地層測試評價儀液壓泵驅動電機在線監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

　　海洋石油鉆井平臺要對海底石油進行探測取樣，所用的探測器是一個長達數十米的管型探測裝置，即地層測試評價儀(Formation EvaluationTool，FET)[1]。在探測裝置中裝有油泵、吸油咀、取樣筒、單向電磁閥等機械執(zhí)行機構，以及電機及其驅動器、電磁閥及其控制器、供電電源、傳感器、信號變換器等多種電氣部件。其中液壓泵驅動電機是石油探測器的關鍵性部件，用于驅動儀器液壓泵，提供液壓動力完成儀器的各項機械動作。液壓泵驅動電機的可靠性是非常重要的，它的良好運行是確保石油探測器裝置正常運行的重要保證。目前，國內外對液壓泵驅動電機的功能測試多采用分立組件來完成，每個組件只能對電機的單一參數進行評價，組件之間相互獨立，無法實現綜合功能的檢測，且檢測效率和自動化水平均較低，更重要的是很難保證在井下 150 ℃環(huán)境下可靠工作。該系統(tǒng)是基于石油勘測的實際應用背景和需求而進行立項開發(fā)的，可以在井下 150 ℃環(huán)境下對液壓泵驅動電機的運行狀態(tài)實時監(jiān)控，有效保證儀器的可靠運行。

　　1 液壓泵驅動電機在線監(jiān)控需求

　　為了保證電機的正常、可靠運行，必須對電機的溫度、轉速、驅動電壓、驅動電流等參數實時監(jiān)測，保持各參數始終在規(guī)定的范圍內。檢測到參數要通過 CAN 總線與上位計算機通信，當參數超限后，立即報警，并進行相應保護。概括起來系統(tǒng)應具有如下功能和特點:(1)電機運行參數自動檢測功能。包括電機溫度檢測、電機轉速檢測、電機驅動電壓檢測和電機驅動電流檢測等;(2)具有輸入過壓、欠壓，輸出過流、過載、短路，過熱，超速等多項保護功能; (3)具有 4 路直流電磁閥開通與關斷的功能，用于電機保護控制。短時驅動電流大于 3 A(100 ms)，持續(xù)驅動電流不小于 2A。驅動電流響應速度快，不大于 0. 3 ms;(4) 具有 CAN 通信功能，實現監(jiān)測系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)的通信，實監(jiān)測系統(tǒng)接收主控制系統(tǒng)的各種命令，并將各種狀態(tài)信息和故障信息反饋給主控制系統(tǒng);(5)具有人機界面功能，實現控制與狀態(tài)顯示;(6)監(jiān)控系統(tǒng)高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。

　　2 液壓泵驅動電機在線監(jiān)控系統(tǒng)技術方案和特點

　　2. 1 系統(tǒng)特點

　　測試系統(tǒng)采用全數字化測控設計，以DSPIC30F6010A 高速微型計算機為核心，通過工業(yè)現場總線實現數據通信和共享，能夠實時檢測和傳遞數據，實現多 CPU 之間的互通互聯與數據共享，檢測、控制、顯示的實時性好，可靠性高。

　　測試系統(tǒng)具有極高的高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫 150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。單片機采用Microchip 公司最先進的 16 位 ( 數據 ) 單片機DSPIC30F6010A;CAN 驅動器采用 TI 公司生產的一款低功耗串行 CAN 控制器 SN65HVD1040D;運放及其他電子元件均選擇 150 ℃溫度等級;此外系統(tǒng)還設計有風扇、散熱器等;

　　2. 2 技術方案

　　液壓泵驅動電機監(jiān)控系統(tǒng)結構圖，如圖 1 所示。整個系統(tǒng)由三大部分組成:上位機監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控模塊和被測電機系統(tǒng)組成。上位機監(jiān)控系統(tǒng)由 PC 機和 CAN 通信卡組成，實現與底層監(jiān)控模塊的通信與控制，狀態(tài)參數顯示。上位機軟件采用 VC6. 0 高級語言設計，CAN 通信卡采用研華的PCI1680U。監(jiān)控模塊負責根據上位機以 CAN 通信形式傳來的指令控制電機的起動/停止，同時檢測液壓泵驅動電機的運行狀態(tài)，并將參數，如電壓、電流、溫度、轉速及故障信息通過 CAN 通信傳給上位機進行顯示。電磁閥驅動控制模塊負責根據 CAN 指令控制 4 只電磁閥的開通/關斷，實現電機保護控制輸出，并將電磁閥狀態(tài)信息通過CAN 通信傳給上位機進行顯示。

　　3 硬件電路設計

　　3. 1 電磁閥驅動電路

　　(1) FET 電磁閥特性分析。FET 中油路控制采用了一種特殊電磁閥，該電磁閥開通需要較大的起動電流，短時驅動電流大于3A(100ms)，電磁閥開通持續(xù)驅動電流不小于 2 A。電磁閥閉合需要不小于 2 A(100 ms)的反向維持電流。驅動電流響應速度快，不大于 0. 3 ms。電磁閥開通、閉合所需要的電流特性曲線如圖 2 所示。

　(2) 驅動電路設計與說明。根據上面電磁閥特性的分析，設計如圖 3 所示的電磁閥驅動電路。

微處理器按照電流特性曲線的時序控制 T8A，T8B，T8C 的狀態(tài)，從而實現起動電源 P3A，開通維持電源 + P2A 和閉合電源 - P2A 的控制，實現電磁閥的開通和閉合控制。

　　3. 2 電機溫度檢測電路

　　系統(tǒng)中，電機溫度的檢測采用 PT100 溫度傳感器來完成。檢測電路如圖 4 所示。PT100 與電機表面充分接觸，當電機溫度發(fā)生變化時，PT100的阻值也隨之變化，利用圖 4 所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得電機溫度。電路分析:IC6A，R97，R98組成一個200mA恒流源電路;利用恒流源將 PT100 的阻值轉換為電壓信號;再利用 IC7 采集并將信號送給單片機;最后單片機再根據溫度曲線計算電機溫度。

3. 3 電機轉速檢測電路

　　系統(tǒng)中，電機轉速的檢測采用霍爾測速傳感器來完成[2]。檢測電路如圖5 所示?；魻杺鞲衅髋c電機轉軸垂直安裝，與轉軸的間距保持約 2mm。利用圖 5 所示的電路可以測得電機轉速。

　4 軟件設計

　　系統(tǒng) CAN 節(jié)點流程圖如圖 6 所示。上位機向監(jiān)控模塊發(fā)幀號為 0x11 的指令幀，控制電機起停和 4 個電磁閥通斷。監(jiān)控模塊向上位機發(fā)幀號為 0x21 的狀態(tài)幀，反饋電機狀態(tài)信息。

　　指令幀(幀號為 0x11) 和狀態(tài)幀(幀號為0x21)定義分別如表 1、2 所示。軟件流程圖如圖 7 所示。

　　5 結 語

　　本文提出的 FET 液壓泵驅動電機在線監(jiān)控系統(tǒng)，集微型計算機控制技術、現場總線網絡技術、現代傳感器技術于一體，很好地解決了液壓泵驅動電機的在線監(jiān)測問題。系統(tǒng)可在高溫150 ℃環(huán)境下可靠運行，極大提高了 FET 關鍵設備的檢修效率，為現場測井作業(yè)，提供了方便。系統(tǒng)已成功應用于油田測井現場，并得到了客戶一致好評。