转盘扭矩监控系统设计＊

刘 佳，李乔乔

（1.广州南洋理工职业学院，广东 广州510900；2.新乡航空工业（集团）有限公司，河南 新乡453000）

1 引言

石油和地质勘探开发中液压转盘主要实现钻探开发过程中频繁的钻修井作业，在钻井过程中，转盘的功能是传递扭矩，带动钻具旋转钻进，将扭矩传递到钻具上，使转台获取相对的转速并能输出扭矩的水平转动设备。包括转盘液压执行机构、液压动力源、液压控制端和机械连接部分，液压转盘驱动力在于液压系统，经过转动轴或链条箱的链条能使转盘旋转，实现转盘给钻杆施加扭矩。

转盘扭矩是钻井过程中转盘工作状态的重要参数之一，对转盘扭矩进行动态监测能提前预判井下工作状态，预防钻井工程事故的发生，避免卡钻事故，降低钻井风险。转盘扭矩监控系统主要用于钻修井勘探开发过程中实时监控转盘扭矩，司钻和相关技术人员能及时推断井下磨阻的变化和钻头的磨损情况，根据扭矩变化情况合理调节参数以得到优化钻井的效果。对保证钻井过程安全具有重要的现实意义，从而达成安全生产的目的。

2 系统整体设计

转盘扭矩监控系统主要由转盘扭矩传感器单元、按键单元、转盘扭矩采集单元、报警单元、显示单元、无线通信单元、上位机单元组成。转盘扭矩采集单元采用单片机微处理器开发，转盘扭矩传感器单元电信号经过信号处理后传送到转盘扭矩采集单元，按键单元完成转盘扭矩的配置，转盘扭矩采集单元采集转盘扭矩信号经由数据处理工程值计算后传送到显示单元进行显示，当显示值超过报警门限时，驱动报警单元动作，上位机单元通过无线通信单元与转盘扭矩采集单元传输数据。位于室外的转盘扭矩监控系统的防爆等级依照行业标准必须大于或等于ExdⅡBT4，防护等级必须大于或等于IP56。系统框架如图1所示。

图1 系统框架图

2.1 转盘扭矩传感器单元

转盘扭矩传感器单元由转盘扭矩传感器、连接电缆及安装附件组成。钻修井作业时，转盘驱动钻具，转盘传动链条的张紧程度相对于转盘的扭矩。转盘扭矩传感器测量转盘链条的张紧力。最理想的固定位置是在转盘的驱动链条箱内链条紧边的下面，惰轮位于主动链轮与从动链轮的正当中。传感器的底板安装平面与链条紧边中心线（绷直状态）平行。传感器的摇臂活动端位于主动链轮方向，并在链条箱贴近转盘传感器液压缸地方引出传感器的液压管线[2]。

转盘链条的张紧力通过液压管线传递到液压变送器，将液压信号变换为电流信号，转盘扭矩变送器DC4～20 mA电流信号通过转盘扭矩传感器单元由信号处理后经转盘扭矩采集单元进行采集处理。现场安装时通常采用三通接头实现链条张紧力液压信号和转盘扭矩变送器电信号转换[3]。

2.2 按键单元

按键单元主要由标定/监控按键和数码开关组成。当标定/监控按键按下时，转盘扭矩监控系统处于标定情形，转盘扭矩监控系统循环显示数码开关的标定系数A和数码开关标定系数B，便于操作者观察和修改。标定/监控按键弹起时，转盘扭矩监控系统处在监控状态。

2.3 转盘扭矩采集单元

转盘扭矩采集单元采用单片机微控制器开发为主控制器，包括隔离安全栅、无线通信单元接口电路、CPU单元、电源单元、按键单元接口电路、显示单元驱动接口电路。本设计中单片机微控制器采用ATmega32先进的RISC结构，具有独立片内振荡器可编程的看门狗定时器，可设置为多种休眠模式来降低功耗，内部含8 KB片内SRAM，32 KB FLASH，ADC模数转换器[4]，PCB电路排版设计时采用表面贴装技术TQFP封装使质量和尺寸减少，提高了电路的稳定性和可靠性，抗干扰能力强，实用于钻修井工况场合。

2.4 显示单元

显示单元与转盘扭矩采集单元通过显示驱动接口电路连接，实时显示转盘扭矩数值，当显示数值超过设置报警值时闪烁，提醒操作人员注意安全。

2.5 报警单元

报警单元主要由声光报警器组成，当显示数值超过设置报警值时闪烁，转盘扭矩采集单元驱动声光报警器发出报警声音并有规律闪烁提醒。

2.6 无线通信单元

无线通信单元基于SX1278贴片型射频集成电路和附属电路构成，通信距离较远，传输功耗低全球免许可的ISM频段，工作电压为2.0～5.5 V，适用于电池应用的领域。

2.7 上位机单元

上位机单元与转盘扭矩采集单元通过无线通信单元提供无线长距离数据传输功能，完成转盘扭矩参数的自动保存，工程技术人员可随时查询井下钻具的实时及历史数据和曲线,包括井号、钻井时间、操作人员、转盘扭矩最大值和最小值，可通过网络远程浏览[5]。

3 软件设计

转盘扭矩监控系统软件设计主要由初始化子程序、读标定系数A子程序、读标定系数B子程序、转盘扭矩数据显示子程序、模数A/D采集子程序、数据处理子程序单元、数据通讯子程序等几部分组成，软件设计流程如图2所示。

图2 软件设计流程图

转盘扭矩监控系统初始上电后，转盘扭矩采集单元的ATmega32单片机由初始化子程序进行初始化设置，配置定时器的工作方式和初始值，许可中断源对应的中断位，设置中断的优先级别，配置串口相应工作模式和通信波特率，预先初始化数据变量和命令字；然后通过调用读标定系数A子程序、读标定系数B子程序，读出保存在锁存器中的数码开关分别为标定系数A和标定系数B；当标定/监控按键弹起时，转盘扭矩监控系统处于监控模式，采集转盘扭矩电流信号调用模数转换子程序，数据滤波子程序处理，转换为转盘扭矩工程值后，显示单元实时显示转盘扭矩数值；当标定/监控按键按下时，转盘扭矩监控系统处于标定模式，转盘扭矩监控系统循环显示数码开关（标定系数A）和数码开关（标定系数B）。系统通过无线通信单元调用上位机数据通讯子程序，将转盘扭矩工程值传输到上位机进行记录和处理。

4 结语

本文提出的转盘扭矩监控系统设计，具有操作简便、实现成本低、灵活性高的特点。通过实时监测转盘扭矩能提前判别钻具的工作状况，预防钻井工程事故的发生，对预防因钻具引起的异常事故，降低钻井风险具有实际指导意义。具备较好的经济收益和社会效益，对实现安全钻井，进而完成安全生产的目的有相当重要的现实意义。