深水钻机多参数监测系统的集成化网络化设计

张鹏飞，梁春平，梁卫斌，罗磊，王飞

深水钻机多参数监测系统的集成化网络化设计

张鹏飞1，2，梁春平1，2，梁卫斌1，2，罗磊1，2，王飞1，2

（1．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002；2．国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西宝鸡721002）①

钻井参数是油气钻井工程监测钻进过程、进行科学分析和科学决策的重要依据。为开发深水钻机多参数监测系统，实现多钻井参数的动态采集、分析、存储和归档，采用模块化设计，应用区块化的数据采集单元，提高了采集的灵活性和实用性。应用Visual C＋＋实现了软件程序和数据库等的开发，实现了各个分散系统的高度集成，打破了传统监测系统重复配置、各个子系统各自独立等现状，为整套深水钻机提供了一套完备的监测系统。

钻机；多参数；监测系统；集成化；网络化

钻井参数监测系统是油气钻井工程监测钻进过程、进行科学分析和科学决策的重要工具，是钻井作业人员的眼睛，它能够实时反映钻井工况，是保证安全、优质、快速、高效、科学钻井的重要手段。随着钻机和钻井技术的快速发展，钻井仪表的发展得到了质的飞跃，不仅提高了钻井过程中各项参数指示与记录的准确程度，而且实现了实时监测、记录，为油田的安全生产提供了科学依据，为钻后提供可回放的历史数据［1］。目前，钻井参数监测由过去的机械、液压仪表向数字化、集成化、智能化和网络化方向发展。为此，开发了一套集成化和网络化的深水钻机多参数监测系统。

1　多参数监测系统总体设计

本系统为以采集卡为核心的测试系统，也称为数据采集／监测系统，如图1所示。它由传感器、信号调理电路、多路转换开关、采样保持电路（S／H）、模数转换电路（A／D）、接口电路、控制器、显示器、打印机等外部设备组成。

其中，传感器的作用是将被测非电量转换为电量；信号调理电路的作用是将传感器输出的微弱信号进行放大和滤波等加工处理，以便使传感器输出信号与A／D相适配；多路转换开关的作用是将多路传感器输出信号按预定时序分时地与S／H电路接通，这种多路信号通道共享1个A／D，其优点是降低成本，减小体积；S／H的引入是因为A／D转换需要一定时间，它可以使信号转换期间模拟信号保持不变；A／D作用是将模拟信号转换为数字量，以便适应采集卡工作需要；采集卡是单元采集系统的核心，它主要有2个作用，一是通过软件协调使整个系统成为一个有机整体，按预定程序运行；二是对监测信号进行远传给上位机服务器，在服务器中存储、运算（判断）、处理和归档，并将处理结果通过输出接口送到外部设备进行显示、打印［2-4］。

图1　监测系统框图

2　多参数监测系统的硬件设计

硬件设计采用模块化设计思路，由多个传感器、信号调理模块、数据采集卡等几部分构成。由于被检测设备分散，并且配套的传感器数量多，实现集中监测比较困难，所以设计采用分区块采集模式，通过以太网通讯完成各个区块采集单元的数据交换，并通过以太网实现与上位机服务器的通讯，实现监测参数的归总。下面分区块对被监测的参数进行归类介绍。

1） 固控区。包含有多个泥浆液位传感器、多个散料罐物位传感器、计量罐液位传感器、回流罐位移传感器等。

2） 气源区。包括低压气源压力传感器、高压气源压力传感器、输出气源压力传感器等。

3） 钻台区。包含泥浆回流传感器、钩载传感器、立管压力传感器、多个盘刹压力传感器、绞车润滑油压传感器、绞车滚筒编码器、转盘转矩传感器、转盘转速传感器、顶驱转矩和转速传感器等。

4） 泵区。包括多个泵冲传感器、润滑油压传感器等。

5） 管柱处理区。包括多个编码器、多个接近开关、多个压力传感器、多个油缸位移传感器。

6） 升沉补偿区。包括多个压力传感器、多个油缸位移传感器、多个加速度传感器、多个接近开关、多个压力开关、多个液位传感器等。

7） 电控区。包括主电机电流、绕组温度、转速；发电机组转速、频率、电流、电压、有功功率、无功功率、并网信号、油压、水温、绕组温度；传动柜全部故障代码、输出电流、输出电压、母线电压、电控柜温度、P L C通讯信号等。

