一種基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于石油、天然氣鉆井設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]智能鉆井工具的供電電源負(fù)責(zé)為電子控制單元、驅(qū)動(dòng)單元等提供符合用電需求的穩(wěn)定直流電能，是整個(gè)智能鉆井工具運(yùn)行的動(dòng)力來(lái)源，其工作狀況的好壞直接影響到智能鉆井工具能否安全、正常、穩(wěn)定地工作。
[0003]井下電源系統(tǒng)通常采用交流-直流-直流變換的供電策略，以滿足在井下惡劣工作條件下不同用電負(fù)載需求，這種供電方法是由泥漿渦輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生低頻三相交流電能，經(jīng)整流濾波后，采用穩(wěn)壓電源技術(shù)進(jìn)行直流-直流變換，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)多，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都可能造成輸出電壓異常，若沒有對(duì)井下電源關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，必然會(huì)導(dǎo)致故障排查困難，安全隱患難以完全消除，而對(duì)于設(shè)置了節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、記錄功能的井下電源系統(tǒng)，參數(shù)采集部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢測(cè)方法上的好壞將直接影響其在高溫、振動(dòng)、沖擊環(huán)境下工作的穩(wěn)定性和測(cè)量精度，若測(cè)量數(shù)據(jù)誤差大，地面工作人員將無(wú)法根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)井下電源系統(tǒng)工作狀況做出正確的分析決策，甚至?xí)贸鐾耆e(cuò)誤的結(jié)論，從而嚴(yán)重影響智能鉆井工具的維修保養(yǎng)周期、安全性、穩(wěn)定性及使用壽命。
[0004]因此，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)，在井底惡劣工作條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下電源的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的電壓、電流以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測(cè)量，用于監(jiān)控智能鉆井工具供電系統(tǒng)的工作狀況，為智能鉆井工具的故障分析提供客觀、真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，具有重要的價(jià)值和意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)包括:井下參數(shù)采集單元和地面參數(shù)顯示單元，其中:井下參數(shù)采集單元為設(shè)置在智能鉆井工具探管中的數(shù)據(jù)采集裝置，其與井下電源系統(tǒng)相連接，用于實(shí)時(shí)采集井下電源系統(tǒng)的相關(guān)信息；井下參數(shù)采集單元包括:處理器、參數(shù)測(cè)量單元、系統(tǒng)復(fù)位單元、參數(shù)存儲(chǔ)單元、串口通信單元和時(shí)鐘同步單元；處理器分別與參數(shù)測(cè)量單元、系統(tǒng)復(fù)位單元、參數(shù)存儲(chǔ)單元、串口通信單元和時(shí)鐘同步單元相連接；地面參數(shù)顯示單元包括:計(jì)算機(jī)、參數(shù)顯示單元、遠(yuǎn)程控制單元、內(nèi)存管理單元和狀態(tài)顯示單元；其中:計(jì)算機(jī)分別與參數(shù)顯示單元、遠(yuǎn)程控制單元、內(nèi)存管理單元和狀態(tài)顯示單元連接，計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485串行通信接口與參數(shù)采集單元中的串口通信單元相連接。
[0007]所述的參數(shù)測(cè)量單元包括:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元、整流電壓測(cè)量單元、均流電流測(cè)量單元和輸出電壓測(cè)量單元，其中:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元與泥漿發(fā)電機(jī)的三相交流電能輸出端的某一相連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元對(duì)泥漿發(fā)電機(jī)的相電壓進(jìn)行半波整流后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；整流電壓測(cè)量單元的輸入端與整流濾波電路的輸出端連接，用于采集整流濾波電路的輸出電壓信號(hào)；均流電流測(cè)量單元的多個(gè)輸入端分別與多個(gè)直流-直流變換電路的輸出端連接，用于采集各直流-直流變換電路的輸出電流信號(hào)；輸出電壓測(cè)量單元的輸入端同時(shí)與各直流-直流變換電路的輸出端連接，用于采集井下電源系統(tǒng)的輸出電壓信息；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元、整流電壓測(cè)量單元、均流電流測(cè)量單元和輸出電壓測(cè)量單元的輸出端均與處理器連接。
