旋转导向钻井工具稳定平台监控系统通信设计.pdf

石 油机械 C H I N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 2年 第 4 0卷 第 4期 ． _ 钻井技术与装备 旋转导 向钻 井工具 稳定 平台监控 系统通信设计 闫亚妮 程为彬 李耀东 马 彬 张 燕 1 ．西安石油大学陕西省钻机控制技 术重点 实验室2 ．陕西延长 石 油 集 团有限责任公 司研 究院3 ．大庆石化公 司塑料厂 摘要 提 出采用无线通信方式来解决通信过程 中需要 多次停机 的问题 ，及 时、准确地将 井下 工具工作情况传输到 P C机 中，对现场进行监测，并通过组态软件对传输过程进行分析 ，同时对 异常情况及时做出处理 ，实现对现场运行情况 的实时控制。通信采用半双工异步传输的工作方 式， 通信协议采用 Mo d b u s 协议。通信试验结果表明，单片机能将现场实时数据通过无线数传模块传输 给 P c机，并在 MC G S制作的人机界面 中显示出来 ，准确无误 。 关键词旋转导向；钻井工具 ；稳定平 台；监控系统；无线数传 ；MC G S ；组态软件 ；P C机 ； Mo d b u s 协 中图分类号 T E 9 2 8 ． 0 2 文献标识码 A文章编号1 0 0 1 4 5 7 8 2 0 1 2 0 4 0 0 2 6 0 4 De s i g n o f t h e M o n i t o r i ng S y s t e m Co mmun i c a t i o n f o r St a b i l i z e d Pl a t f o r m o f Ro t a r y S t e e r i ng Fr i l l i ng To o l Ya n Ya n i Ch e n g W e i b i n Li Ya o d o n g Ma Bi n Zh a n g Ya n 1 ． S h a a n x i P r o v i n c i a l K e y L a b o r a t o r y o f D r i l l i n g R i g C o n t r o l T e c h n o l o g y ，X i ’ a n S h i y o M U n i v e r s i t y 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o t ’ S h a a n x i Y a n c h a n g P e t r o l e u m G r o u p C o ． ，L t d ． 3 ． P l a s t i c P l a n t of P e t r o l C h i n a D a q i n g P e t r o c h e mi c a l C o m p a n y Ab s t r a c t I t i s s u g g e s t e d t ha t a wi r e l e s s c o mmu n i c a t i o n me t h o d i s a d o p t e d t o s o l v e t he p r o bl e m t h a t mu l t i p l e s h u t d o wns a r e r e q u i r e d i n t he p r o c e s s o f c o mmu n i c a t i o n． Th e o p e r a t i ng c o n di t i o n o f d o wn h o l e t o o l i s t r a n s mi t t e d i n t o t h e PC t i me l y a n d a c c u r a t e l y ．