錄井傳感器模擬與自動識別系統研究

何志敏 梅大成

（西南石油大學計算機科學學院 四川省成都市 610500）

1 引言

錄井技術是鉆井井控工作的一項基礎技術，符合時代發展的基本需求，能夠科學分析出地質結構的整體構成情況及潛在的安全風險因素[1]。傳統的綜合錄井培訓是通過閱讀錄井培訓手冊、聽取有經驗的錄井人員的講解、參加錄井現場實際操作等方式，傳統的綜合錄井培訓方式已經很難適應當前高節奏、高效率的石油天然氣工業生產發展需要[2]。錄井模擬培訓系統通過對現場環境和儀器的仿真，使室內培訓效果接近現場，從而降低培訓成本和風險。在錄井模擬培訓中，一個關鍵的問題是培訓人員要能識別各種傳感器，并且在操作過程中，將各種傳感器安裝到正確的位置。每次操作，系統需要判斷出對應位置所安裝傳感器是否正確，如果正確，給出提示，顯示當前傳感器的值，并以動畫形式將該傳感器所處真實位置在圖形上放大顯示。如果錯誤，系統給出錯誤提示。

2 傳感器模擬與自動識別系統硬件設計

圖1：傳感器模擬與自動識別系統硬件結構

2.1 系統整體結構

圖2：PLC 接收和發送數據流程圖

圖3：主控機傳感器識別程序流程圖

由于鉆井工藝環境的要求，現場使用的多是特殊定制傳感器，價格一般都比較昂貴[3]。本著經濟、耐用的原則，錄井模擬培訓系統采用傳感器模型來代替真實傳感器，大大降低了在培訓過程中由傳感器使用損耗而產生的費用。生產現場，錄井傳感器分布在井場的各個區域，而錄井模擬培訓系統的硬件采用的是按真實比例縮小的井場模型，該模型包括鉆井平臺、電機房、灌區、泥漿泵等。由于井場模型體積較小，不便于在其真實位置安裝傳感器，只用小標牌在其安裝位置標識傳感器名稱，而在井場模型平臺上設置多個航空插座，用來模擬傳感器的安裝位置。傳感器模擬與自動識別系統由傳感器模型、井場模型、主控機和圖形機幾個部分組成，其硬件結構如圖1 所示。

傳感器模型通過9 芯航空頭連接到井場模型平臺的航空頭插座上，傳感器的值通過PLC 采集后傳送給主控計算機，主控計算機實時顯示當前傳感器的狀態，并發送消息給圖形計算機，由圖形計算機播放該傳感器動畫，將其在現場的具體安裝位置、當前值大小等模擬出來。

2.2 傳感器模擬

傳感器的主要作用是把現場的錄井參數轉化為電量，并對其進行初步處理[4]。錄井傳感器的工作環境比較惡劣，現場對傳感器的特性選擇要求比較嚴格，在錄井模擬系統中，我們采用1:1 的傳感器模型來對真實傳感器進行模擬。模擬過程需要實現兩點要求：一是每個模型能模擬傳感器的輸出值，此值是要能隨時改變的值；二是每個傳感器在鉆井模型平臺上都有一個固定的位置，傳感器模型必須能產生位置編碼，才能判斷是否安裝到了正確的位置。

2.2.1 傳感器輸出值的模擬

錄井模擬培訓系統需模擬的傳感器有懸重傳感器、H2S 傳感器、出口/入口溫度、出口/入口密度、出口/入口電導率、轉盤扭矩、立壓、套壓、液位、電扭矩、轉盤轉速、絞車、泵沖、出口流量等17 個傳感器，其中，現場的絞車、轉盤轉速和泵沖傳感器輸出的是脈沖信號，其余的傳感器輸出的是4~20mA 的電流信號。傳感器模型輸出的數據由PLC 采集，PLC 作為一種穩定可靠、控制程序靈活可變的控制器，在工業控制系統中已經得到了廣泛的應用[5]。PLC 選用的是Siemens 公司的S7-200，可以對0~10V 電壓或者4~20mA 電流進行采集。為了簡化傳感器模型的設計，所有模型的傳感器值均采用10K 電位器串接14K 電阻連接到24V 電源，通過電位器分壓獲得0~10V 的電壓值來模擬傳感器輸出值。S7-200將傳感器的值傳送給主控機后，再由主控機按真實傳感器的特點進行處理。

