錄井傳感器模擬與自動識別系統(tǒng)研究

　　摘　要：本文從錄井傳感器的模擬、安裝操作檢測、傳感器的識別、傳感器動畫播放等方面對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行了描述。經(jīng)油田推廣應(yīng)用，該系統(tǒng)功能完善，操作直觀，培訓(xùn)效果好，應(yīng)用前景廣闊。

　　本文源自何志敏; 梅大成， 電子技術(shù)與軟件工程 發(fā)表時間：2021-03-15 《電子技術(shù)與軟件工程》(半月刊)創(chuàng)刊于2012年，由中國電子學(xué)會主辦。旨在全方位推廣信息時代下電氣、電力、電工科學(xué)意識;關(guān)注電子各專業(yè)技術(shù)以及最新科研成果和進(jìn)展;介紹軟件工程、科技、信息技術(shù)在社會各領(lǐng)域的應(yīng)用，關(guān)注科技傳播與公民科學(xué)文化素質(zhì)的提升。

　　關(guān)鍵詞：錄井;傳感器;模擬;自動識別;PLC

　　1 引言

　　錄井技術(shù)是鉆井井控工作的一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)，符合時代發(fā)展的基本需求，能夠科學(xué)分析出地質(zhì)結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)成情況及潛在的安全風(fēng)險因素 [1]。傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)是通過閱讀錄井培訓(xùn)手冊、聽取有經(jīng)驗(yàn)的錄井人員的講解、參加錄井現(xiàn)場實(shí)際操作等方式，傳統(tǒng)的綜合錄井培訓(xùn)方式已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前高節(jié)奏、高效率的石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展需要 [2]。錄井模擬培訓(xùn)系統(tǒng)通過對現(xiàn)場環(huán)境和儀器的仿真，使室內(nèi)培訓(xùn)效果接近現(xiàn)場，從而降低培訓(xùn)成本和風(fēng)險。在錄井模擬培訓(xùn)中，一個關(guān)鍵的問題是培訓(xùn)人員要能識別各種傳感器，并且在操作過程中，將各種傳感器安裝到正確的位置。每次操作，系統(tǒng)需要判斷出對應(yīng)位置所安裝傳感器是否正確，如果正確，給出提示，顯示當(dāng)前傳感器的值，并以動畫形式將該傳感器所處真實(shí)位置在圖形上放大顯示。如果錯誤，系統(tǒng)給出錯誤提示。

　　2 傳感器模擬與自動識別系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　由于鉆井工藝環(huán)境的要求，現(xiàn)場使用的多是特殊定制傳感器，價格一般都比較昂貴 [3]。本著經(jīng)濟(jì)、耐用的原則，錄井模擬培訓(xùn)系統(tǒng)采用傳感器模型來代替真實(shí)傳感器，大大降低了在培訓(xùn)過程中由傳感器使用損耗而產(chǎn)生的費(fèi)用。生產(chǎn)現(xiàn)場，錄井傳感器分布在井場的各個區(qū)域，而錄井模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的硬件采用的是按真實(shí)比例縮小的井場模型，該模型包括鉆井平臺、電機(jī)房、灌區(qū)、泥漿泵等。由于井場模型體積較小，不便于在其真實(shí)位置安裝傳感器，只用小標(biāo)牌在其安裝位置標(biāo)識傳感器名稱，而在井場模型平臺上設(shè)置多個航空插座，用來模擬傳感器的安裝位置。傳感器模擬與自動識別系統(tǒng)由傳感器模型、井場模型、主控機(jī)和圖形機(jī)幾個部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

　　傳感器模型通過 9 芯航空頭連接到井場模型平臺的航空頭插座上，傳感器的值通過 PLC 采集后傳送給主控計算機(jī)，主控計算機(jī)實(shí)時顯示當(dāng)前傳感器的狀態(tài)，并發(fā)送消息給圖形計算機(jī)，由圖形計算機(jī)播放該傳感器動畫，將其在現(xiàn)場的具體安裝位置、當(dāng)前值大小等模擬出來。

