构小巧，功能强大，具有较强的灵活适应性。

PCI2306是一种基
于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中。

这两个数据采集部件都具有光电隔离的功能。

选用ZYHZ-50-NS24
开关电源为数采模块供电。

此外，选用研华IPC610H型工控机作为监测上位机，
此工控机配置有高性能双核酷睿处理器与大容量内存，能有效提升工作效率;具备
良好的抗震、防尘与散热效果，能在多灰尘，高温环境下安全工作。

表1 监测系统直接检测点统计序号名称安装位置测量范围单位传感器型号1
液缸位移井架液缸(左)0～10 m vmax 953A 2 液缸位移井架液缸(右)0～10 m vmax 953A 3 转速绞车交流电机轴0～1500 r/min CYB-803S 4 扭矩绞车交流
电机轴－1605～1605 N.m CYB-803S 5 转速绞车直流电机轴0～1500 r/min CYB-803S 6 扭矩绞车直流电机轴－1605～1605 N.m CYB-803S 7 扭矩滚筒轴(左)－5～5 kN.m CYB-803S 8 扭矩滚筒轴(右)－5～5 kN.m CYB-803S 9 转速
自动送钻电机轴0～1400 r/min CYB-803S 10 转速转盘电机轴0～1500 r/min CYB-803S 11 扭矩转盘电机轴－1000～1000 N.m CYB-803S 12 死绳拉力死绳末端0～50 kN CYB-601S 13 井筒温度模拟井筒上部0～150 ℃ ZXPW100 14
井筒温度模拟井筒下部0～150 ℃ ZXPW100 15 井筒压力模拟井筒上部0～40 MPa ZXP800W 16 井筒压力模拟井筒下部0～40 MPa ZXP800W
3 监测系统软件设计
力控监控组态软件ForceControl 6.1是三维力控科技积累多年组态软件开发技术
经验，针对目前自动化监控系统发展情况，以组态软件用户需求为出发点基
于.NET设计开发的组态软件产品。

该产品由基本组态软件母体和子扩展组件组成，不同的应用需求对子扩展组件需求不同，进行相关项目开发时可针对具体需求对子扩展组件订购。

该组态软件平台具有以下特点：图形界面丰富、网络支持强大、网络冗余及软件容错能力强和便于监控系统通信集成等。

3.1 软件功能设计
根据监测系统的实际需求，按照模块化的设计思想，本系统设计有如图2所示各
功能模块：1)权限管理：实现登陆密码管理与用户信息设置;2)数据采集：负责系
统五大单元的实时信号采集，主要是井架起升，起、下钻具，自动送钻、转盘旋转
和模拟井筒五大单元的转速、扭矩、温度、压力、拉力和位移等参数;3)数据存储：将数据采集系统送入力控DB实时数据库中的数据转存入SQL Server 2008数据
库中，供第三方软件调用，有效的实现数据共享;4)数据管理：实现数据显示、自
动绘制曲线、报表生成与打印、历史曲线回放等功能;5)事件记录与报警：实时记
录系统事件，弹出式报警窗口实时声光报警，报警与事件记录查询等;6)系统帮助：实验平台介绍，软件使用指南。

其中监测系统实时数据模拟仪表集中显示界面如图3所示。

图2 监测系统软件功能框图
图3 监测系统实时参数模拟仪表显示界面
3.2 数据库架构设计
根据钻机起升及井下工具监测系统监测参数数据类型及相关性，基于SQL Server 2008数据库平台设计监测系统数据库［7］。

整个系统的实时数据来源通过监测
软件截取数据采集设备实时监测数据获得，在数据库储存监测数据的同时，监测软件可同时访问数据库进行历史数据查询分析。

数据库命名为RIGLAB，存放有6张数据表，其总体数据架构如图4所示。

图4 系统总体数据架构图
3.3 远程监测实现
使用力控的WebServer发布方式实现远程监测，在生产监控过程中，除了标准的客户/服务器(C/S)网络应用方式，也可以用IE浏览器作为一个标准的瘦客户端
(B/S)来浏览服务器的画面［8］。

通过力控提供的Web功能，可以从IE浏览器上远程访问力控的工程画面，浏览的效果与在力控运行系统View中看到的工程画面完全相同，包含全部动态数据和动画，而在客户端并不需要安装任何与力控有关的软件，仅仅使用浏览器即可。

考虑到本监测系统的的实际需要，在此设计为WebServer发布方式来实现远程监视系统运行状态。

4 结束语
本文根据钻机实验装置的功能设计要求，研究设计出其监测系统，该系统主要由传感器、数据采集部件、总线通信接口、工控机(IPC)及相应的系统软件构成。

其中
传感器将现场工况参数转换成标准的电信号，完成信号的检测与变换;以PCI2306
数据采集卡和ADAM4017+数据采集模块为核心的数据采集系统完成现场数据采集;PCI与RS485通信接口完成现场数据与IPC间数据的通信传输;系统软件在ForceControl 6.1与 SQL Server 2008环境下开发，采用模块化的设计思想设计。

通过硬、软件调试运行，该监测系统能够实现对钻机实验装置的位移、转速、扭矩、拉力、温度、压力等16路工况直接参数与其它间接计算参数的实时监测，实现了数据采集、显示、处理、存储、打印、越限报警和历史曲线回放分析等功能。

系统模块化水平高，信号采集及时准确，所测参数相对齐全，监测软件的通用性和扩展性强，通过OPC接口可与控制系统集成，功能灵活，满足了设计需要，对实验平台安全运行与故障查询分析具有指导意义。

参考文献
［1］周永红.浅析石油钻井监测设备的技术发展与改良［J］.科技纵横，2009，(08)：252.
［2］张东旭，齐明侠.基于现场总线的钻机工作参数监视系统设计［J］.石油矿场
机械，2009，38(2)：52-54.
［3］张奇志.电动钻机自动化技术［M］.北京：石油工业出版社，2006：1-3. ［4］何道清，谌海云，张禾.仪表与自动化［M］.北京：化学工业出版社，2008：36-41.
［5］何道清.传感器与传感器技术［M］.北京：科学出版社，2004：1-4.
［6］马明建.数据采集与处理技术［M］.西安：西安交通大学出版社，2008：
309-313.
［7］高巍巍.数据库基础与应用：SQL Server 2008［M］.北京：清华大学出版社，2011：87-99.
［8］龚运新，方立友.工业组态软件实用技术［M］.北京：清华大学出版社，2005：240-251.。