[0008]所述的處理器采用飛思卡爾公司的HC9S12系列單片機(jī)。
[0009]本實(shí)用新型的有益效果是:在智能鉆井工具的供電電源中，通過(guò)增設(shè)參數(shù)采集電路，可監(jiān)測(cè)、記錄井下電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)各環(huán)節(jié)的電壓、電流值變化情況，為智能鉆井工具電源系統(tǒng)的故障分析、維修保養(yǎng)提供了客觀、真實(shí)的測(cè)量數(shù)據(jù)，避免了僅依靠地面檢測(cè)造成的故障誤判、風(fēng)險(xiǎn)失察的隱患，縮短了智能鉆井工具的維修保養(yǎng)周期，提高了智能鉆井工具井下工作的安全性、穩(wěn)定性和使用壽命。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2為本系統(tǒng)中井下參數(shù)采集單元所采用的參數(shù)采集控制方法流程圖。
[0012]圖3為本系統(tǒng)中地面參數(shù)顯示單元所采用的控制方法流程圖。
[0013]圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施例的地面參數(shù)顯示單元軟件運(yùn)行界面。
[0014]圖5為本實(shí)用新型一實(shí)施例的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)回放界面。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]如圖1所示，本實(shí)用新型提供的基于單片機(jī)的井下電源參數(shù)采集系統(tǒng)包括:
[0017]井下參數(shù)采集單元2和地面參數(shù)顯示單元3，其中:井下參數(shù)采集單元2為設(shè)置在智能鉆井工具探管中的數(shù)據(jù)采集裝置，其與井下電源系統(tǒng)1相連接，用于實(shí)時(shí)采集井下電源系統(tǒng)1的相關(guān)信息；
[0018]井下電源系統(tǒng)1為安裝在智能鉆井工具中的直流供電設(shè)備，用于為智能鉆井工具的電子測(cè)量、控制單元14供電，其包括:泥漿發(fā)電機(jī)11、整流濾波電路12、多個(gè)直流-直流變換電路13，其中:整流濾波電路12的輸入端與泥漿發(fā)電機(jī)11連接、輸出端與多個(gè)直流-直流變換電路13的輸入端連接，多個(gè)直流-直流變換電路13的輸出端均與電子測(cè)量、控制單元14連接。
[0019]井下參數(shù)采集單元2包括:處理器21、參數(shù)測(cè)量單元22、系統(tǒng)復(fù)位單元23、參數(shù)存儲(chǔ)單元24、串口通信單元25和時(shí)鐘同步單元26 ;處理器21分別與參數(shù)測(cè)量單元22、系統(tǒng)復(fù)位單元23、參數(shù)存儲(chǔ)單元24、串口通信單元25和時(shí)鐘同步單元26相連接；
[0020]參數(shù)測(cè)量單元22包括:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元221、整流電壓測(cè)量單元222、均流電流測(cè)量單元223和輸出電壓測(cè)量單元224，其中:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元221與泥漿發(fā)電機(jī)11的三相交流電能輸出端的某一相連接，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元對(duì)泥漿發(fā)電機(jī)11的相電壓進(jìn)行半波整流后轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量；整流電壓測(cè)量單元222的輸入端與整流濾波電路12的輸出端連接，用于采集整流濾波電路12的輸出電壓信號(hào)；均流電流測(cè)量單元223的多個(gè)輸入端分別與多個(gè)直流-直流變換電路13的輸出端連接，用于采集各直流-直流變換電路13的輸出電流信號(hào)；輸出電壓測(cè)量單元224的輸入端同時(shí)與各直流-直流變換電路13的輸出端連接，用于采集井下電源系統(tǒng)1的輸出電壓信息；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元221、整流電壓測(cè)量單元222、均流電流測(cè)量單元223和輸出電壓測(cè)量單元224的輸出端均與處理器21連接；
[0021]處理器21為以單片機(jī)芯片為核心的控制器電路；系統(tǒng)復(fù)位單元23用于對(duì)處理器21的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)處理器21的供電電壓低于閾值電壓或處理器21中的單片機(jī)芯片工作異常時(shí)，由系統(tǒng)復(fù)位單元23進(jìn)行處理器21的復(fù)位操作；參數(shù)存儲(chǔ)單元24為外置的16M低功耗flash存儲(chǔ)芯片，用于按設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)處理器21處理后的參數(shù)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，時(shí)鐘同步單元26用于提供與地面參數(shù)顯示單元3中的計(jì)算機(jī)31同步的時(shí)鐘信息，此時(shí)鐘信息作為存儲(chǔ)參數(shù)和處理器21處理后的測(cè)量參數(shù)一起保存至參數(shù)存儲(chǔ)單元24中，串口通信單元25為RS-485通信接口電路，用于實(shí)現(xiàn)處理器21與地面參數(shù)顯示單元3間的連接。