　　2.2 傳感器模擬

　　傳感器的主要作用是把現(xiàn)場的錄井參數(shù)轉(zhuǎn)化為電量，并對其進(jìn)行初步處理 [4]。錄井傳感器的工作環(huán)境比較惡劣，現(xiàn)場對傳感器的特性選擇要求比較嚴(yán)格，在錄井模擬系統(tǒng)中，我們采用 1:1 的傳感器模型來對真實(shí)傳感器進(jìn)行模擬。模擬過程需要實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)要求：一是每個模型能模擬傳感器的輸出值，此值是要能隨時改變的值;二是每個傳感器在鉆井模型平臺上都有一個固定的位置，傳感器模型必須能產(chǎn)生位置編碼，才能判斷是否安裝到了正確的位置。

　　2.2.1 傳感器輸出值的模擬

　　錄井模擬培訓(xùn)系統(tǒng)需模擬的傳感器有懸重傳感器、H2S 傳感器、出口 / 入口溫度、出口 / 入口密度、出口 / 入口電導(dǎo)率、轉(zhuǎn)盤扭矩、立壓、套壓、液位、電扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、絞車、泵沖、出口流量等 17 個傳感器，其中，現(xiàn)場的絞車、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和泵沖傳感器輸出的是脈沖信號，其余的傳感器輸出的是 4~20mA 的電流信號。傳感器模型輸出的數(shù)據(jù)由 PLC 采集，PLC 作為一種穩(wěn)定可靠、控制程序靈活可變的控制器，在工業(yè)控制系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用 [5]。PLC 選用的是 Siemens 公司的 S7-200，可以對 0~10V 電壓或者 4~20mA 電流進(jìn)行采集。為了簡化傳感器模型的設(shè)計，所有模型的傳感器值均采用 10K 電位器串接 14K 電阻連接到 24V 電源，通過電位器分壓獲得 0~10V 的電壓值來模擬傳感器輸出值。S7-200 將傳感器的值傳送給主控機(jī)后，再由主控機(jī)按真實(shí)傳感器的特點(diǎn)進(jìn)行處理。

　　2.2.2 傳感器位置編碼的產(chǎn)生

　　鉆井模擬平臺上有 17 個航空頭，每個航空頭代表一個傳感器的位置，事先設(shè)定各個航空頭的編號。每個傳感器模型需輸出對應(yīng)的位置編碼，17 個傳感器模型需用 5 位二進(jìn)制編碼來代表其位置。為了產(chǎn)生這 5 位編碼，可以采用多種方案。比如可以在每個模型中放一個旋轉(zhuǎn)編碼器，事先設(shè)定好編碼器的旋轉(zhuǎn)刻度，讓其輸出的編碼保持一個特定的數(shù)值。但是由于有的傳感器模型體積較小，市面上的旋轉(zhuǎn)編碼器無法放入其中，而且編碼器的價格也較高，每個傳感器只用其一組編碼，浪費(fèi)較大。經(jīng)過多種方案對比，最終采用 5 位撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)位置編碼。撥碼開關(guān)體積小，價格便宜，能輕松地實(shí)現(xiàn) 1~17 的編碼。將此 5 位撥碼開關(guān)和電位器放入傳感器模型內(nèi)并將其輸出信號接到 9 芯航空頭上，再由航空頭輸出到 PLC。

　　3 傳感器自動識別系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 主控軟件與前端硬件的通信

　　錄井模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控軟件必須持續(xù)不斷地與前端硬件進(jìn)行通信，以獲取前端設(shè)備狀態(tài)，然后經(jīng)過主控軟件處理，可以驅(qū)動圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動畫過程，因此，主控軟件和前端設(shè)備的雙向、高速、穩(wěn)定的通信是整個系統(tǒng)需要解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。傳感器自動識別系統(tǒng)中，主控計算機(jī)作為主站，它通過串口與S7-200 之間通過Siemens的PPI電纜相連， S7-200作為從站，工作在自由口模式下 [6]。

　　3.1.1 PLC 與主控機(jī)通信協(xié)議

　　在自由口通信模式下，用戶需要自定義通信協(xié)議 [7]。本系統(tǒng)中，主控計算機(jī)與 PLC 之間的通信采用主從方式：主控計算機(jī)始終處于主機(jī)地位，具有初始傳送優(yōu)先權(quán)，所有通訊均由 PC 機(jī)來啟動。 PC 機(jī)首先按照約定的字符格式和波特率初始化串口，然后按命令字格式發(fā)送命令字給 PLC，接著按約定字節(jié)數(shù)讀取數(shù)據(jù)，這樣便完成與 PLC 的數(shù)據(jù)傳輸。接著發(fā)送新的命令字開始下一次傳送，循環(huán)進(jìn)行。PC 發(fā)送的命令字格式如下所示：