单个采集模块同时完成16通道的开关量输入与32路的模拟量同步采集，满足目前钻井的要求，通过扩展多个采集模块可以实现更多通道的采集。

2．1 传感器的选型

传感器是作为信息技术的3大支柱之一，对系统检测起到了决定性的作用。在自动监测和自动控制系统中，传感器相当于人的五官，直接感知外界的信息。传感器是监测系统中必不可少的工具，选择传感器至关重要，对于深水钻机多参数监测系统应该从以下几个方面考虑。

1） 根据被测对象与使用工况选择传感器。要完成任一具体的测量，首先考虑被测对象属性和使用工况。电压型还是电流型，量程大小，安装尺寸要求，是否有防爆需求，走线方式，测量方式是直接测量还是间接测量等。在选定上述指标后，在考虑传感器的具体性能指标。

2） 线性度（即非线性误差）。传感器的线形度指输出与输入之间的线性程度。从原理上讲，线性度的范围越宽越好，这样在量程范围内的测量准确度就越高，测量精度才能得到保障。

3） 灵敏度。通常，希望在线性范围内，灵敏度越高越好。然而，传感器的灵敏度高，外接的干扰也容易被引入，从而影响了测量的精度。所以，在选择传感器时尽量选择信噪比比较高的传感器，在保证灵敏度的同时减少干扰因素的介入。

4） 迟滞特性。迟滞特性反应传感器正向和反向行程的输出输入特性曲线不重合的程度。希望迟滞越小越好，这样可以确保正反向测量的一致性，能够真实地反应被测量的数值。

5） 重复性。传感器使用中，多次重复的测量对应的测量曲线重复性越好，对应的误差就越小，它反应出了传感器的稳定性。在构建监测系统要充分考虑此因素，确保长期使用而具有良好的准确性。

6） 精度。传感器的精度并非越高越好，满足测量要求即可，不要一味的追求精度而造成不必要的成本增加，做到被测量的数值要求和精度吻合即可［2-5］。

综合考虑以上因素，可保证传感器正确选型。

2．2 信号调理电路

信号调理电路实现传感器信号与采集卡的通信，实现模拟信号、数字信号读入各个区块的采集单元，并实现与各个采集单元和上位机的通讯，为控制系统提供设备的状态信号，用于实现报警或执行动作等操作。

对于数字量的输入，如接近开关和压力开关，由于它是一个开关量，不需要对它进行处理，串接一个电阻，在电阻两端取电压即可送入采集卡采集。电路图如图2所示。

图2　数字信号处理电路

压力、位移和转矩等信号为模拟量，对于模拟量的输入，针对来自传感器的信号为4～20mA电流信号，所以需要串联标准电阻，取得2～10 V标准电压信号送回采集卡。电路图如图3所示。需注意的是数字地与模拟地要区分开。

图3　模拟信号处理电路

2．3 数据采集卡［6］

本监测系统采用的高速光隔U SB采集卡，它具有以下特点：采用U SB2．0接口，光电隔离模拟量采集；灵活的供电电源方式；16通道的开关量输入与32路单端／16路双端模拟量同步采集，能够满足用户的同步触发、同步启动、状态同步检测等要求；12位采集精度；系统总的采集贯通速率为400 ksps；丰富的扩展接口。

图4是开关量接线图，D O0～D O15是16路开关量输出，DI0～DI15是16路开关量输入，33、34针为数字量公共地线。

图4　16通道开关量输入与输出接线图

图5为32路单端模拟量输入接头。模拟量输入共计32通道。其中1～16为模拟量输入的起始16通道，17，18，19，20这4个针用于扩展，采集时不使用，针21～36为后16个模拟量通道。37，38，39，40为4个模拟量输入地线，用户输入的模拟信号的地线要与这4个地线相连，这4个地线内部相连。

图5　模拟量输入通道1～32

2．4 信号的传输

钻井的工作环境恶劣，信号需要远距离传输且受到的外界干扰大，TTL和RS232C接口难以满足要求，因此，本系统采用ENTERNET接口，来实现微处理器输出信号的远距离传输。

IL-1β、IL-6、IL-8和TNF-α等炎性细胞因子的异常表达是导致肠组织细胞间紧密连接丢失以及细胞上皮屏障损伤的主要原因，也在IBD发病过程中起着重要的作用[11～15]。如图 1所示，LPS处理能显著刺激Caco-2细胞中IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。而辣木多肽处理能够显著抑制模型细胞中 IL-1β、IL-8和TNF-α的分泌。特别是，高浓度辣木多肽(100 μg/mL和150 μg/mL)能够使细胞中的IL-1β水平分别较模型细胞中IL-1β水平降低10.6%和19.8%，IL-8水平降低36.4%和43.7%，TNF-α水平降低30.7%和37.9%。

