石油钻机关键设备在线监测与诊断系统研制

骆学理,金艺,张易,杨晓光,苏勇,王永超,陈冰邓,贾登

(中国石油集团工程技术研究院有限公司,北京 102206)

为了实现对在役远程作业钻机关键设备运行状态有效监控和设备故障发生预判断,防止钻机关键设备发生重大事故影响正常钻井生产作业,不仅需要采集钻井现场泥浆泵、绞车及配套电机、轴承、齿轮箱等设备的温度、转速、振动值等基本参数,还需要采集分析振动加速度、速度、位移的波形频谱,为更精确监控关键设备运转,同时需要采集和分析关键轴具的轴心轨迹。

目前国内数据采集系统多为模块化产品,功能单一、集成度低,无法满足多类型参数同步采集分析需求。文献[1]中通过以太网UDP协议传输数据,将采集到的数据上传到电脑端,对于现场设备分散、多点位监测布线非常不便;文献[2]中采用芯片内部资源处理数据,处理结果显示到LCD屏幕上,不适合现场长时间在线监测及预警使用;文献[3]提出将压缩算法融入到无线传感技术中,目前压缩算法并不成熟,且压缩时间长,实时性差,无法满足不同类型信号压缩。国外数据采集系统已经比较成熟,但是价格高,系统更新维护困难。因此,结合石油钻井现场高温、严寒、高电磁骚扰以及有线设备线缆铺设不便等问题,设计了基于无线传输和多参数采集的石油钻机关键设备状态监测系统。该系统由多信号采集系统和系统软件组成,试验证明该系统具有数据同步性好,高低温环境下稳定性强,采集精度高,抗干扰能力强等优点。

1 多信号采集系统整体设计

采集系统主要实现振动、温度、转速、轴心轨迹等参数由模拟量到数字量的采集、转换、编码以及传输功能,主要由以STM32H750处理器为系统核心的主控单元、电源管理模块、振动和温度传感器、传感器激励单元、模拟信号滤波单元、WiFi通信模块、上位机软件等组成。该系统在布置过程中,可视现场采集实际需要配接温度传感器、光电转速传感器、ICP加速度传感器、电涡流传感器,外接传感器由激励源供电,获取被测对象产生的模拟信号,通过滤波电路、加速度/速度/位移转化电路、抗混叠滤波器等电路对信号进行滤波等处理,然后分别通过并行A/D模块电路进行模数转换,由微处理器接收缓存并处理A/D模块电路数据,通过无线WiFi通信模块传输至电脑上位机软件进行处理分析,由系统软件进行波形显示、傅立叶变换(FFT)以及数据存储等。系统软件可以通过指令实现对采样接口传输速率、A/D模块的内部抽样率等控制。监测系统结构如图1所示。

图1 监测系统结构示意

2 采集系统硬件设计

2.1 恒流源驱动电路设计

压电式加速度传感器内置放大电路,但输出信号仍非常微弱,需要再经过放大和滤波才能得到可靠的信号。为了保证放大和滤波的稳定性,提高传感器的抗干扰能力,使用中需要由外部恒流源供电,有效信号叠加在供电电源线上输出。传感器工作输入电压在24 V,电流为4 mA,设计采用高精度恒流二极管,具备体积小、接线简单、工作温度范围广的优点[4],适用于多路信号同时采集使用。

2.2 抗混叠滤波器设计

为了防止采样率不足造成的系统中不同信号发生混合,采用开关电容式抗混叠滤波芯片MAX291,设计了抗混叠低通滤波电路,MAX291芯片所需外部触发时钟由处理器主控单元提供。本设计兼顾了高频与低频信号采集,采样频率动态可调,MAX291芯片时钟采用微控制器输出PWM方式控制[5],这样在切换高频和低频信号采样时,只需要根据不同的采样频率输出不同的PWM信号即可。抗混叠滤波器结构如图2所示。

图2 抗混叠滤波器结构示意

2.3 A/D采样电路设计

在该系统中,模数转换芯片是保证同步性、实时性的关键部件,选用AD7760,24位Σ-Δ型模数转换器,融合了高采样速率、八通道同步、高输入带宽、高输入电压范围等优势[6],高速采集时信噪比可达100 dB,完全适合该系统的要求。AD7760型转换器具有内置基准电压缓冲器和内置数字滤波功能,降低了对外部基准电压的要求,因此无需对外部基准电压、供电电源等做太多复杂滤波即可达到较高的采样精度。同时,在信号输入端做单端转差分处理,降低了信号噪声,提高了采样精度,完全满足该系统的设计要求。

在A/D转换前需要根据输入模拟信号的电压范围和AD7760型转换器输入端口的输入电平范围确定输入模拟信号的放大倍数,在信号输入端口须考虑去除噪声,同时要防止引入其他噪声。A/D采样电路采集部分模拟电路和数字电路PCB需要分开布局,采用多层电路板,保证A/D采样电路下面有完整的地平面;采用磁珠既保证模拟地和数字地为单点连接[7-9],又保证A/D采样电路信号转换避免受干扰失真,该设计也提高了采集设备在工业现场的电磁兼容性。