Th e fie l d mo n i t o r i ng i s c o n d uc t e d a nd a n a na l y s i s o f t h e t r a n s mi s s i o n pr o c e s s i s ma d e t h r o ug h t he c o n fig u r a t i o n s o f t wa r e ． Me a n wh i l e， t he u ne x p e c t e d s i t ua t i o n s a r e de a l t wi t h ． Th e r e a l t i me c o n t r o l o f t h e fie l d o p e r a t i o n i s a c hi e v e d ． Th e c o mmun i c a t i o n a d o p t s t h e o p e r a t i n g mo d e o f s e mi d u p l e x a s y n c h r o n o us t r a n s mi s s i o n ． The Mo d b us p r o t o c o l s a r e a do p t e d a s t h e c o mmu n i c a t i o n p r o t o c o l s ． Th e e x p e r i me n t a l fin d i n g s o f c o mmu n i c a t i o n s h o w t h a t t h e s i n g l e - c h i p mi c r o c o mp u t e r c a n t r a n s mi t t h e fie l d r e a l -- t i me d a t a t o t h e PC t h r o u g h t he wi r e l e s s d i g i t a l mo d ul e whi c h c a n b e d i s p l a y e d o n t h e ma n ma c hi ne i n t e r f a c e p r o d u c e d b y t he MCGS wi t h a h i g h p r e c i s i o n ． Ke y wo r ds r o t a r y s t e e r i n g； d r i l l i n g t o o l ； s t a b i l i z e d pl a t f o r m ； mo ni t o r i n g s y s t e m ； wi r e l e s s d i g i t a l t r a n s mi s s i o n； MCGS；c o n fig u r a t i o n s o f t wa r e； PC； mo d b u s pr o t o c o l s 0 引 言 旋转导向钻井是一项涉及多学科的高新科技尖 端技术 ，被誉 为钻井 导弹与制导技 术 。国 内研 究的旋转导向钻井工具是在全旋转状态或不旋转状 态下进行 的，因而作为旋转导向钻井] 二 具关键的稳 定平 台就显得尤为重要 。它的作用是使钻井工具在 运行过程中产生一个不受钻柱旋转影响 ，并且可以 对工具面角进行 自动保持和调整 ，同时使钻柱及推 板的工具面角在旋转 时保 持一个稳定状 态 。稳 定平台单元 由上 、下 2台涡轮发 电机 、测控电子系 基金项 目陕西省科 学技术研究发展计划项 目 “ 载体空间姿态的非正交测量和模拟解算关键技术研 究” 2 0 1 1 K 0 6 2 7 。 2 0 1 2年第4 0卷第4期 闫亚妮等旋转导向钻井工具稳定平台监控系统通信设计 统及 电子仓等 组成 _ 3 。其 中，电子仓 内嵌有 单片 机 ，钻井过程 中所采集 的所有钻井参数就储存在单 片机 的 E E P R O M 中 。仿真过程要实现对 钻井 轨 迹的实时监控功能，就必须将钻井过程中储存在单 片机 中的参数实时传送 给 P C机 ，以便 P C机能够 及 时发出调整指令 。 在将数据从单片机传给 P C机 的过程中，有线 方式虽然能够准确地将参数传输给上位机，但由于 传输物理层 面的影响 ，在传 输过程 中需要多次停 机 ，然后再利用仿真工具对数据进行存取 ，很难达 到实时传输的目的。为此，笔者提出采用无线通信 方式来解决通信过程中需要多次停机的问题，及 时、准确地将 井下工具工作 情况传输到 P C机 中， 对现场进行监测 ，并通过组态软件对传输参数进行 分析 ，同时对异常情况及时做出处理 ，实现对现场 运行情况的实时控制 。 