[0022]地面參數(shù)顯示單元3為設(shè)置在地面上的控制操作臺(tái)，其與井下參數(shù)采集單元2相連接，用于井下參數(shù)采集單元2采集信息的顯示、存儲(chǔ)以及對(duì)井下參數(shù)采集單元2的參數(shù)設(shè)置，地面參數(shù)顯示單元3包括:計(jì)算機(jī)31、參數(shù)顯示單元32、遠(yuǎn)程控制單元33、內(nèi)存管理單元34和狀態(tài)顯示單元35 ;其中:計(jì)算機(jī)31分別與參數(shù)顯示單元32、遠(yuǎn)程控制單元33、內(nèi)存管理單元34和狀態(tài)顯示單元35連接，計(jì)算機(jī)31通過(guò)RS-485串行通信接口與參數(shù)采集單元2中的串口通信單元25相連接；
[0023]本系統(tǒng)的工作過(guò)程如下:泥漿發(fā)電機(jī)11產(chǎn)生的三相交流電能經(jīng)整流濾波電路12處理后輸出粗直流電能，然后由直流-直流變換電路13將粗直流電能轉(zhuǎn)換成適合不同電子測(cè)量、控制單元14需求的穩(wěn)定直流電能，根據(jù)電子測(cè)量、控制單元14所需功率大小，當(dāng)單一直流-直流變換電路13無(wú)法滿足要求時(shí)，可采取多個(gè)直流-直流變換電路13并聯(lián)均流的方式進(jìn)行電能供給；參數(shù)測(cè)量單元22主要完成對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、整流電壓、均流電流和電源輸出電壓的測(cè)量，處理器21采用飛思卡爾公司的HC9S12系列單片機(jī)，內(nèi)置8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，可完成對(duì)整流電壓測(cè)量單元222、均流電流測(cè)量單元223和輸出電壓測(cè)量單元224輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，處理器21接收的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量單元221的測(cè)量值為直流方波信號(hào)，采用輸入/輸出端口下降沿有效的方式，在規(guī)定的采樣間隔內(nèi)進(jìn)行下降沿統(tǒng)計(jì)，處理后的數(shù)據(jù)保存至參數(shù)存儲(chǔ)單元24中，處理器21通過(guò)串口通信單元25可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)31的信息交互，時(shí)鐘同步單元26在處理器21的控制下通過(guò)串口通信單元25與計(jì)算機(jī)31的時(shí)鐘保持一致；在地面參數(shù)顯示單元3中，計(jì)算機(jī)31為控制核心和顯示設(shè)備，采用C++Builder編程軟件實(shí)現(xiàn)各功能模塊，其中參數(shù)顯示單元32可實(shí)現(xiàn)對(duì)井下參數(shù)采集單元2測(cè)量參數(shù)的顯示，遠(yuǎn)程控制單元33可實(shí)現(xiàn)井下參數(shù)采集單元2的參數(shù)初始化和參數(shù)存儲(chǔ)單元24中存儲(chǔ)芯片的擦除，內(nèi)存管理單元34可用于讀取井下參數(shù)采集單元2的參數(shù)存儲(chǔ)單元24中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的回放和保存；狀態(tài)顯示單元35可顯示井下參數(shù)采集單元2的參數(shù)采集時(shí)間、時(shí)間間隔、數(shù)據(jù)幀數(shù)、軟件版本等系統(tǒng)信息。
[0024]如圖2所示，本系統(tǒng)中井下電源參數(shù)采集單元2所采用的控制方法包括按順序進(jìn)行的下列步驟:
[0025]步驟S201、初始設(shè)置:測(cè)量前，對(duì)處理器21自身參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括I/O 口、定時(shí)器、中斷等，并根據(jù)測(cè)量需求和參數(shù)存儲(chǔ)單元24中存儲(chǔ)芯片的大小設(shè)置參數(shù)采樣的時(shí)間間隔；
[0026]步驟S202、讀取測(cè)量參數(shù):在規(guī)定的采樣時(shí)間到來(lái)時(shí)，處理器21通過(guò)參數(shù)測(cè)量單元22接收包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、整流電壓、輸出電壓、多路均流電流在內(nèi)的測(cè)量參數(shù)信息；
[0027]步驟S203、測(cè)量參數(shù)轉(zhuǎn)換:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)為直流方波信號(hào)，處理器21設(shè)置為輸入/輸出端口下降沿計(jì)數(shù)，處理器21對(duì)上述直流方波信號(hào)進(jìn)行濾波后統(tǒng)計(jì)采樣時(shí)間間隔內(nèi)下降沿?cái)?shù)目，由此計(jì)算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速值，并對(duì)包括整流電壓、輸出電壓、多路均流電流在內(nèi)的模擬參數(shù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；
[0028]步驟S204、誤差補(bǔ)償:在泥漿發(fā)電機(jī)11轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)計(jì)算參數(shù)測(cè)量值與真實(shí)值之間的誤差，并利用最小二乘法進(jìn)行誤差補(bǔ)償；
[0029]步驟S205、保存測(cè)量參數(shù):處理器21讀取時(shí)鐘同步單元26的時(shí)間