导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信系统.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 石 油机械 C HI NA P E TROL EUM MACHI NERY 一57 一 ． ． 应 用技术 导 向钻 井工具 稳定 平 台试验数据 无线通信 系统 程为彬 马 彬 陈世琳 郭颖娜 李耀东 1 ．西安石油大学电子工程学院2 ．青海油田采油三厂 摘要 旋转导向钻 井工具稳定平 台研发过程 中，有大量参数调试和数据 回放 ，通常停机后再 利用仿真工具进行数据存取 ，实 时性和通用性受到限制。为此，设计 了旋 转导向钻井工具稳定平 台试验数据无线通信系统。该 系统既可保证数据的无 障碍传输，又可避免相互之 间的串扰。试验 表明，该系统实现 了调试设备 与稳定平台之 间的不间断、实时数据传输，提高 了稳定平 台的调试 可视性和开发效率，也适用于旋转垂直钻井工具稳定平台的试验研 究。 关 键词 旋 转导 向钻 井工 具 稳定 平 台 试验 数 据 无 线通信 0 引 言 国内研制 的调制式旋转导 向钻井工具是在全旋 转状态下实现导向钻井 的 J 。作为控制轴 的稳定 平台是整个工具的关键 ，其作用是通过数据采集和 处理 ，根据对象特性和参数特征 ，依据确定的算法 计算出相应的控制量 ，保证在钻井工具 中产生一个 不受钻杆旋转影响、相对稳定 的平 台，从而能够在 钻柱 、工具和导向块旋转时 ，使钻井工具稳定地跟 踪预 置 的钻 进 轨 迹 ，实 现 斜 井 和 水 平 井 的 钻 进 。 一 。 近年来 ，西安石油大学张绍槐研究 团队在旋转 导向钻井工具稳定平台开发研究过程中，由于没有 合适的调试手段 ，试验时要进行大量的参数调试 和 数据回放与分析 ，通常是停机后再利用仿真工具对 其进行读写 ，实时性和通用性都不甚理想。旋转导 向钻井工具稳定平台高速旋转工作 ，有线方式无法 进行连续 的数据传输 ，需要利用无线通信来实现调 试设备与稳定平台之 间的数据传输。在对比常用 的 短距离无线通信技术后 ，采用功耗小 、受外界干扰 小 、方向性强 、通用性好 的红外收发 电路来实现无 线数据收发 ，通过无线通信实现调试设备与旋转稳 定平台之间的不问断数据传输 ，并利用 P C机进行 试验数据处理 、分析 ，以提高开发效率 。 1 无线红外收发功能设计 1 ． 1 红外收发原理 红外通讯 以红外光线作为通讯载体 ，通过红外 光在空气中的传播来传输数据 ，由红外发射器和红 外接收器来完成_ 7 J 。发射端发送的数字信号经过 适当的调制编码后 ，由红外发射器将电信号转变成 一 定频率的红外光信号 ，以红外光线的有无来表示 传输的是数据 “ 1 ”和 “ 0 ” 。 当接收器接收到信号时会输 出低电平 ，否则输 出高电平 ，从而将时有时无 的红外光信号解调成电 信号 ，由 P C机恢复出原数据 。 红外收发装置由红外收发 电路和 P C机 2部分 组成 。收发电路完成红外信号的收发 ，以及光信号 和数字信号 的相互变换 ；P C机 完成信号 的检测 、 链路通断及信号 的处理 ；收发电路 与 P C机 的接 口 是通过 R S 2 3 2串 口来实现 。 1 ． 2 红外收发电路设计 红外发射 电路如 图 1 a所示 ，串行 数据 由 P C 机送 出，经过电平转换器将 R S 2 3 2电平转换为 1 T r L 电平 ，送到 T X发射 端驱动 Q 管。 当输入 的数据 是 “ 1 ” 时，Q 管导通 ，数据通过红外发射管 L s 基金项 目陕西省 A然科 学基金项 目 “ 垂直钻井工具小角度姿态测量与控制技术研究 ” s j o 8 E 2 1 6 ；中国石 油天然气集 团公司 中青 年创新基金项 目 “ 智能旋转垂直钻井 _T具稳定平 台关 键控制系统研究” 0 7 E 1 0 1 4 ；陕西 省教 育厅专项科 研计划 基金项 目 “ 旋转 导向钻井 工具 电磁转矩稳定控制理论 与方 法研 究” 0 9 J K 6 8 7 。 