2.4 WiFi通信模块

为减少现场布线,采集设备通信传输采取WiFi方式,WiFi模块内置TCP/UDP协议,同时具有PA放大功能,是一款支持IEEE 802.1b/g/n无线通信标准的嵌入式无线通信模块[10-11]。WiFi模块与采集卡通信采用串口透传,需要将WiFi模块的 TXD,RXD,RESET管脚分别加到STM32H750微处理器的RXD,TXD上即可,通过主电源引脚为模块供电,电源引脚并联储能电容100 μF和高频滤波电容100 nF,从而提高无线通信的质量。该模块外接一个12 dB频段2.4 GHz延长天线,经户外空旷环境下Ping包测试有效传输距离能达到150 m。

2.5 同步性测试

当使用A/D采样电路的多个通道采集数据时,需配置循环扫描模式,即多个通道按照配置的顺序循环采集,相邻通道间会存在一定的信号串扰,使得相邻通道间不可避免地存在一定延迟,造成一定误差,影响采集的同步性[12]。这些差异会增大后期信号处理的误差,因此多通道数据采集的同步性是非常重要的问题。为了验证经过配置后多个通道数据采集的同步性,该设计方案使用信号发生器作为信号源,对其发出的符合采集量程的方波信号进行同步采集测试,经过示波器验证,同步精度可以达到2.93 μs,远大于实际所需精度要求。

2.6 数据传输帧模块

数据传输帧模块将振动、温度、电涡流及转速数据按照同步采集数据帧格式打包,要求同一个包中各路数据的采集时刻是一致的。该系统需要用高采样率采集各种波形,波形的采样顺序决定了数据上传需要采用多帧分包结构,分包格式、数据压缩算法、传输协议是保证大容量数据能够及时、完整传输出去的关键。既要保证数据不丢失,又要降低采集数据的冗余度[13-14]。

2.7 硬件抗冷热及电磁兼容设计

该系统元器件采用工业级,温度适应范围为-40～120 ℃,在生产阶段对元器件进行高低温筛选,确保该系统在钻井现场高温、严寒环境下的稳定运行。传感器以及系统电路采用有机硅灌封,使其具有优秀的抗冷热变化能力和导热性能。电磁兼容性方面,传感器与采集仪的传输线采用双层屏蔽电缆传输信号,线缆两端的屏蔽层接壳处理,线缆外部采用不锈钢套管做进一步的防护,可以有效地防止外部干扰信号进入系统。

3 系统的软件设计

该系统软件是基于Visual Studio C#开发,软件参数设定方便快捷,实时动态显示各种信号波形,数据查询方便、快捷,数据分析方法全面、详细,响应快[15]。该系统软件由采集设备交互控制模块、数据组态存储查询模块、信号分析处理模块以及设备在线监测故障分析诊断模块组成。

1)采集设备交互控制模块。该部分与安装在现场的采集设备实时通信,实现控制命令的下发,以及数据回收的多帧拼接、解压缩并还原为所需各种时域波形。

2)数据组态存储查询模块。该模块采用sqlite数据库,涉及建表、插入、删除、查询等操作。首先建立设备树管理现场安装设备,再通过电子标签、二维码等方式将现场设备测点与采集设备通道号关联,将采集的数据存入对应的目录。

3)信号分析处理模块。包括数据的预处理和数据分析两个部分。预处理部分主要解决初步数据的有效性问题,过滤传感器损坏、线缆断裂等特征数据,降低无效数据进入后续分析过程,并且剔除奇异点和消除趋势项[16-17];数据分析部分包括数字滤波、包络滤波等功能,首先根据不同设备类型选择该设备分析所需高通低通滤波器进行数字滤波,过滤无效频率成分,再根据转速进行特定包络滤波,得到有效故障频率成分。

4)设备在线监测与故障诊断模块。该模块可以判断分析设备故障,软件对数据采集处理后可以得到时域波形图和FFT的频谱图。

4 采集系统测试

4.1 性能测试

为验证该采集系统的性能,参照JJG676—2019《测振仪检定规程》[18],在温度为25 ℃、湿度为50%的室温环境下分别对采集系统加速度幅值频率响应、幅值线性度、频率误差等进行检定校准。

4.1.1加速度幅值频率响应检测

在振动采集仪频率范围内均匀选取7个频率点,检定其幅值频率响应。由标准振动台给出在某一频率下的振动幅值xr,读取该系统的显示值xi;改变标准振动台输出频率,记录不同频率点下幅值测量示值,按公式(1)计算其幅值相对误差,测试数据见表1所列。

表1 加速度幅值频率响应

(1)