2.2.2 傳感器位置編碼的產生

鉆井模擬平臺上有17 個航空頭，每個航空頭代表一個傳感器的位置，事先設定各個航空頭的編號。每個傳感器模型需輸出對應的位置編碼，17 個傳感器模型需用5 位二進制編碼來代表其位置。為了產生這5 位編碼，可以采用多種方案。比如可以在每個模型中放一個旋轉編碼器，事先設定好編碼器的旋轉刻度，讓其輸出的編碼保持一個特定的數值。但是由于有的傳感器模型體積較小，市面上的旋轉編碼器無法放入其中，而且編碼器的價格也較高，每個傳感器只用其一組編碼，浪費較大。經過多種方案對比，最終采用5位撥碼開關來實現位置編碼。撥碼開關體積小，價格便宜，能輕松地實現1~17 的編碼。將此5 位撥碼開關和電位器放入傳感器模型內并將其輸出信號接到9 芯航空頭上，再由航空頭輸出到PLC。

3 傳感器自動識別系統軟件設計

3.1 主控軟件與前端硬件的通信

錄井模擬培訓系統的主控軟件必須持續不斷地與前端硬件進行通信，以獲取前端設備狀態，然后經過主控軟件處理，可以驅動圖形軟件產生與硬件設備操作同步的動畫過程，因此，主控軟件和前端設備的雙向、高速、穩定的通信是整個系統需要解決的一個關鍵技術問題。傳感器自動識別系統中，主控計算機作為主站，它通過串口與S7-200 之間通過Siemens 的PPI 電纜相連， S7-200 作為從站，工作在自由口模式下[6]。

3.1.1 PLC 與主控機通信協議

在自由口通信模式下，用戶需要自定義通信協議[7]。本系統中，主控計算機與PLC 之間的通信采用主從方式：主控計算機始終處于主機地位，具有初始傳送優先權，所有通訊均由PC 機來啟動。PC 機首先按照約定的字符格式和波特率初始化串口，然后按命令字格式發送命令字給PLC，接著按約定字節數讀取數據，這樣便完成與PLC 的數據傳輸。接著發送新的命令字開始下一次傳送，循環進行。PC 發送的命令字格式如下所示：

圖4：傳感器狀態展示

圖5：圖形軟件傳感器動漫展示

‘U’ ‘U’ ‘U’ ‘U’ ADDR

本系統中，命令字為“UUUU”+用一個字符表示的地址編號， PLC 在接收命令字時為接收5 個字節，在接收完成后立即轉為發送約定好字節數的數據給PC，發送完后又設置為接收5 個字節。PLC 發送給主控機的數據幀格式如下所示，先發送每個傳感器的當前值，然后發送每個傳感器的位置編碼。

懸重 H2S …… 出口流量 傳感器1編碼 …… 傳感器17編碼

為了實現自由口通信，PLC 在對端口初始化時，需要對相關特殊存儲器位進行配置。特殊存儲器位SMB30 為端口0 通信配置波特率、奇偶校驗和數據位[8]。本系統中，設置SMB30 的值為16#90，即無奇偶校驗、每個字符8 位、波特率9600、自由口通信模式[9]。配置SMB87 為16#90，即允許接收、忽略SMB88、忽略SMB89、使用SMW90 或SMW190 數值檢測空閑線條件、定時器是字符間的超時計時器、忽略SMW92 或SMW192、忽略斷點條件。配置SMW90 的值為16#5，即設定空閑線時間為5ms，當空閑線時間超過5ms 后，收到的第一個字符是新信息的開始[10]。設置SMB94 為16#5，即初始化接收5 個字節的命令字。

3.1.2 PLC 與主控機數據傳送

為了保證系統數據能實時傳送，PC 與PLC 直接采用中斷方式進行通信。接收和發送數據流程圖如圖2 所示。PLC 接收完PC 機發送的5 個字節命令字后進入中斷服務程序INT0（圖2（a）），在中斷服務程序中判別命令字是否為之前約定好的命令字，如果不是，就返回，重新接收命令字。如果是，啟動定時器定時5 毫秒，之后進入發送中斷服務程序INT2（圖2（b））中，發送約定字節數的數據給PC。當數據發送完成后，進入接收中斷服務程序INT1（圖2（c）），允許接收新的命令字。

3.2 主控軟件傳感器識別

主控計算機每隔200ms 和PLC 進行一次通信，接收到PLC 發送的數據后，可以獲得每個傳感器當前值以及傳感器位置編碼。主控機需要做如下幾個判斷：一是判斷出學員當前安裝的是哪一個位置的傳感器；二是裝上的傳感器是否正確；三是傳感器的當前值。主控軟件對傳感器的對錯做出提示，并顯示傳感器的值，同時將這些信息發送給圖形機，讓圖形動畫與實際操作同步。主控機傳感器識別的數據流程如圖3 所示。

4 結論

傳感器自動識別系統實現了傳感器操作的捕捉、傳感器識別與判別、傳感器動畫演示等功能。圖4 為系統運行時主控軟件采集到的傳感器數值，圖5 為圖形程序實時展示的動漫場景。

錄井模擬系統經過實驗室測試目前已交付延安職業技術學院使用，經油田應用表明，系統功能完善，操作直觀，培訓效果好，值得進一步推廣和使用。