一 5 8一 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 以红外光 的形式向外发送 。当输入 的数据 是 “ 0 ’ 时，Q 管截止 ，L S 不发射红外光 。 图 l 红 外收 发 电路 红外 接收 电路如 图 1 b所 示 ，由红外接 收管 L S 。 和二极管 D 等组成 。红外接收管 L S 接收从 发射管发送的光信号 ，经过 电平转换器并送至 P c 机的串口，由微处理器对数据进行处理。当 L S 接 收到红外光后 ，A点为 “ 0 ” ，否则 A点 为 “ 1 ” 。 在接收端与 R X之间接 1 个二极管 ，这是为 了更好 地实现多路接 收信 号的 “ 或 ”关 系，保 证旋转运 动中数据接收的可靠性。 1 ． 3 收发电路与 P C机之间的通信 P C机与红外收发 电路之 间的通信结构如图 2 所示 。 图 2通 信 结构 图 红外收发电路的信号为 T T L电平 ，而 P c机识 别的是 R S 2 3 2电平信号 ，因此在收发 电路与 P c机 串口之间需要有电平转换芯片 MA X 2 3 2 C 。从 P c机 串 口发送来 的数据信号 ，经 MA X 2 3 2 C转换为 T T L 电平 ，输出到发射模块的发射端 T X，从发射二极 管发射 出去。来 自接收 电路 的 ， r I ’L电平信号送 人 M A X 2 3 2 C，再传送 给 P c机 ，P c机对接收到 的数 据进行处理。这样就实现 了红外收发电路与 P C机 之间的串 口通信。 2 无线收发装置结构设计 2 ． 1 设计思路 设计原则 不影响稳定平 台本身的正常工作 ， 与P c机构成一个集散系统，在需要时进行数据传 输；在旋转或静止的任何位置无障碍传输数据 ，防 止单个模块 自发 自收，避免多个收发模块之间的相 互干扰 ；结构简单 ，装置拆卸和移动方便。 设计思想 应用通用的红外收发二极管 ，通过 计算和工艺安装 ，采用较少 的器件和简单的结构 ， 确保无障碍数据传输 。 具体实现上可以采用正四边形、正六边形和正 八边形等结构形式。从结构上而言 ，采用正 四边形 和正六边形 比较简单 ，下面以正六边形为例说明具 体 的设计过程。 2 ． 2安装方案设计 红外收发装置结构如图 3所示 ，该收发装置采 用正六边形结构形式 ，每个边框上均装有 收发模 块 ，正六边形框架可以从 图 3中 A B处分开 ，便于 安装 、移动和拆卸。 图 3 红 外 收发 装 置 结 构 示 意 图 l 一隔离板 ；2 一稳定平 台；3 一计算机 ；4 一 接 收二根管 ； 5 一发射 二极 管 ； 6 一收发装 置。 通用红外收发二极管的辐射角为 3 0 。 ，将 2组辐 射角为 3 0 。 的红外收发二极管模块 组合为辐射 角为 6 0 。 的红外收发二极管组模块 ，这样正六边形的每一 个 边框恰好对 应于1 个收发组模块 ， 如图4 a N示 。 A C E D B b． AB2 R时 图4 红外收发 器件安装位置 图 当边框长度 A B等于 2 R R为稳定平台的半径 时， AO A B为等边三角形，M N与 O E交于P点， 删 ∥ ]中 ， ． ． ． ． ． ． 。 。 。 ． 。 ． L r ． ． _1 ．． ． ． ． ． ． ． ． ．， ．． 。 2 0 1 0年第3 8卷第4期 程为彬等导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信 系统 一 5 9一 A B，／_ A O B／C P D 6 0 。 ，E为线段 A B中点 ，C、 D分别为线段A E、 E B的中点，则 A O ／ ／ C P ，B O／ ／ D P， M C ／ ／ O E ／ ／ N D，／C O E／ D O E 1 6 。 ，／C O A ／_ D O B 1 4 。 ，由 MC P D N M 点构成 的区域 即为红 外信号可发射和可接收 区域。