錄井絞車傳感器的無線改造技術研究*

李永釗

(中國石油長城鉆探工程公司工程技術研究院 遼寧 盤錦 124010)

·開發設計·

錄井絞車傳感器的無線改造技術研究*

李永釗

(中國石油長城鉆探工程公司工程技術研究院 遼寧 盤錦 124010)

總結了目前應用的霍爾元件式、接近開關式、光電耦合式等三類有線通信式絞車傳感器的工作原理。針對錄井有線通信式絞車傳感器現場安裝維護復雜、計數精度低、易受干擾的問題，利用無線傳輸技術和低功耗技術，設計一種信號發送節點，從脈沖信號處理、無線通信技術選擇和供電設計等三方面對現有的絞車傳感器進行改造。試驗和現場應用表明，經過無線改造的絞車傳感器解決了目前絞車傳感器數據采集精度低、傳輸易受干擾的問題，具備了在鉆井現場進行推廣的要求，將極大促進無線鉆井參數測量儀器的發展。

絞車傳感器；信號發送節點；無線傳輸；低功耗

1 錄井絞車傳感器現狀及問題

絞車傳感器是鉆井參數儀、綜合錄井儀的核心傳感器，安裝在鉆機滾筒軸上來測量絞車運動的角位移量，經過計算后轉換為大鉤運動的上下位移。是派生參數最多的一類傳感器，與井深、鉆頭位置、鉆時、鉆頭進尺和起下鉆速度等參數直接相關，其測量精度和準度直接關系到鉆井工程的質量[1]。

目前現場大量使用的絞車傳感器主要有三種類型：霍爾元件式、接近開關式、光電耦合式，均為有線通信式的絞車傳感器，一般采用5～12 V直流電壓供電，工作電流4～20 mA[2]。三種絞車傳感器內部結構不同，工作原理也有差異。霍爾元件式絞車傳感器內部固定的霍爾元件交替靠近內部磁鋼時，電路輸出一系列高、低電壓相間的脈沖信號；光電耦合式絞車傳感器內部的遮光片隨絞車軸轉動時，會分別阻斷、導通光電耦合器中的紅外線，使絞車傳感器輸出脈沖信號[3]；接近開關式絞車傳感器內部轉子部件隨滾筒一起轉動，轉子齒輪的齒與齒間空交替地通過定子探測頭前方，探測頭電路輸出一系列高電壓與低電壓相間的脈沖信號。工作過程示意如圖1所示，絞車傳感器通過長距離的信號線連接到信號采集箱的脈沖信號采集模塊，進入存儲控制系統進行處理，完成信號采集處理過程。可見三類絞車傳感器最終都通過電壓脈沖信號，來判斷絞車的轉動方向，計算大鉤位移。

圖1 有線通信式絞車傳感器工作原理示意圖

有線通信式的的絞車傳感器在現場數據采集過程中暴露出了如下問題：

1)需要長距離的信號電纜，安裝、拆卸受鉆機工作環境制約，費時費力，對工廠化鉆井和從式井組鉆井等作業尤為不便。

2)信號電纜電阻過大會產生比較大的分壓，絞車傳感器信號處理電路輸入的電壓達不到處理電路信號輸入的要求，在絞車轉動過快時造成信號計數值丟失的現象。

3)容易受井場復雜電磁環境的干擾，干擾信號疊加在絞車傳感器的輸出信號上，就會使絞車傳感器輸出信號產生錯誤。

這些問題可能會導致井深測量出現誤差，直接關系到錄井數據以及工程監測數據的準確性。因此迫切需要一種解決方法。

2 錄井絞車傳感器無線改造

2.1 改造方法

針對目前現場使用的有線通信式的的絞車傳感器：霍爾元件式、接近開關式、光電耦合式絞車傳感器輸出信號均為電壓脈沖信號，可以在不改動原絞車傳感器內部結構的基礎上，設計一種信號發送節點，與原絞車傳感器有線連接，安裝在滾筒外部金屬擋板上，采集、處理脈沖信號并應用短距離無線通信技術進行數據無線發送。

工作過程示意如圖2所示，信號發送節點通過磁性吸盤吸附在滾筒外部金屬擋板上，打開電源開關傳感器開始工作后，采集絞車傳感器產生的電壓脈沖信號，按照設計的通訊編碼協議通過無線射頻天線以無線射頻的方式發射到后臺值班室的接收節點，接收節點接收信號并濾波整形處理，最后由信號轉發器將數據發送到上位機軟件，從而進行井深的計算。改造過程需要解決脈沖信號處理，無射頻通信和供電設計等三個問題。

圖2 無線改造絞車傳感器工作過程示意圖

2.2 關鍵技術

2.2.1 脈沖信號處理

有線通信式的的絞車傳感器改造的核心部件是信號發送節點，主要功能是對絞車傳感器脈沖信號進行信號整形濾波，鑒相、倍頻、計數，將獲得的數據按照無線通訊協議進行編碼，無線發射。信號發送節點的內部結構如圖3所示，包括處理器，無線射頻模塊，電壓比較器以及電源模塊等4部分。

圖3 無線絞車傳感器信號發送節點內部結構圖

鉆井現場大型電氣設備產生的電磁信號會疊加在絞車傳感器的輸出信號上，使絞車傳感器輸出信號產生波動，脈沖信號的邊沿呈斜坡樣式，并不是標準的方波信號。為了準確處理信號，需要對絞車傳感器的輸出信號進行行濾波整形處理，一般采用電壓比較器進行濾波整形處理。

脈沖信號經過濾波整形之后，MCU處理器將監測每對信號，在AB兩相脈沖信號的每個上升或下降邊沿都會產生一個脈沖信號，這樣每對脈沖信號就能產生4個脈沖信號，MCU處理器完成鑒相、倍頻、計數的功能。按照預先設計的通信協議，將絞車的計數值進行編碼，通過無線射頻模塊發送到后臺值班室的接收節點。

