剖析石油鉆機轉盤測控儀器設計應用

趙冠華　熊玉婷　尚小義　李晉

石油開采工作設計的儀器設備種類很多，鉆機是其中比較重要的一種設備，從結構上分析來看，地面部分的轉盤旋進部分對于其工作性能和工作效果有著重要的影響，對于轉盤性能的測試也對其正常工作有一定的影響。為了實現自動化系統化檢測，我們創新引入了微處理測量模塊，實現了鉆機轉盤相關數據的數字化測量與測試。對于鉆機轉盤測控儀器的設計和使用，要從測量硬件和計算軟件兩個方面進行考慮，才能實現高效率、高性能、高準確度的測量儀器，使石油鉆機更加可靠和準確的運行，保證工作效率和使用安全

引言

轉盤是石油鉆機的重要組成部分，石油開采工作中石油鉆機是關鍵設備，轉盤的工作性能也決定了石油鉆機的應用效果，其主要性能參數是傳遞扭矩，決定了帶動鉆頭旋進完成鉆進工作。轉盤在鉆機工作時，主要用于旋進鉆頭和鉆桿的打撈工作、懸掛下桿管住、起鉆卸扣、承受渦輪旋進反作用扭矩。鉆機轉盤的扭矩和轉速直接關系到鉆井質量和鉆井進度，這些工作指標也是鉆機工作狀態實時監控的主要參數，能夠為鉆探技術人員提供更加直觀的工作反饋，通過這些數據的直觀表達，能夠更加準確并快速的分析出鉆機的負載狀態，是否遇到工作問題，如何做出工作調整。

在傳統的鉆井工作中，對于轉盤的監控都是通過模擬表數值反映，模擬儀表雖然也能夠反映一些工作數據，但是信息的反饋時效性低，特殊情況下準確度不足，也限制了單一技術人員進行監控。隨著鉆井技術不斷進步，逐漸引入了計算機技術和微控技術，信息化智能化的監控系統的設計與應用變得很有必要，為了響應電氣化鉆井設備和人性化共享化工作要求，要針對鉆機轉盤的測控設計和開發更加高效的數字化儀器。

一、轉盤測控系統的理論設計

（一）轉盤的結構

鉆井轉盤實際上是一個減速器，多呈“八”字形，主要部件有：底座、轉臺、各種圓弧齒輪、錐齒輪、鏈輪、各種軸承。轉盤的主要功能就是為鉆機旋進提供主要扭矩輸出，動力來源于電機和變速傳動系統，在動力轉換方面將電機提供的水平動力變為旋進所需的垂直動力，轉換扭矩使得鉆頭和鉆桿能夠按特定方向進行旋進。鉆頭在下鉆和起鉆兩個過程中需要兩個相反的扭矩，所以轉盤也應當能夠提供這樣兩種相反的扭矩。另外在鉆柱進入地下一定深度后，將扭矩傳遞入更下級鉆頭或鉆柱時，高速的旋轉容易導致絲扣脫落，轉盤還應當具有一定的反扭矩中和作用，這樣才能更好的避免這樣的事故發生。

（二）轉盤測控系統的作用和工作原理

轉盤測控系統主要有兩大測量傳感器，霍爾傳感器和壓力傳感器，轉盤接受了經過變速傳動系統的電機動能在水平軸上產生一系列作用，霍爾元件可以直接獲取轉速等信息，液壓傳動系統又可以將壓力指標間接的傳遞給壓力傳感器，最終將這兩種數據傳入測控儀器進行表達和分析。液壓傳動系統主要是把轉盤中鏈輪和軸承之間的扭矩轉化為液壓，這樣就可以將扭矩用壓力來表達。霍爾傳感器主要是利用脈沖轉速傳感器將轉速用脈沖信號進行表達，利用間接量對直接量進行等效代換，更有利于測控系統的準確運行。測控系統主要接受了來自兩大傳感器的信號，將該信號等效為扭矩和轉速數值并進行直觀表達，并且該系統對于數值的接受和表達功能還能提供預警信號，數值在與預設標準之間如果存在誤差，將能夠將這種誤差表達給技術人員。