在 P点垂直安装 6 0 。 辐射角的红外 收发组模块 ；在 C 、D 2点分别安装 3 0 。 辐射角的红外收发模块单元 ，其中心应对准稳定 平台的圆心，／MC P／N D P 3 0 。 。 当稳定平台转动 ，发射点移动到线段 MJ所对 应的圆心角 内并发射 红外光线 时，发射点与 C点 的连线和 O C连线所成 的夹角不大 于 1 4 。 ；当稳定 平台转动 ，发射点移动到线段 所对应 的圆心角 内并发射红外光线时 ，发射点与 C点 的连线和 O C 连线所成的夹角不大于 l 6 。 。同样 ，当稳定平 台转 动，发射点移动到线段 和 K N所对应 的圆心角 内时 ，发射点与 D点的连线和 O D连线所成 的夹角 也分别不大于 1 6和 1 4 。 。这说 明稳定 平台上发射 管在弧 MN内所 对应 的圆心角 内并发射红外光 线 时，则发射 的红外信号一定落在 C 、D这 2组接收 模块可接收到有效信号的区域内。 当正六边形边 框 的 C和 D点发 射红外 光线 ， 稳定平 台的弧 MP内任何点接收时 ，弧 内接收 点与 c点 的连线与接 收点 的法线 夹角不 大于 3 0 。 稳定平 台上接收二极管辐射角的 ，弧 N P内接 收点与 D点 的连线与接 收点 的法 线夹角也不 大于 3 0 。 。这说明正六边形边框的 C和 D点发射红外光 线时 ，则发射 的红外信号一定 落在稳 定平 台的弧 Ⅳ内任意接收点可接收到有效信号的区域 内。 当边框长度 A B大于 2 R时 ，图 4 b中 C P D 6 0 。 ， MC P N D P3 0 。 ，无论稳定 平 台发射 、 正六边形边框接收 ，还是正六边形边框发射 、稳定 平台接收 ，红外信号都能被接收 ，能够保证双 向数 据无 障碍传输 。在正六边形红外通信装置 中，共需 要 1个辐射角为 6 0 。 的红外收发模块 ，1 2个辐射角 为 3 0 。 的红外收发模块 。 当采用其他辐射角的红外收发二极管 ，或者采 用其他正多边形边框时 ，相应 的安装位置计算不再 赘述 。 2 ． 3串扰 防止 由于稳定平台和正六边形边框上的收发装置为 多组模块 ，为实现无干扰传输 ，需要防止每组 、每 边框上收发模块的 自发 自收 ，可以在收发二极管之 间安装一个隔离板 。还要防止多组收发模块之间相 互干扰 ，如图 4 a中的线段 A B上 的发射信 号不能 辐射到相邻 的 2边或对边的 2个邻边上 ，也应在发 射管 C、D的两侧安装相应高度的隔离板。 3 性 能测试 试验数据的无线通讯装置设计和制作完毕 ，要 进行静态测试 、动态测试和实际传输测试 。静态测 试可以结合结构安装过程进行。首先安装稳定平台 上的发射管 ，使得正六边形每一个边框上 的接收管 在该边框的任何位置均可接收到红外信号 ，再将接 收管安装在该边框的 c、D位置附近 。其次在稳定 平台上安装接收管 ，在正六边形每一边框上 的 c、 D位置安装发射管 ，在其 附近安装隔离板 ，保证该 边框的 2个邻边和对边 的 2个邻边均无法接收到该 边框 发 射 的红 外 光 线。依 次 转 动稳 定 平 台 角度 6 0 。 ，测试稳定平 台上 的接 收二极管是否可 以接收 到每个边框发来的红外信号。最后将正六边形边框 上的 6路信号汇总到通讯接 口上。 动态测试是在稳定平台旋转过程中，给发射端 加入单片机产生的 1 k Hz 方波信号 ，用示波器在正 六边形边框信号汇集端 口，测试接收端 的波形是否 连续 ，是否存在信号缺陷 、丢失或毛刺 ，以判断是 否存在信号覆盖不完全或相互串扰现象 。某测试波 形如图 5所示。 图 5 动 态 测 试 曲线 当信 号 源 输入 的是 方波 信 号 时 通 道 1所 示 ，多 路汇 集端 口所采 集 的信号 也是方 波信号 通道 2所示 ，且该方 波信 号与放射 的方波信号 同相位 ，没有缺陷和毛刺 ，说明无线收发装置的安 装正确无误。 