3　多参数监测系统的软件设计

监测系统软件是监测系统的核心，它利用数据采集卡实现数据采集，应用服务器对采集的数据进行存储、分析、显示和其他处理，根据检测的信号作出判断发出信号给控制单元，实现报警和设备的控制。

本系统应用VisualC＋＋、Server2008等开发工具在Windows操作系统下设计和开发了一套基于数据采集卡的应用程序，具备数据采集、数据处理、数据存储、动态波形显示、信号分析等功能，还具有良好的人机界面以及稳定准确的反馈控制信号等一系列功能。软件流程如图6所示。

3．1 数据采集模块

本系统选用的数据采集卡提供了Windows7／XP下使用的驱动程序，应用程序通过调用采集卡的动态链接库，然后在ADCard．DLL内部再调用其它内核驱动程序。

3．2 数据存储模块

考虑到系统数据存储量，选用Server 2008数据库既可满足数据的存储，可以实时的把采集到的数据写入数据库。

图6　软件流程

4　结论

1） 开发了深水钻机多参数监测系统，与传统仪表系统比较，具有如下特点：系统数据接口可以和现有的深水钻机配套的电控系统集成，便于数据的共享和系统逻辑保护设置；具备数据分析和处理的能力，可以实现超限报警、分析预警和故障判断等功能；具有可视化的参数曲线，可直观反映各个参数的变化，为后期的故障分析提供依据。实现了采集、分析、处理、数据存储和归档等一系列功能。

2） 系统已经通过了软硬件的调试，监测装置体积小，方便安装，适合深水钻机的配套。

3） 系统实现了各分散系统的高度集成，打破了传统监测系统重复配置、各子系统各自独立等现状，为整套深水钻机提供了一套完备的监测系统。

4） 多参数监测系统的应用，在很大程度上将提高钻井的安全性、提高钻井效率、降低钻井成本，有利于整个钻井过程的科学化、实时化和网络化。

［1］ 李加国．钻井参数仪的现状及发展趋势［J］．江汉石油职工大学学报，2009，22（4）：31-32．

［2］ 王淑红．测控电路与器件［M］．北京：清华大学出版社：北京交通大学出版社，2006．

［3］ 王先培，王泉德．测控总线与仪器通信技术［M］．北京：机械工业出版社，2007．

［4］ 任致程．传感器、变送器、智能数显控制器应用手册［M］．北京：中国电力出版社，2007．

［5］ 孟立凡，蓝金辉．传感器原理与应用［M］．北京：电子工业出版社，2007．

［6］ 周玉丰，李涛．一种新型钻井参数监测系统的硬件设计［J］．石油矿场机械，2011，40（2）：68-72．

Design of Integration and Networking in Deep-water Drilling Rigmulti-parametermonitor System

ZHANG Pengfei1，2，LIANG Chunping1，2，LIANGWeibin1，2，LUO Lei1，2，WANG Fei1，2
（1．Baoji Oilfieldmachinery Co．，Ltd．，Baoji721002，China；2．N ational Oil&Gas Drilling EquipmenTEngineering Research Center，Baoji721002，China）

The drilling parameter is im portantim plement tomonitor drilling procedure and analyze during drilling process for final scientific solution，since it is valuable tomonitor the parameters，to developmonitor system of deep water drilling rig．The system shallfinish dynamic collection，analysis and data storage．To design inmodulemode，themodule data storage unit im proves the flexibility and practicability of data collection．At the same time，the software Visual C＋＋is used to develop program and database，to realize system integration．at the same time，to the traditionalmonitor systemmalpractice of repeat configuration and independent sub system are broken，w hich supply an integratedmonitor system for deep water system．

drilling rig；m ultiparameter；m onitor system；integration；netw orking

TE951

A

10．3969／j．issn．10013842．2015．03．022

10013482（2015）03008704

①2014-09-19

国家高技术研究发展（863）计划项目“深水钻机与钻柱自动化处理关键技术研究”（2012-AA09-A203）

张鹏飞（1981-），男，陕西宝鸡人，工程师，硕士，现从事石油装备的设计与研发工作，Email：zhangpf2006＠163．com。