FET液压泵驱动电动机在线监控系统的研究.pdf

2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 石 油 机械 CI 1 I NA P ET ROL EUM MACHI NERY ●专题研究 F E T液压泵驱 动 电动机在 线监控 系统 的研究 李学哲 任 学军 刘文庄 张全柱 华北科技学 院信 息与控制技 术研 究所 摘要 鉴于传统的液压泵驱动电动机检测效率和 自动化水平低 ，很难保证在井下 1 5 0 高温 环境下可靠工作 的状况，介绍 了一种基于 C AN总线设计的液压泵驱动电动机在 线监控系统。该系 统可实现对 电动机 的 自动驱动控制，并能 自动检测 电动机的温度 、转速 、驱动电压和驱动电流等 运行参数。系统采用全数字化测控设计，以 D S P I C 3 0 F 6 0 1 0 A高速微型计算机为核心，通过工业现 场 C A N总线实现 了数据通讯和共享。试验结果表 明，系统很好地解决 了 1 5 0 c IC高温环境下电动机 的控制 与运 行状 态监 测 问题 ，有效地 保 证 了系统 的稳定 运 行。 关键词 地层测试评价仪 液压泵驱动电动机 C A N总线 在线监控系统 0 引 言 海洋石油钻井平 台对海底石油进行探测取样所 用的探测器是一个长达数十米 的管型探测装置 ，即 地 层 测 试 评 价 仪F o r ma t i o n E v a l u a t i o n T o o l ， F E T 。F E T由多种 电气部件组成 ，其 中液压泵 驱动电动机是其关键部件 ，用 于驱动仪器液压泵 ， 提供液压 动力 完成 仪器 的各项 机械动作 。液压 泵驱动电动机的可靠性是非常重要的 ，它的良好运 行是确保 F E T装置正常运行的重要保证。 目前 ，国内外对液压泵驱动电动机的功能测试 多采用分立组件来完成 ，每个组件只能对电动机的 单一参数进行评价，组件之间相互独立 ，无法实现 综合功能 的检测 ，且 检测效率 和 自动化水平均 较 低。更重要 的是很难保证在井下 1 5 0℃环境下可靠 工作。F E T液压泵驱动电动机在线监控系统是基于 石油勘测 的实际应用背景和需求而于 2 0 0 9年 5月 开发 的 ，系 统可 以在井 下 1 5 0 o C环境 下 对液压 泵驱 动电动机的运行状态实时监控 ，有效地保证仪器的 可靠运行 。系统基于 C A N总线 设计 ，实现对 电 动 机 的 自动 驱 动 控 制 ，并 能 自动 检 测 电 动 机 的温 度、转速 、驱动电压和驱动电流等运行参数。系统 采用全数字化测控设计 ，以 D S P I C 3 0 F 6 0 1 0 A高速 微型计算机为核心[ 4 1 ，通过工业现场 C A N总线实 现 了数据通讯和共享。试验结果表明，系统很好地 解决了 1 5 0 c lC 高温环境下电动机的控制与运行状态 监测问题 ，有效地保证 了系统的稳定运行 。 1 液压泵驱动 电动机在 线监控 系统技 术方案和特 点 1 ． 1 技 术方 案 液压泵驱 动 电动机 在线监 控 系统结构 如 图 1 所 示 。 I 15 V l 僵 l l l 兰 竺 苎 兰 。_ 一 I 电动机转速l _ l 检测模块l l 电 动 机电 压1 ． ] 检测 模块 l U电动机电流1 ] f 检测模块J l l电 磁阀驱 l l 动模块 I 液压泵 驱 动电 动机 ⋯堕攫攫 一⋯⋯⋯⋯一I 图 1 液 压 泵 驱 动 电动 机 在 线 监 控 系统 结 构 图 整个系统 由上位机监控系统 、监控模块和被测 电动机系统组成。上位机监控系统 由 P C机和 C A N 通讯卡组成 ，实现与底层监控模块 的通讯与控制， 状态参数显示。上位机软件采用 V C 6 ． 0高级语言 编写 ，C A N通讯 卡 采 用 研 华 的 P C I 1 6 8 0 U。监 控 模 块负责根据上位机以 C A N通讯形式传来 的指令控 制电动机的启动／ 停止 ，同时检测液压泵驱动 电动 机的运行状态 ，并将参数 ，如 电压 、电流 、温度 、 转速及故障信息通过 C A N通讯传给上位机进行显 示 。电磁阀驱动控制模块负责根据 C A N指令控制 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 4只电磁 阀的开通／ 关断 ，实 现电动机 的保 护控制 输 出，并将电磁阀状 态信息通过 C A N通讯传给上 位机进行显示 。 1 ． 2系统特 点 测 试 系 统 采 用 全 数 字 化 测 控 设 计， 以 D S P I C 3 0 F 6 0 1 0 A高速微 型计算机 为核心 ，通过工 业现场 C A N总线实现 了数据通讯 和共享 ，能够实 时检测和传递数据 ，实现 了多 C P U之间的互通互 联与数据共享 ，检测 、控制和显示的实时性好 ，可 靠性高 ；测试系统具有极高的高温可靠性 ，确保系 统在井下 1 5 0℃高温环境可靠 工作。