动态调试正确后 ，结合胜利石油管理局钻井工 艺研究院提供 的试验平台以及上位机参数调试软件 进行传输测试 ，结果表明，信号覆盖完整 ，没有出 现串扰 、漏码和误码现象 ，达到系统设计要求。稳 定平台的传输参数包括数据记录时刻、井斜角、工 具面角 、方位角、旋转速率 、控制量 、输出电流、 输 出电压 、输出扭矩和环境温度等 。 石 油机械 2 0 1 0年第 3 8 卷第 4期 4 结 论 1 根据稳定平台调试需求和试验装置 的结构 特点 ，按照双方无障碍发射和接收原则 ，设计了简 单实用的导向钻井工具稳定平台试验数据无线通信 系统 ，确定了通信装置的结构和安装尺寸 ，既可保 证数据的无障碍传输，又可避免相互之间的串扰。 2 试验测试表 明，稳定平 台的无线 收发装 置实现了调试设备与稳定平 台之间的不问断、实时 数据传输 ，并且提高了稳定平台的调试可视性和开 发效率。 3 该系统也适用于旋转垂直 钻井工具稳定 平台的试验研究 。 [ 2 ] [ 3 ] 参考文献 张绍槐 ．现代导 向钻井技术的新进展及发展方 向 [ J ]． 石油学报 ，2 0 0 3 ，2 4 3 8 28 5 ，8 9 ． 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 ． 汤楠，穆向阳．调制式旋转导向钻井工具稳定平 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] 台控制机构研究 [ J ]．石油钻采 工艺，2 0 0 3 ，2 5 3 91 2 ． 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 0 4 ，2 5 2 8 9 9 2 ． 汤楠 ，霍爱清，汪跃龙，等 ． 旋转导向钻井工具 稳定 平 台 控 制 功 能 试 验 研 究[ J ] ．石 油 学 报 ， 2 0 0 8 ，2 9 2 1 2 81 3 1 ． 韩来聚，王瑞和，刘新华，等 ． 调制式旋转导向钻 井系统稳定平台控制原理及性能分析 [ J ]．石油大 学学报 自然科学版 ，2 0 0 4 ，2 8 5 4 9 5 1 ，6 0 ． 陈永甫 ．红外 器件 与典 型应用[ M]．北京 电子 工业 出版社 ，2 0 0 44 8 5 3 ，5 8 6 0 ． 张海滨 ，郑维智 ．短距离无线通信在控制中的应用 [ J ]． 微计算机信息，2 0 0 4 ，2 0 1 1 4 2 9 4 3 0 ． 第一作者简介程为彬，教授 ，生于 1 9 7 0年，2 0 0 7年 毕业于西安理工大学，获博士学位，现从事控制科学与工 程 、电力电子技术方面的研究 工作 。地址 7 1 0 0 6 5 陕西省 西安市 。E ma i l w b c h e n g x s y u ． e d u ． c n 。 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 2 本文编辑刘锋 皎 管 扣 压。 机 义通 上海芬德扣压机制造厂 五大系列九种型号的扣压机给您 充分 的选择 D X系列 标准 机型 可供 DX一 9 5 SDX系列 汽 配机 械型 可供 SDX 一 9 5 ◇ F X 系列 工程机械型 可供F X 一 9 5 、F X 一 1 4 0 、F X 一 1 6 0 0 S X 系列 大收 口力机型 可供S X 一 5 0 、S X 一 1 0 0 、S X 一 1 2 0 ◇ WX系列 大张口、超薄机型 可供WX 一 5 0 0 可供大口径扣压式输送管 公司地址上海市共和新路4 3 5 号6 楼C 座 凯鹏国际大厦 邮编 2 0 0 0 7 0 厂 址 上海市奉贤区齐贤工业区 电 话 0 2 1 6 6 5 4 8 6 8 8 5 6 6 2 0 6 3 7传真 0 2 1 6 6 5 4 5 5 5 8 网 址 、 n s h y t ． c o m． c a E ma i l s h y t s h y t ． c o m． c a ． F X一 9 5 型扣压机 实样 欢蚀来 电垂询 索取资 料