1 系统结构功能设计 在研究旋转导向钻井工具过程中，监控系统分 为 2部分 一是实现 P c机与单片机相互通信的信 号传输系统，主要负责将单片机中储存的各钻井参 数 的数据实时传送 到 P c机 ，同时也可 以传输 P c 机 向现场发送的调整 指令 ；二是 P c机计算分析模 拟系统， 通过它可以对从现场传送给 P c机的数据 进行分析 ，并根据分析确定现场运行状况 以及实际 工作效果 ，及时发出控制指令对现场进行调整 。系 统设计原理 图如图 1 所示 。 图 1 系统 设 计 原 理 图 F i g ． 1 Di a g r a m o f s y s t e m d e s i g n p r i n c i p l e 各传感器将采集到的方位角 、转速及钻压等钻 井参数数据发送给单片机并进行相应处理 ，处理后 的数据存储在单片机 的 E E P R O M 中。当 P C机发送 传输命令时，可以通过 S R WF一1 对参数数据分组 打包并转换为无 线信号发射 出去 ，而在接收方 的 S R WF一1接收到传输信 号后再传送 给 P C机 ，P C 机对传送数据进行处理分析后 ，如果发现异常则发 出控制指令信号 ，实现对现场的控制 。 2 信号通信 系统 2 ． 1 通信系统设计 在旋转导向钻井过程 中，如果要确保参数实时 传输给P c机 J ，那么在传输过程中就要保证信号 免受外界干扰 ，笔者在此选用 了 S R WF一1型微功 率无线 数传模 块。该 模块采 用 了 F S K调 制方式 ， 采用高效前 向纠错信道编码技术 ，提高 了数据在传 输过程 中的抗突发干扰和随机干扰能力 。无线数传 模块通信原理如图 2所示 。 图 2无 线 数 传 模 块 通 信 原 理 F i g ． 2 P r i n c i p l e o f wi r e l e s s d i t a l mo d u l e c o mmu n i c a t i o n P C机传输的是数字信号 ，数 据在传送线 上的 传输信号不为 “ 0 ”就为 “ 1 ” 。当模块处于无信号 状态时 ，线路会一直处于高电平状态 ；当有传输任 务时 ，模块将接收到的数据存储到模块 自身所携带 的单元中 ，同时转换模块状态 ，即将高电平转换为 低电平。之后启动打包程序 ，将数据包中的数据传 送到调制解调器 中，以 F S K方式调制成模拟信号 ， 并与锁相环中的振荡信号一起传送到混频器 中进行 升频操作 ，之后再经过发射放大器 、功率放大器放 大后直接发送出去。 在信号接收方 ，接收到的信号经过射频放大器 与锁相环中的振荡信号一起送 到混频器 中进行 降 频 ，之后经中频滤波器和 中频放大器后进入调制解 调器中，再 以 F S K方式进 行解调 ，解调后 的数 据 储存在存储单元 中，参数数据最后经过 串行 口传输 给 P c机 ，实现单片机和 P C机的通信功能 。 2 ． 2 通信协议 通信采用半双工异步传输的工作方式。通信协 议采用 M o d b u s 协议，传输速率采用 9 6 0 0 b i t／ s ， 协议定义了消息在传输过程中的格式。消息是以帧 的形式传输的 ，一条消息帧包含要寻址的设备的地 址码、能够说明所要执行任务的功能码 、还有所要 执行动作的相关数据的数据段 ，最后就是检验消息 一 2 8一 石 油机械 2 0 1 2年第 4 0卷第4期 是否正确的 C R C校验 位。串口通信 图设置如 图 3 所示。下面以通信过程中所采用的 F 0 3功能码为例 说 明消息的传输过程 。 纂 率属 性} 电 、话 连按{ 。 厂 一 藩 ■]_一 _一 设 备 注 释 初 始 I 作 状 态 最 小 果 集 周 日 【 m 8 l 串 口 口 号 n 一 25s l 通 讯 波 特 章 数 据 位 位 女 停 止 位 位 数 据 校 验 方 式 据 异； 集 力 式 道 用 串 口 父 设 备 通 用 串 口 父 设 备 1 一B 位 I [I一1 位 0无 校 验 0一同 步 采 集 匠蠢匦 一 J 一 l⋯ j 图 3 串 口通 信 图设 置 F i g ． 3 S e t u p o f s e r i a l c o mmu n i c a t i o n d i a g r a m M o d b u s 协议 中，F 0 3码 的功能是读取保持 于 寄存器中的数据 。通信 中，P c机 中对钻井参数 的 设置要与单片机中参数的设置保持一致。本系统只 是针对单 台旋转导 向钻井工具稳定平台进行一对一 的数据传输，定义其地址为 0 1 ，那么在下行通信 的消息帧中只需要 明确上传数据的物理地址及要上 传 的数据个数。