剖析石油钻机转盘测控仪器设计应用

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石油开采工作设计的仪器设备种类很多，钻机是其中比较重要的一种设备，从结构上分析来看，地面部分的转盘旋进部分对于其工作性能和工作效果有着重要的影响，对于转盘性能的测试也对其正常工作有一定的影响。为了实现自动化系统化检测，我们创新引入了微处理测量模块，实现了钻机转盘相关数据的数字化测量与测试。对于钻机转盘测控仪器的设计和使用，要从测量硬件和计算软件两个方面进行考虑，才能实现高效率、高性能、高准确度的测量仪器，使石油钻机更加可靠和准确的运行，保证工作效率和使用安全

引言

转盘是石油钻机的重要组成部分，石油开采工作中石油钻机是关键设备，转盘的工作性能也决定了石油钻机的应用效果，其主要性能参数是传递扭矩，决定了带动钻头旋进完成钻进工作。转盘在钻机工作时，主要用于旋进钻头和钻杆的打捞工作、悬挂下杆管住、起钻卸扣、承受涡轮旋进反作用扭矩。钻机转盘的扭矩和转速直接关系到钻井质量和钻井进度，这些工作指标也是钻机工作状态实时监控的主要参数，能够为钻探技术人员提供更加直观的工作反馈，通过这些数据的直观表达，能够更加准确并快速的分析出钻机的负载状态，是否遇到工作问题，如何做出工作调整。

在传统的钻井工作中，对于转盘的监控都是通过模拟表数值反映，模拟仪表虽然也能够反映一些工作数据，但是信息的反馈时效性低，特殊情况下准确度不足，也限制了单一技术人员进行监控。随着钻井技术不断进步，逐渐引入了计算机技术和微控技术，信息化智能化的监控系统的设计与应用变得很有必要，为了响应电气化钻井设备和人性化共享化工作要求，要针对钻机转盘的测控设计和开发更加高效的数字化仪器。

一、转盘测控系统的理论设计

（一）转盘的结构

钻井转盘实际上是一个减速器，多呈“八”字形，主要部件有：底座、转台、各种圆弧齿轮、锥齿轮、链轮、各种轴承。转盘的主要功能就是为钻机旋进提供主要扭矩输出，动力来源于电机和变速传动系统，在动力转换方面将电机提供的水平动力变为旋进所需的垂直动力，转换扭矩使得钻头和钻杆能够按特定方向进行旋进。钻头在下钻和起钻两个过程中需要两个相反的扭矩，所以转盘也应当能够提供这样两种相反的扭矩。另外在钻柱进入地下一定深度后，将扭矩传递入更下级钻头或钻柱时，高速的旋转容易导致丝扣脱落，转盘还应当具有一定的反扭矩中和作用，这样才能更好的避免这样的事故发生。

（二）转盘测控系统的作用和工作原理

转盘测控系统主要有两大测量传感器，霍尔传感器和压力传感器，转盘接受了经过变速传动系统的电机动能在水平轴上产生一系列作用，霍尔元件可以直接获取转速等信息，液压传动系统又可以将压力指标间接的传递给压力传感器，最终将这两种数据传入测控仪器进行表达和分析。液压传动系统主要是把转盘中链轮和轴承之间的扭矩转化为液压，这样就可以将扭矩用压力来表达。霍尔传感器主要是利用脉冲转速传感器将转速用脉冲信号进行表达，利用间接量对直接量进行等效代换，更有利于测控系统的准确运行。测控系统主要接受了来自两大传感器的信号，将该信号等效为扭矩和转速数值并进行直观表达，并且该系统对于数值的接受和表达功能还能提供预警信号，数值在与预设标准之间如果存在误差，将能够将这种误差表达给技术人员。

二、测控系统的硬件

（一）硬件结构

使用微芯片和微处理器进行数据的读写是高效的，我们采用一种适用性能良好的互补金属氧化物半导体芯片作为主要处理单元，该单元具有8KB大小的ROM可用于存放数据和微程序，另外还有256B大小的RAM，对于数据的处理速度效率比较高。以该芯片作为系统处理核心，转盘感应器的信号独处通过信号放大和转换设备转换成芯片可处理信号进行导入，导出方面则可以使用显示器和打印机等对数据表达进行收集。另外，系统中还可以接入外部存储设备，能够将历史数据整体保存，方便后续的数据分析和处理。

（二）测控电路

一、信号放大和转换电路，把传感器传入的脉冲信号等核心不可直接处理的信号调整成互补金属氧化物半导体芯片可处理的高低电平信号。

二、用户交互电路，由I/O电路构成，可以接入输入设备如键盘、输出设备如显示器、打印机、报警器等。键盘作为主要的输入单元，能够实现芯片预编程和相关数据的预设；显示器是最直观的数据表达设备，芯片将处理的数据直接以可视化内容表达在显示器上，技术人员能够更好的实现监控；打印机则是将信息以纸质内容显示出来，有利于数据的保存；信号报警器则更好的实现无人值守化，遇到数据错误或其他异常，可以通过声音和灯光进行提醒。

三、核心电路，通过互补金属氧化物半导体微芯片的中央处理，对数据进行初步计算。

四、可选电路，通讯模块和时钟模块。通讯模块能够直接将传感器信号作为信息向其他已连接设备传输，提供了工作协作效率。时钟模块则将测量信息与精确的时间对应起来，这样的数据分析起来能够得到更多的准确结论。

三、软件设计

基于微芯片处理的测控系统，软件的设计是将硬件与设计目的紧密结合的关键，也是整个系统正常工作的关键。软件设计要保证运算速度快、数据处理精确、高性能。软件要能够对数据进行精确的计算，还要能够减少人工参与量，最大程度保证系统的完整运行。

（一）监控程序

监控程序对应系统的中央处理核心，应当具有对所有数据进行管理的功能，要能够将输入参数保留、能够将操作信号反映到各个模块电路。监控程序也是整个软件系统各个功能的主入口，在监控程序中能够通过不同的键功能映射到其他程序功能，为此监控程序要提供诊断程序入口、预设程序入口、查询与打印程序入口、登录与退出程序入口等，各个键功能对应子程序，子程序功能完成后能够回到监控主程序进行下一步操作要求。

（二）服务程序

为了满足实际的钻井工作需要，对于转盘工作的实时数据要求较高，周期性数据采样成为测控的关键，所以要设计定时中断-响应程序，主要完成周期采集数据、保存数据、现实周期内现实采样数据。主要工作原理在通过中断-响应条件的设计，出发中断条件，各数据处理模块开始工作，将所需要的数据进行采集和处理，将数据显示并存储，在将中断条件恢复，系统继续原始运行状态。中断体现在人工介入的参与，响应体现在暂停系统目前工作流程，将中断时的工作状态进行保存，现行处理中断条件要求，完成后在从以保存的工作状态进行回复。这大大加强了系统的可操作性和可控性。

结语

石油钻机转盘测控系统的设计需要结合实际使用情况，还可以根据工作要求添加其他的功能和设备，数据传感器越多对于转盘工作状态把握也就越准。为了实现钻机工作系统化，规范系统设计理论，微处理、模块化的系统设计能够为转盘测控提供更加可靠的工作价值。

参考文献

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[3]黄建勋，吴光强，王立军.液力变矩器轴向力计算与优化[J].佳木斯大学学报（自然科学版）.2012（01）.

（作者单位：辽宁石油化工大学）