　　本系統(tǒng)中，命令字為“UUUU”+ 用一個字符表示的地址編號， PLC 在接收命令字時為接收 5 個字節(jié)，在接收完成后立即轉(zhuǎn)為發(fā)送約定好字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)給 PC，發(fā)送完后又設(shè)置為接收 5 個字節(jié)。 PLC 發(fā)送給主控機(jī)的數(shù)據(jù)幀格式如下所示，先發(fā)送每個傳感器的當(dāng)前值，然后發(fā)送每個傳感器的位置編碼。

　　為了實(shí)現(xiàn)自由口通信，PLC 在對端口初始化時，需要對相關(guān)特殊存儲器位進(jìn)行配置。特殊存儲器位 SMB30 為端口 0 通信配置波特率、奇偶校驗(yàn)和數(shù)據(jù)位 [8]。本系統(tǒng)中，設(shè)置 SMB30 的值為 16#90，即無奇偶校驗(yàn)、每個字符 8 位、波特率 9600、自由口通信模式 [9]。配置 SMB87 為 16#90，即允許接收、忽略 SMB88、忽略 SMB89、使用 SMW90 或 SMW190 數(shù)值檢測空閑線條件、定時器是字符間的超時計時器、忽略 SMW92 或 SMW192、忽略斷點(diǎn)條件。配置 SMW90 的值為 16#5，即設(shè)定空閑線時間為 5ms，當(dāng)空閑線時間超過 5ms 后，收到的第一個字符是新信息的開始 [10]。設(shè)置 SMB94 為 16#5，即初始化接收 5 個字節(jié)的命令字。

　　3.1.2 PLC 與主控機(jī)數(shù)據(jù)傳送

　　為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)能實(shí)時傳送，PC 與 PLC 直接采用中斷方式進(jìn)行通信。接收和發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖 2 所示。PLC 接收完 PC 機(jī)發(fā)送的 5 個字節(jié)命令字后進(jìn)入中斷服務(wù)程序 INT0(圖 2(a))，在中斷服務(wù)程序中判別命令字是否為之前約定好的命令字，如果不是，就返回，重新接收命令字。如果是，啟動定時器定時 5 毫秒，之后進(jìn)入發(fā)送中斷服務(wù)程序 INT2(圖 2(b))中，發(fā)送約定字節(jié)數(shù)的數(shù)據(jù)給PC。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，進(jìn)入接收中斷服務(wù)程序INT1(圖 2(c))，允許接收新的命令字。

　　3.2 主控軟件傳感器識別

　　主控計算機(jī)每隔 200ms 和 PLC 進(jìn)行一次通信，接收到 PLC 發(fā)送的數(shù)據(jù)后，可以獲得每個傳感器當(dāng)前值以及傳感器位置編碼。主控機(jī)需要做如下幾個判斷：一是判斷出學(xué)員當(dāng)前安裝的是哪一個位置的傳感器;二是裝上的傳感器是否正確;三是傳感器的當(dāng)前值。主控軟件對傳感器的對錯做出提示，并顯示傳感器的值，同時將這些信息發(fā)送給圖形機(jī)，讓圖形動畫與實(shí)際操作同步。主控機(jī)傳感器識別的數(shù)據(jù)流程如圖 3 所示。

　　4 結(jié)論

　　傳感器自動識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了傳感器操作的捕捉、傳感器識別與判別、傳感器動畫演示等功能。圖 4 為系統(tǒng)運(yùn)行時主控軟件采集到的傳感器數(shù)值，圖 5 為圖形程序?qū)崟r展示的動漫場景。

　　錄井模擬系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室測試目前已交付延安職業(yè)技術(shù)學(xué)院使用，經(jīng)油田應(yīng)用表明，系統(tǒng)功能完善，操作直觀，培訓(xùn)效果好，值得進(jìn)一步推廣和使用。