二、測控系統的硬件

（一）硬件結構

使用微芯片和微處理器進行數據的讀寫是高效的，我們采用一種適用性能良好的互補金屬氧化物半導體芯片作為主要處理單元，該單元具有8KB大小的ROM可用于存放數據和微程序，另外還有256B大小的RAM，對于數據的處理速度效率比較高。以該芯片作為系統處理核心，轉盤感應器的信號獨處通過信號放大和轉換設備轉換成芯片可處理信號進行導入，導出方面則可以使用顯示器和打印機等對數據表達進行收集。另外，系統中還可以接入外部存儲設備，能夠將歷史數據整體保存，方便后續的數據分析和處理。

（二）測控電路

一、信號放大和轉換電路，把傳感器傳入的脈沖信號等核心不可直接處理的信號調整成互補金屬氧化物半導體芯片可處理的高低電平信號。

二、用戶交互電路，由I/O電路構成，可以接入輸入設備如鍵盤、輸出設備如顯示器、打印機、報警器等。鍵盤作為主要的輸入單元，能夠實現芯片預編程和相關數據的預設；顯示器是最直觀的數據表達設備，芯片將處理的數據直接以可視化內容表達在顯示器上，技術人員能夠更好的實現監控；打印機則是將信息以紙質內容顯示出來，有利于數據的保存；信號報警器則更好的實現無人值守化，遇到數據錯誤或其他異常，可以通過聲音和燈光進行提醒。

三、核心電路，通過互補金屬氧化物半導體微芯片的中央處理，對數據進行初步計算。

四、可選電路，通訊模塊和時鐘模塊。通訊模塊能夠直接將傳感器信號作為信息向其他已連接設備傳輸，提供了工作協作效率。時鐘模塊則將測量信息與精確的時間對應起來，這樣的數據分析起來能夠得到更多的準確結論。

三、軟件設計

基于微芯片處理的測控系統，軟件的設計是將硬件與設計目的緊密結合的關鍵，也是整個系統正常工作的關鍵。軟件設計要保證運算速度快、數據處理精確、高性能。軟件要能夠對數據進行精確的計算，還要能夠減少人工參與量，最大程度保證系統的完整運行。

（一）監控程序

監控程序對應系統的中央處理核心，應當具有對所有數據進行管理的功能，要能夠將輸入參數保留、能夠將操作信號反映到各個模塊電路。監控程序也是整個軟件系統各個功能的主入口，在監控程序中能夠通過不同的鍵功能映射到其他程序功能，為此監控程序要提供診斷程序入口、預設程序入口、查詢與打印程序入口、登錄與退出程序入口等，各個鍵功能對應子程序，子程序功能完成后能夠回到監控主程序進行下一步操作要求。

（二）服務程序

為了滿足實際的鉆井工作需要，對于轉盤工作的實時數據要求較高，周期性數據采樣成為測控的關鍵，所以要設計定時中斷-響應程序，主要完成周期采集數據、保存數據、現實周期內現實采樣數據。主要工作原理在通過中斷-響應條件的設計，出發中斷條件，各數據處理模塊開始工作，將所需要的數據進行采集和處理，將數據顯示并存儲，在將中斷條件恢復，系統繼續原始運行狀態。中斷體現在人工介入的參與，響應體現在暫停系統目前工作流程，將中斷時的工作狀態進行保存，現行處理中斷條件要求，完成后在從以保存的工作狀態進行回復。這大大加強了系統的可操作性和可控性。

結語

石油鉆機轉盤測控系統的設計需要結合實際使用情況，還可以根據工作要求添加其他的功能和設備，數據傳感器越多對于轉盤工作狀態把握也就越準。為了實現鉆機工作系統化，規范系統設計理論，微處理、模塊化的系統設計能夠為轉盤測控提供更加可靠的工作價值。

參考文獻

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（作者單位：遼寧石油化工大學）