单片机采用 Mi c r o c h i p公 司 最 先 进 的 1 6位 数 据 单 片机 D S P I C 3 0 F 6 0 1 0 A；C A N驱动器采 用 T I 公 司生产 的 一 款低功耗串行 C AN控制器 S N 6 5 H V D 1 0 4 0 D；运 放及其他电子元件均选择 1 5 0℃温度等级 ；此外系 统还设计有风扇 、散热器等。 2 硬件 电路设计 2 ． 1 电磁 阀驱动 电路 2 ． 1 ． 1 F E T电磁 阀特 性分 析 F E T中油路控制采用了一种特殊 电磁 阀，该电 磁 阀开通需要较大的启动电流 ，短时驱动电流大于 3 A 1 0 0 m s ，电磁阀开通持续驱动电流不小于2 A。电磁阀闭合需要不小于 2 A 1 0 0 ms 的反向 维持电流。驱动 电流响应速度快 ，不大于 0 ． 3 ms 。 电磁阀开通 、闭合 所需要 的电流特性 曲线 如 图 2 所示 。 2 ． 1 ． 2驱 动 电路 设计 与说 明 根据以上对 F E T电磁 阀特性 的分析 ，设计 了 如图 3所示 的电磁阀驱动电路。微处理器按照电流 l u ／ 35 C2 特性 曲线的时序控制 T 8 A、T 8 B及 T 8 C的状态，从 而实现启动电源 P 3 A，开通维持电源 P 2 A和闭合 电源 一P 2 A 的控 制 ，实现 F E T电磁 阀 的 开通 和 闭 合控制。 3 A 2 A O A 一 2 A I I 开 通 维 持 阶 段 1 O 0 m s _ 一 I 启 动 阶 段 闭合 阶 图 2电磁 阀电流特性 曲线 R34 Q2 Q8 D 1O D 1 5 图 3 电 磁 阀 驱 动 电 路 原 理 2 ． 2电动机 温度 检测 电路 F E T系统 中，电动机温度的检测通过 P T I O 0温 度传感器来完成。电动机温度检测电路原理图如图 4所示。P T 1 0 0与电动机表面充分接触 ，当电动机 温度发生变化时，P T 1 0 0的阻值也随之变化 ，利用 图4所示的电路可以测得阻值的变化 ，从而测得电 动机温度 。电路分析 I C 6 A、R 9 7 、R 9 8组成一个 2 0 0 m A的恒流源 电路 ；利用恒流源将 P T 1 0 0的阻 值转换为电压信号 ；再利用 I C 7采集并将信号输送 给单片机 ；最后单片机再根据温度曲线计算 电动机 的温度 。 图 4 电动 机 温 度 检 测 电路 原 理 图 2 ． 3 电动机转速检测电路 F E T系统 中，电动机转速 的检测通过霍尔测速 传感器来完成 。检测 电路如图 5所示。 P C4 3 1 04 ／ 5 0V 霍尔传感器与电动机转轴垂直安装 ，与转轴的 间距保持在 2 m m左右。利用 图 5所示的电路可以 测得 电动机转速 。 翌一。 一 R 2 0 1 1 年 第 3 9卷 第 2期 李 学哲等 F E T液压泵驱动 电动机在线监控 系统的研 究 ． I l 一 。 2 0 0K v 1 。 垒 V 3 软件设计 1 C 8 B 1 l／ 1 0 0 11 D 0 n l l 3 ． 1 C A N通讯 协议 系统 C A N节点流程如图 6所示。 一 图 5 电动 机 转 速检 测 电路 原 理 图 控模块发帧号为 0 x l 1的指令 帧，控制电动机启停 和 4个 电磁 阀通断。监控模块 向上 位机发 帧号 为 0 x 2 1的状态帧，反馈电动机状态信息 。 3 ． 1 ． 1指 令 帧定 义 帧号 为 0 x l 1 上位机 向监 指令帧定义见表 1 。 表 1 指令帧定义 帧号为 0 x l 1 图 6 C AN 节 点 流程 图 3 ． 1 ． 2状 态帧 定义 帧号 为 0 x 2 1 状态 帧定 义见表 2 。 表 2 状态帧定义 帧号为 0 x 2 1 3 ． 2监控模块 软 件流 程 监控模块负责上位机 以 C A N通讯形式传来 的 指令控制电动机 的启动／ 停止 ，同时检 测液压泵驱 动电动机 的运行状态 ，并将参数通过 C A N通讯传 给上位机显示 ，其软件流程如图 7所示。软件分为 2大模块 ，主程序模块和定时器 T 1中断服务模块 。 主程序模块 负责上 电初 始化 、C A N通讯和定时器 T l中断设置等；定时器 T 1中断模块负责 电动机参 数采 样及 发送 ，并 能根 据 C A N接 收 的指 令控 制 输 出 3 ． 3上位机软件工作原理 上位机软件采用 V C 6 ． 