2.2.2 通信技術選擇

鉆井現場有多種大型電氣設備，電磁環境復雜，這關系到無線射頻模塊通訊頻段的選擇。在正常鉆井作業中，使用場強計監測干擾信號的數據表明，現場干擾信號頻段主要集中在 200～260 MHz、330～500 MHz和800～1 100 MHz。常用的短距離無線通信技術主要有： ZigBee、藍牙(Bluetooth)、無線局域網802.11b(WiFi)、無線433 MHz、915 MHz頻段等，幾種通信方式特點見表1[4]。

比較發現ZigBee技術和無線433 MHz、915 MHz通信技術適合用于絞車傳感器信號的無線發送，鑒于433 MHz無線通信技術成熟，抗干擾能力強，傳輸距離遠，同時便于實現低功耗，選擇433 MHz無線通信技術來解決無線傳感器的通信問題。

表1 各種通信方式的特點

2.2.3 供電設計

獨立供電是無線絞車傳感器必須解決的實際問題，一般采用電池供電。為降低信號發送節點的功耗，從硬件選擇和軟件設置上采用了一系列措施，硬件上：

1)采用低功耗的元器件芯片；

2)降低微處理器工作頻率；

3)選用支持休眠模式的芯片[5]。

程序控制上對傳感器進行能耗管理，包括：

1)合理制定通信協議，減少數據包無用信息，有效縮短數據長度，減少發送時間，降低功耗；

2)使用錯誤檢測和校正機制可以在給定誤碼率的條件下有效減少數據包的重傳。

實驗室選用5 V供電的接近開關式絞車傳感器無線改造后，信號發送節點能耗測試數據見表2。

表2 無線改造絞車傳感器能耗試驗數據

注：空閑狀態指信號發送節點工作間歇狀態，只有絞車傳感器和微控制器工作，其他元器件均斷電。

信號發送節點各部分功耗占節點總功耗的百分比如圖4所示。

圖4 信號發送節點各部分功耗百分比

數據表明信號發送節點中控制器模塊的功耗很低，絕大部分能量消耗在無線傳輸模塊和原傳感器供電上。室內試驗和現場應用表明，采用20 Ah的高性能工業電池連續工作時間超過60天，更換電池也非常方便。

目前使用的有線通信式的絞車傳感器供電電壓5～12 V不等，無線改造后電源供電模塊可以采用12 V，20 Ah高性能鋰電池供電。針對不同的絞車傳感器可以使用LDO電源管理芯片進行降壓處理。

3 試驗效果

經過無線改造的絞車傳感器替代原來有線通信式的絞車傳感器，在鉆井現場成功試驗了數十井次，試驗結果表明，傳感器在現場安裝維護簡易，井深等參數采集跟蹤準確，抗電磁干擾能力得到很大提高。同時電池供電的方式能保證傳感器在現場連續工作超過60天，證明了無線改造的絞車傳感器能夠取代有線通信式的絞車傳感器，適合推廣應用。

4 結束語

通過改造的技術方法和實際的試驗數據分析可以看出，應用短距離無線傳輸技術和低功耗技術改造現有的絞車傳感器是可行的。經過無線改造后的絞車傳感器，去掉了信號采集線纜，既減輕了安裝、拆卸工作量，又可以避免線纜分壓造成的信號計數丟失；同時大大提高了抗電磁干擾能力，可以適應鉆井現場的復雜電磁環境。另外，改造成本很低，使鉆井測量設備模塊化、小型化成為可能，是對鉆井無線測控技術的一次成功探索。

[1] 張旭梅,劉 飛,郭 靜,等. 一種新的油氣田鉆井參數監測方法和系統.2001,22(6):73-76.

[2] 王立波,張 衛,蔡 輝. 絞車傳感器通用數據采集接口設計.錄井工程,2008,19(3):62-64.

[3] 章志峰. DLS綜合錄井儀絞車傳感器國產化改造[J]. 錄井工程, 2010,21(1):68-70.

[4] 劉 劍,馬同奇,沈 鐵,等.無線鉆井參數監測系統的設計與實現[J].錄井工程,2011,22(1):52-55.

[5] 鐘 濤,王豪才. CMOS集成電路的功耗優化和低功耗設計技術[J].微電子學,2000,30(2)：106-112.

Research on Wireless Improvement of the Logging Drawworks Sensors

LI Yongzhao

(CNPCEngineeringandTechnologyResearchInstituteofGreatwallDrillingCompany,Panjin,Liaoning124010，China)

The principles of three types of sensors widely used in cable draw-works are summarized, which include the Hall element, proximity switch, optical coupler, etc. In view of the complex maintenance procedure, low counting accuracy and sensitivity to interference of cable draw-works sensors, a signal transmission node is designed based on wireless communication and low power technologies, and the cable draw-works sensors are modified aiming at the pulse signal processing, wireless communication selection and power supply mode. Experiment results and field applications indicate the new wireless draw-works sensors have solved low data acquisition accuracy and low stable transmission of the cable draw-works sensors, and reach satisfactory results. This improvement can promote the development of wireless drilling parameter measuring instruments.

drawworks sensor; signal transmission node; wireless transmission; low power consumption

國家科技重大專項課題“鉆井工程一體化軟件”(編號：2016ZX05020-006)

李永釗，男，1986年生，工程師，2012年畢業于中國石油大學(華東)油氣井工程專業，獲碩士學位，現主要從事無線低功耗鉆井參數儀的研發工作。E-mail:576648761@qq.com

TE27

A

2096-0077(2017)04-0008-03

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.04.002

2016-11-06 編輯：高紅霞)