式中:δi——幅值频率响应相对误差,%;xi——采集系统加速度、速度、位移幅值测量值,m/s2,mm/s,μm,i——加速度(a),速度(v),位移(A);xri——标准振动台的加速度、速度、位移标准幅值,m/s2,mm/s,μm。

4.1.2幅值非线性度检测

通过选取合适的参考频率点,在该频率下,由标准振动台给出6个均匀分布的振动幅值,记录采集系统的测量示值,按公式(1)计算出每点的相对误差,取最大值即为幅值非线性度。测试数据见表2～4所列。

表2 加速度幅值非线性度

表3 速度幅值非线性度

表4 位移幅值非线性度

4.1.3频率误差检测

在采集系统的测量范围内,选取7个频率点,由标准振动台给出相应的标准频率,记录不同频率下采集系统的频率测量值,按公式(2)计算频率误差,见表5所列。

表5 振动频率测试数据

频率误差计算公式为

(2)

式中:δf——频率误差,%;fi——采集系统实测值,Hz;fr——标准振动台的频率的标准值,Hz。

测试结果表明,在室温条件下,系统加速度幅值频率响应误差为1%,幅值非线性度误差1.8%,频率误差为0.2%,均优于国标要求。

4.2 温湿度稳定性测试

中国新疆地区石油钻井现场夏季的气温可能会超过40 ℃,而冬季的气温则可能降至-20 ℃左右。根据文献[19]中的要求,利用恒温恒湿试验机在实验室条件下模拟钻井现场极端温度、湿度环境,测试该系统的稳定性,具体实验步骤如下:

1)振动采集仪安装于恒温恒湿试验机搁架中间,标准加速度计安装于标准振动台台面,传感器的输出电缆通过试验机的过线孔与振动采集仪连接,设定标准振动台输出频率,xr设为10 m/s2。

2)调整恒温恒湿试验机温湿度,记录采集系统的幅值测量示值,按式(1)计算其幅值相对误差,部分测试数据见表6所列。

表6 不同温度、湿度条件下幅值频率响应

试验结果表明,该采集系统在-30～50 ℃环境条件下,幅值频率响应误差不大于5%,工作稳定可靠,测试结果符合国标要求。

4.3 抗扰度测试

采集系统应用于钻井现场绞车、泥浆泵的状态监测,需要对钻井现场环境中存在的电磁骚扰具有较强的抗扰度,为测试数据采集仪的电磁兼容性,在电磁兼容实验室内,依据文献[20]要求,分别对数据采集仪进行静电放电抗扰度、电快速瞬变脉冲群抗扰度、电涌(冲击)抗扰度三方面进行测试。

4.3.1静电放电抗扰度试验

将待测数据采集仪放置于接地参考平面上高0.8 m的非导电桌上,桌面上的水平耦合板尺寸为1.6 m×0.8 m,并用绝缘支撑将采集仪和电缆与耦合板隔离,利用静电放电测试仪分别对待测采集仪进行空气放电和接触放电,静电放电抗扰度测试及结论见表7所列。

表7 静电放电抗扰度测试及结论

4.3.2电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

将待测数据采集仪与脉冲群发生器正确连接,放置于接地参考平面上,按如下要求进行试验,测性能判定为优,满足设计要求: 重复频率为5 kHz;上升时间为5 ns,持续时间为50 ns;试验等级为±1.0 kV;采用电源端口作为试验端口;试验时间1 min。

4.3.3电涌(冲击)抗扰度试验

将待测数据采集仪放置于试验台面上与三相电涌发生器正确连接,按如下要求进行试验,测试性能判定为优,满足设计要求: 正负极性各5次,间隔时间为1 min,开路电压前沿/脉宽为1.2/50 μs,试验等级为差模为±1.0 kV,试验等级为共模为±2.0 kV,将电源端口作为试验端口。

5 现场试验

为进一步验证该系统性能,2021年10月至2022年3月在新疆某钻井现场对该系统进行了现场试验。根据国家及行业标准中规定的设备振动烈度阈值,结合振动监测数据的趋势分析,钻井泵、绞车设备运行平稳均未超出标准规定的报警阈值。现场试验证明该系统运行稳定,测量准确。

6 结束语

本文研究了1套石油钻机关键设备在线监测与诊断系统,实现了对钻机关键设备的振动、温度、转速、轴心轨迹等参数的同步采集以及无线传输,与国内市场上同类产品相比,该系统具有无线采集与传输、高精度数据采集、较强的抗干扰能力、实时监测与诊断等优势;与国外市场上同类产品相比,该系统性价比更高。目前,该系统已应用于新疆、长庆油田钻井现场,下一步将从丰富采集软件功能着手,利用采集到的数据同钻井现场维修记录相结合,逐步形成个性化诊断标注库,根据钻井泵与绞车运行时间和监测数据,最终实现实时、动态更新的诊断标准库。