从井下采集 的各钻井参数数据储存 在单片机 中以 4 0 1 0 1开始 的物理地址 的存储 单元 中。下行通信消息 帧的格式如表 1 所示 。 表 1 下行通信消息帧 Ta b l e 1 Me s s a g e f r a me o f do wn l i n k c o mmu ni c a t i o n 当单片机接收到来 自 P C机的传输命令后 ，首 先对功能码进行判断，判断需要执行什么任务。当 判断出 P C机需要将以物理地址为 4 0 0 0 1开始的连续 3个存储单元的数据传送给 P c机时，应该进行错误 校验。Mo d b u s 协议 R T U模式采用 的是 C R C校验 ， 如果消息中有错误发生，那么在响应消息中的功能 码就会被修改，告诉 P c机 回应消息是错误的。如果 没有错误发生，那么回应消息如表 2所示。 表 2 上行通信消息帧 Ta b l e 2 Me s s a g e f r a me o f up l i n k c o mmu ni c a t i o n 传输到 P C机的数据也要进行 C R C校验 ，如果 出现错误 ，P C机会发送 “ 重新发送 ”命令 ；如果 无错误 ，则计算机会对相应数据进行处理分析。 2 ． 3 硬件连接 图 4 、图 5分别为无线数传模块与 P c机和单 片机的接 口连接图。在通信过程 中，由于上位机采 1 ～ C D 2 一 RXD 3～ T XD 4 一 DTR 5 一 GND 6 一 DS R 7～ RTS 8 ～ CTS 9一 RI ／ ’ _． 1 G N D ／ 1 ● ●2 VCC 6● 2． _ _ ●3 RX D 7● ] ●4 TX D 3 ． _ _ ] l ’ ● 5 S G N D 8 ● 6 A T X 4 ● l 90 7 B RX ● 8 S L E E P ＼ ●9 RES ET 无 线 数传 模 块 图 4 S R WF一1 模 块与 P C机 串口连接 图 F i g ． 4 Di a g r a m o f s e r i a l c o n ne c t i o n b e t w e e n S RWF 一1 mo d u l e a n d P C 用的是 P c机 ，P C机所能识别 的信号是 R S一2 3 2 电平 信号 ，而 下位 机采 用 了 D S P I C 3 0 F 5 0 1 i单 片 机 ，通信时它所识别 的信号是 T T L电平信号 。一 般情况下，通信时首先要分别对上位机和下位机的 传输信号进行 电平转换 ，转换为传输模块所能收发 的信号。这里采用了 S R WFl型微功率无线数传 模块 ，它 所 提 供 的标 准 R S一2 3 2 、R S一4 8 5和 U A R T T T L电平 3种接 口方式为通信过程提供 了方便。 D 48广．． 。L 。 -- 。。。。。。 。。‘。一 ●1 G N D ‘L 。 。 -- 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 一 2 VCC [ PI C3 0 F 5 0 I 1 ．E． -- ． ．． ． ． ． ．． ． ． ． ●3 RXD 6 4 P i n 三三 ● 4 T XD 41 VS S - ●5 S GND I ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． 一 [ 6 A门 X、 3 8 VDD匕 1 7 Bf RX、 [ 厂 ● 8 SL E E P E-- [ 34 U IR X 广 ～ ．．．．．．．．．．． ●9 RESE T 3 3 UI TX [ -- S R W F一1 型微功率 无线数传模块 图 5 S R WF一1 模 块与单片机接 口连接 图 F i g ． 5 Di a g r a m o f s e r i a l c o n n e c t i o n b e t w e e n S RW F 一 1 mo d u l e a n d MCU 3 软件功 能设计 3 ． i 功能设 计 P C机监控系统软件流程 如图 6所示 。旋转导 向钻井中系统控制 包括通信都是由 P C机 中 MC G S组态软件来完成的。