談石油鉆機鉆井儀表系統優化設計

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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電纜數量多、容易受到電磁干擾、故障排查困難、擴展能力不足、遠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優化設計方案，利用傳感器采集鉆井儀表系統相關數據并通過CAN總線通信方式將傳感器數據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據信號后進行參數顯示。采用無線通信方式將鉆機現場鉆井儀表系統信息發送至后臺監控單元。

關鍵詞：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、泥漿罐液位等相關儀表系統參數，輔助司鉆進行鉆井作業。目前石油鉆機鉆井儀表系統配置了大量傳感器，各類傳感器分別通過單獨電纜連接至數據采集箱，數據采集箱內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參數發送至司鉆房前臺顯示單元和隊長辦公室后臺監控單元，導致鉆井儀表系統電纜數量多、容易受到電磁干擾、故障排查困難、擴展能力不足、遠程傳輸能力弱等問題。隨著技術發展，提出CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統優化設計方案，徹底解決目前鉆井儀表系統存在的問題。

1石油鉆機鉆井儀表系統優化設計方案

采用CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統設計方案。系統主要由數據采集單元、數據處理及顯示單元、無線遠程傳輸單元、后臺監控單元組成。傳感器采集儀表系統相關數據后接至CAN總線節點盒，每個傳感器連接1個CAN總線節點盒，通過CAN總線節點盒內的信號轉換模塊將傳感器的模擬量和數字量信號轉換為CAN總線通信信號，CAN總線節點盒之間互連并采用CAN總線通信，CAN總線節點之間沒有主從之分，網絡內的CAN總線節點個數理論上不受限制，并且各CAN總線節點之間可以自由通信[1]。通過1根CAN總線通信電纜將CAN總線節點盒連接至數據處理及顯示單元（觸摸屏一體機），數據處理及顯示單元接收并處理鉆井儀表系統CAN總線信號后進行參數顯示。數據處理及顯示單元與后臺監控單元之間采用無線通信方式將鉆井儀表信息發送至后臺監控單元（安裝在隊長辦公室內），隊長辦公室內的工作人員可以隨時監控現場鉆井儀表系統參數變化情況。

2優化設計方案優點

1）采用CAN總線通信，系統內電纜連接數量少，減輕現場電纜敷設難度。2）信號傳輸由CAN總線通信替代原4~20mA模擬量長距離傳輸，提高了系統抗電磁干擾能力。3）采用觸摸屏一體機對信號進行采集和處理，并設計有故障診斷畫面，可實現網絡中斷檢測、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總線節點之間沒有主從之分，系統可根據需要任意添加傳感器數量，傳感器連接至CAN節點盒后通過CAN總線通信將傳感器信號接入鉆井儀表系統并在觸摸屏一體機界面進行顯示。5）采用無線通信方式將鉆井儀表信息發送至后臺監控單元（安裝在隊長辦公室內），隊長辦公室內的工作人員可以隨時監控現場鉆井儀表系統參數變化情況。石油鉆機鉆井儀表系統優化設計單線圖如圖1所示。

3數據采集單元設計

數據采集單元主要由傳感器、CAN總線節點盒組成。通過傳感器檢測儀表系統相關數據并采用屏蔽電纜連接至CAN總線節點盒。每個傳感器連接1個CAN總線節點盒，通過CAN總線節點盒內的信號轉換模塊將傳感器的模擬量和數字量信號轉換為CAN總線通信信號，CAN總線節點盒之間通過CAN總線通信方式進行互連。可以根據需要任意增加傳感器數量，方便靈活，極大提高了系統的擴展能力。大大減少了現場電纜連接數量，采用CAN總線通信方式提高了系統的抗干擾能力。CAN總線通信具有以下特點：1）網絡各節點之間的數據通信實時性強；2）網絡內的節點個數在理論上不受限制；3）各節點之間實現自由通信。

4數據處理及顯示單元設計

數據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。CAN總線節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行運算處理，轉化為工程參數。觸摸屏一體機可對儀表參數進行標定、修改并進行儀表參數顯示，具有參數超限報警和故障診斷功能，配置無線遠程傳輸接口。觸摸屏一體機安裝儀表系統處理軟件，設計人機界面，通過相關組態軟件實現控制界面制作、控制變量建立、相關屬性設置等[2]。界面實現人性化設計，司鉆可根據習慣自主選擇儀表仿真、數據顯示和曲線顯示等界面。

5無線遠程傳輸單元設計

無線遠程傳輸單元主要由無線網橋組成，觸摸屏一體機與無線網橋有線連接，后臺監控單元的工控計算機與另外一個無線網橋有線連接，通過無線網橋以無線傳輸方式將儀表系統參數信息傳輸至后臺監控單元。無線通信中的信息傳輸是以電磁波為傳輸載體，信息數據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]。無線網橋就是無線網絡的橋接，除了具備有線網橋的基本特點之外，比其它有線網絡設備更方便部署。無線網橋工作在5.8GHz頻段，傳輸距離遠，信號強，帶寬和傳輸質量有保證。局域網在傳輸范圍方面有很大的局限性，采用無線網橋可以有效地提高網絡的拓展性和延展性，可以連接相距較遠的局域網或廣域網，提高數據傳輸效率以及數據信息共享。

6后臺監控單元設計

后臺監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。鉆井儀表系統參數的記錄、存儲采用工控計算機，能實時以參數和曲線方式記錄鉆井過程中各鉆井參數的變化，并能存儲和打印各參數，還能進行各工程參數的歷史回放。隊長辦公室內的工作人員可通過后臺監控單元及時了解現場各鉆井參數相關信息，在參數異常時及時提醒司鉆，提高鉆井的安全性。鉆井儀表參數的記錄、存儲為后續鉆機的鉆井作業積累寶貴的數據和經驗。

7結語

通過采用CAN總線通信+觸摸屏一體機的鉆井儀表系統優化設計方案，大大減少了現場電纜連接數量，可以根據需要任意增加傳感器數量，方便靈活，極大提高了系統的擴展能力和抗干擾能力。系統具有故障診斷功能，幫助司鉆迅速查找故障原因。采用無線遠程傳輸方式提高了數據遠程傳輸能力和傳輸速度。輔助司鉆完成鉆井作業，創造良好的經濟效益。

[參考文獻]

[1]劉莎.淺議CAN總線技術及通信模塊芯片技術[J].中國新通信,2020,22(9):22.

[2]高艷.基于PLC和觸摸屏的氣動機械手控制系統設計及應用[J].科技通報,2017,33(9):105-108.

[3]殷泉.關于局域網無線通信系統的探析[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任公司