随钻仪器地面工控计算机研究
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1概述
随着大斜度井、水平井以及海上钻井作业的增加，随钻测井在国内外已发展成为成熟的测井技术，随钻测井取代电缆测井已成为必然的趋势。我国要紧跟世界石油工业先进技术的发展步伐，实现跨越式发展，达到提高国内随钻测井技术水平的目的，就要有发展随钻测井技术的新思路。工控计算机是整个系统的重要组成部分，可以把采集的井下被测参数的瞬时值随时间的变化过程记录下来，并进行数据处理，实现地层和构造模拟与解释，完成地层评价，是钻井决策的最重要依据。
2地面系统工作原理及研究内容
地面系统主要由传感器组（包括压力传感器、井深跟踪传感器、大钩载荷传感器）、接线盒、司钻显示器、井下数据采集处理仪、工控计算机、打印机/绘图仪构成。井下数据采集处理仪为压力传感器、井深跟踪传感器、大钩载荷传感器、司钻显示器提供安全的工作电压、电流，传感器组将检测到的各组电压或者电流信号经接线盒传输到井下数据采集处理仪及工控计算机中的数据采集卡，工控计算机在现场把信号较高精度地转换成数字量，对其进行处理、计算，得到有关测量数据。并且能通过远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到其他控制器中。本次对工控计算机的研究工作主要有：①计算机的选型；②数据采集卡的选型与设计。借鉴现有的成果，吸收成熟的技术；外购设备的选择上，采用稳定的产品，以能满足实际工作情况为第一目标，争取在最短的时间内完成样机的研制与测试。
3工控计算机的选型
工控计算机是地面系统的大脑，为了确保计算机能够在现场复杂恶劣的自然环境中可以长时间无故障运行，所以采用工业控制计算机（工控机）作为系统软件计算机。工控机（IndustrialPersonalComputer—IPC）是一种加固的增强型个人计算机，它可以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。通俗地说就是专门为工业现场而设计的计算机，而工业现场一般具有强烈的震动，灰尘特别多，另有很高的电磁场力干扰等特点，且一般工厂均是连续作业即一年中一般没有休息。因此，工控机与普通计算机相比具有以下特点：（1）机箱采用符合“EIA”标准的全钢化工业机箱，增强了抗电磁干扰能力，有较高的防尘、防冲击的能力。（2）机箱内有专用底板并采用总线结构和模块化设计技术。CPU及各功能模块皆使用插板式结构，并带有压杆软锁定，提高了抗冲击、抗振动能力。随着工控机被大量用于工业现场，基于母板的系统是不灵活的，为了修复或更新系统需要更换整个母板。更换母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和电缆都拔掉。这就导致修复或更新时系统停机时间增加，这在工控现场是不可接受的。因此工程师们想到另外一个方法，取消母板架构，而把核心的CPU处理单元做在一张插卡上，其它的扩展界面则做在底板上，底板是由一些连接器和无源器件组成的。这种结构使得系统更新和修复简单而且停机时间最少。这种设计理念影响了整个工控机的发展。（3）机箱内装有双风扇，正压对流排风，并装有滤尘网用以防尘。（4）机箱内有专门电源，有过压、过流保护，并有较强的抗干扰能力。（5）要求具有连续长时间工作能力。（6）电源及键盘均带有电子锁开关，可防止非法开、关和非法键盘输入。（7）开放性好，兼容性好，吸收了PC机的全部功能，可直接运行PC机的各种应用软件。（8）可配置实时操作系统，便于多任务的调度和运行。（9）一般采用便于安装的标准机箱（4U标准机箱较为常见）此整体架构也有助于整体系统的散热。除了以上的特点外，其余特点与普通计算机基本相同。另外，由于以上的专业特点，同层次的工控机在价格上要比普通计算机稍高。因此我们选择工控机作为整套地面设备的系统软件计算机。压力传感器和数据采集卡的选型：进口的由壬式压力传感器价格昂贵（5000美元左右），国产的螺纹扣式压力传感器虽然价格相对便宜（3000元人民币左右），虽然在耐用性上与进口的由壬式压力传感器相比有很大的差距，但可以在国产螺纹扣式压力传感器的基础上，进行改进，提高耐用性又可以合理的控制成本（5000元人民币左右）。目前样品已经设计制作完成，车间测试效果良好。压力传感器的信号采集工作是由工控计算机内的一块附加数据采集卡完成的。压力传感器输出的电压或者电流信号通过数据采集卡在现场把信号进行采样、保持，并送入A/D转换器（模数转换器）变成数字信号，然后将该信号送到FIFO（先进先出的数据缓存器）中。当FIFO中存放的数据到了一定数目时，由处理器从FIFO中读出，然后通过远传通信技术（如485、232、以太网、各种无线网络）把数据传到计算机或者其他控制器中进行处理。数据采集卡选用美国国家仪器有限公司（NationalInstruments）的PCI-6030E数据采集卡，如图2所示。NIPCI-6030E具有可靠的数据采集能力，其指标可达16位分辨率的16路单端模拟输入和100kS/s的采样率，NIPCI-6030E读写不同类型的硬盘的速度最大可达100kS/s，可满足绝大多数应用的要求。
4数据采集子卡的设计
此款数据采集子卡与PCI-6030E数据采集卡配合使用。此款数据采集子卡所涉及的电子元器件对工作环境没有特殊要求（-20℃~70℃），均为市面上正在销售的产品，采购方便。数据采集子卡原理图及PCB电路图如图3所示，实物如图4所示。
5通讯方式
工控计算机与井下数据采集处理仪可以通过ARCNET（采用光纤或者网线作为传输介质）、RS232等传输方式进行数据交换。光纤通信容量大并且频带宽，可利用的带宽约为50000GHz；损耗低，中继距离长；并且光纤是绝缘体材料，它不受自然界的雷电干扰、电离层的变化和太阳黑子活动的干扰，也不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰。因此大多地面设备的系统软件计算机为了确保数据传输的速度、准确、稳定，采用ARC⁃NET的方式。但应用此方式还需另选择了光纤卡，以光纤卡PCX20-FOG-ST为例，售价在人民币5000元左右，所以应用ARCNET的方式成本较高。因系统软件计算机与井下数据采集处理仪正常工作时，距离很近（不足1m），并且之间传输的数据量不大，RS232传输方式也可满足工作需要。为减少成本，选择RS232传输方式，需注意的是，所用电缆必须做好屏蔽，以阻止电磁等干扰，这样既满足了数据传输的速度、准确和稳定性，又控制了成本。工控计算机与井下数据采集处理仪之间传递数据的数据电缆选择百通（Belden）的产品，数据接头的选择上，决定选用雷莫（Lemo）的产品。不但可以保证井场数据传输的质量，还可以保证与已有设备良好的兼容性，接线关系如图5所示。
6应用前景
本项目研究成功后，解决了LWD随钻仪器井下工具通讯问题和地面的测井解释问题，并优化了定向模块和电阻率模块，提高了自主研发的随钻测井仪器的稳定可靠性，为具有自主知识产权的随钻测井仪器奠定更加坚实的基础，降低了LWD应用成本，应用前景广阔。
作者:尹金东 李昌红 蒋韬 单位:钻井工程技术研究院 大庆油田第一采油厂第四油矿