MC G S组态软件 自身具 2 0 1 2年第 4 0卷第4期 闫亚妮等旋转导向钻井工具稳定平台监控系统通信设计 一 2 9一 有强大的数据库功能 ，能够在软件内的各窗体之间 进行数据交换 ，通过 动态 的人机界 面、报警、E x - c e l 表格等功能将钻井 现场 的运行情况实时地显示 在 P C机的显示屏上 ，并可以通过打印机打印，以 便控制人员及时了解钻井现场设备的运行情况 。同 时 ，传送到 P C机中的数据经过 MC G S组态软件中 设置 的计算分析功能 ，将分析后 的数据与计算机 中 设置的数据进行比较 ，如果 出现异常，则发出调整 控制指令 ，这样就实现了 P C机对现场运行状况的 控制 。下面以钻井过程 中井斜角为例来说 明监控软 件 的功能 图 6 P C机 监 控 系统 软 件 流程 F i g ． 6 F l o w c h a r t o f s o f t w a r e f o r P C mo n i t o r i n g s y s t e m 井下测量装置将测量的井斜角数据传输给单片 机 ，并储存在单片机的存储单元 中，当 P c机 向单 片机发送传输井斜角命令后 ，单片机发送响应 ，将 数据传输给 P C机。传输到 P C机的数据实时显示 在 MC G S组 态软件 的动 态画面 中，显 示 出历史 数 据 、历史曲线、实时数据和实时曲线等 。同时 ，软 件也要对传输过来的数据进行分析 ，通过与之前的 设定值进行 比较 ，如果 发现异常及 时发 出调整 指 令 ，对钻井工具进行控制。 3 ． 2通信 测试 单片机接 口接有 可以感知各种工况 的传感器 一次仪表 ，可将旋转 导 向钻井过程参数传输 给 单片机，经单片机处理后，储存在单片机的 E E P ． R O M 中，待接收到 P c机上传数据命令后 ，将数据 传输给 P C机。P C机接收到的数据可以通过 MC G S 监控软件界面显示 出来 ，为保证通信准确 ，在通信 协议中设有校验码 ，可以验证传输误码率 。 通信测试过程中 ，使旋转导向钻井稳定平台旋 转运行 ，通 过 P C机对单片机发 出上传数据命 令 ， 单片机接收到信息后将采集 到的数据准确 传输给 P C机 。 通信试验结果表明，单片机将现场实时数据通 过无线数传模块传送 给 P c机 ，并在 MC G S制作 的 人机界面中显示出来 ，准确无误 ，实现 了单片机与 P C机通信的 目的。 4 结 论 1 旋转导 向钻井工具稳定平 台监控 系统实 现了调试设 备与导 向钻井稳定平 台之间数据 的实 时 、不间断传输。 2 该监控 系统能对旋转导 向钻井过程 中的 数据进行实时传输 ，在发生异常情况时 ，能够通过 监控 软 件 及 时对 现 场进 行 实 时控 制 ，实 现 监控 功 能 。 3 通信试验结果表 明 ，单片机 能将现场实 时数 据 通 过 无 线 数 传 模 块 传 输 给 P C机 ，并 在 MC G S制作 的人机界面中显示 出来 ，准确无误。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 王艳丽 ，汤楠，霍爱清，等 ．旋转导向钻井稳定 平台前 馈模 糊算 法研 究 [ J ]．电子 设计 工程， 2 0 0 9 ，1 7 1 7 6 7 8 ． 汤楠 ，霍爱清 ，崔琪琳 ．基于状态空间法 的旋转 导向钻 井工 具控制 系 统研究[ J ]．石油学 报， 2 0 o 4 ，2 5 2 8 9 9 2 ． 闫文辉，彭勇，张绍槐 ．旋转导向钻井工具的研 制原理 [ J ]．石油学报，2 0 0 5 ，2 6 5 9 4 9 7 ． 马彬，程为彬，李耀东，等 ．基于 V B的旋转导 向钻井试验数据处理系统的设计 [ J ]．石油仪器， 2 0 0 9 ，2 3 6 8 1 8 3 ． 朱皆敏，周琳，路林吉 ．无线数字传输技术及在 移动电站远程监控中的应用初探 [ J ]．移动电源与 车辆，2 0 0 5 3 1 O一1 4 ． 第一作者简介闫亚妮 ，生于 1 9 8 2年，2 0 0 7年毕业于 西安石油大学 自动化专业 ，现为该校检测技术与 自动化装 置专业在读硕士研究生 ，研究方向为智能仪表控制。地址 7 1 0 0 6 5 陕西省西安市。Em a i l y a n y a n i 7 2 1 s o h u ． c o n。 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 0 9 本文编辑王刚庆