0高级语 言编写 ，监控 界面上布 置有一 个 “ 电动机启／ 停 ” 按钮 和 4个 “ 电磁阀开／ 关”按钮 ，上位机软件解析用户操作 ， 并通过 C A N通讯卡将指令发送给监控模 块 ，从而 实现电动机启／ 停等相关操作 ；监控界 面上还分布 了电动机电压 、电流 、温度 、转速和电动机状态等 5个编辑框 ，用于接收和显示监控模块反馈 回来的 电动机状态信息 。 开始 I 寄存器初始化 I l i ／ o11 初始化 I l 中断设置 I l 定时器T1 设置 l l AD 设置 I I - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ． -一 - CAN通讯 初始化 数据 初始化 ]～ 开定时器T1 中断 开CAN中断 启动中断 等待定 时器T1 、 ／ ＼／ a主程序流程 图 AD采 样 计算机 电动机 电压 电流 计算给 定电动机速 度 计算 电动 机温度 匝圃 b ． 定时器T1 中断服务 程序 图 7控 制软 件 流 程 图 4 试验结果 针对设计 的液压泵驱动 电动机在线监控系统 ， 篇 v K h ＼ c 髓 蛰一 一 一 2 6一 石 油机械 2 0 1 1年第 3 9卷第 2期 进行 了2 4 h 、1 5 0 c c高温调试试验。测试的部分数 行性能。 据如表 3所示。 表3系 统 持续 高 温 运 行 测 试的 部 分数 据 5 结束语 试验结果表明，该系统具有电动机转速 、电动 机温度 、驱动电压 、驱动电流、I G B T模块温度等 参数和状态的自动检测功能 ，且系统能够在 1 5 0 o C 高温环境下连续稳定可靠运行 ，具有良好的高温运 F E T液压泵驱动电动机在线监控系统集微型计 算机控制技术 、现场总线网络技术及现代传感器技 术于一体，很好地解决 了液压泵驱动电动机的在线 监测问题。系统可以在 1 5 0℃高温环境下可靠运 行 ，极大地提高 了 F E T关键设备 的检修效率 ，为 现场测井作业提供 了方便 。 参考文献 刘建新 ．地层测试 评价仪 F E T及其在 中国海域 的应 用 [ J ]．应用 地球 物理 英 文版 ，2 0 0 6 1 6 46 9 ． 张国强 ．地层测试 评价仪 F E T在渤海油 田的应 用 [ J ]．国外测井技术 ，2 0 0 9 5 3 3 3 5 ． 刘泽 祥 ．现场 总线 技术[ M]．北 京 机 械工 业 出 版社 ，2 0 0 5 1 0 5 4 ． 赵嘉蔚 ．单片机原理与接 口技术 [ J ]．北京 清华 大学 出版社 ，2 0 1 0 4 2 1 5 4 ． 吕俊芳．传感器接 口与检测仪器电路 [ J ]．北京 北京航 空航天 大学 出版社 ，1 9 9 4 8 72 5 4 ． 第一作者简介 李学哲 ，讲师 ，生于 1 9 7 6年 ，2 0 0 3年 毕业于北京交通大学 光机 电一体化 专业 ，获硕 士学位 ，现 从事教学与科研工作，研究方向为传感器测控及光机电一 体化 技 术 。地 址 0 6 5 2 0 1 河 北 省 三河 市 。电 话 0 1 0 61 59 61 6 9。 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 4 本文编辑赵连禄 上接第 1 4页 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 李 玉星 ，彭 红伟 ，唐建 峰 ，等 ．天 然气长 输管道 泄 漏检 测 方 案 对 比 [ J ]．天 然 气 工 业 ，2 0 0 8 ，2 8 9 1 0 1 1 0 4 ． 李善春 ． 管道气体泄漏的声源与声发射信号特性研 究 [ D ]．大庆大庆石油学院，2 0 0 7 ． 许 肖梅 ．声学基础 [ M]．北 京科学 出版社 ， 20 0 5 8 81 5 6． 马大猷 ．现代声学理论基础 [ M]．北京科学出 版社 ，2 0 0 53 0 33 1 0 ． 彭芳 麟 ．数学 物 理 方法 的 MA T L A B解 法 与 可视 化 [ M]． 北京 清华大学 出版社 ，2 0 0 4 2 0 02 6 1 ． [ 6 ] 韩占忠，王 敬，兰小平 ． F l u e n t 流体工程仿真计 算实例与应用 [ M]．北京北京理工大学出版社， 2 0 0718 6． 第一作者简 介 徐晴 晴，女 ，生于 1 9 8 6年 ，在读硕 士 研 究生 ，研 究 方 向 为 天 然 气 管 道 泄 漏 诊 断 方 法。地 址 1 0 2 2 4 9北 京 市 昌 平 区。 E m a i l l i t t l e a n g e l 2 0 0 6 1 2 6 ．c o m。 收稿 日期 2 0 1 0 0 7 2 2 本文编辑刘锋 ] J]j 1 j l 2 3 4 5 r r；rl