CN105298467A - 一种分布式数据采集的钻机参数监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式数据采集的钻机参数监测系统，包括数据集中处理单元、司钻台操作单元、OPC服务器和数据采集模块，所述数据集中处理单元包括数据处理核、数据存储单元、现场总线接口1～3、通信接口4，通过现场总线接口2和3与多个数据采集模块连接，获取每个数据采集模块的测量数据，数据处理核对数据进行处理存储后，通过现场总线接口1与司钻台操作单元交互，通过通信接口4与OPC服务器交互；所述数据采集单元包括数据处理核、CAN通信接口和RS-485通信接口、模拟信号整型电路、电信号测量单元和数据存储单元，应用多种现场总线技术，具有良好的开放性和高度的分散性。

Description

一种分布式数据采集的钻机参数监测系统

技术领域

本发明涉及石油钻机运行参数采集与处理技术领域，尤其涉及一种在钻井生产过程中对钻机运行参数进行分布式数据采集，并对钻机工作过程进行控制的钻井参数监测系统。

背景技术

钻井是石油勘探开采过程中的主要手段，钻井参数仪表是钻井工程的眼睛，目前广泛应用于钻井生产过程中的实时监测钻井参数的系统，一般由多个传感器、集中数据采集单元和现场处理计算机等组成。多个传感器连接在钻机的不同部件上，将钻机的转盘转速、转盘扭矩、立管压力和大钩负荷等多个状态转换成数字量、模拟电压或4～20mA电流等信号，所有传感器的输出信号全部连接到集中数据采集单元，经集中数据采集单元的计算机进行A/D采集和数据标度转换后，再将数据传送给现场处理计算机，如司控计算机等(如发明专利CN203547704U，一种通用钻机钻井参数仪)。这种钻机参数监测系统存在着明显的缺点：采用集中式的数据采集和处理模式，集中数据采集单元担负着计算、存储和通信处理功能，负荷非常大、功能过于集中，一旦集中数据采集单元出现的问题，整个系统将瘫痪；采用集中式的钻井参数仪，现场布线复杂，拆装维修困难。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种分布式数据采集的钻机参数监测系统，以实现对石油钻机运行参数的采集、存储和司钻控制等，克服现有技术中钻井参数监测不全面、系统功能难于扩展、现场布线困难及系统功能易瘫痪等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种分布式数据采集的钻机参数监测系统，包括数据处理单元、司钻台操作单元、数据采集模块和OPC(OLEforProcessControl)服务器。

所述数据采集模块连接于安装在钻机上的传感器，实时测量传感器输出信号，经计算后得到被测参数的工程值，通过现场总线连接于数据处理单元，将工程值传送给数据处理单元；所述数据处理单元通过现场总线2～3连接于多个数据采集模块，获取钻机运行实时参数，处理和运算后经现场总线接口1将数据推送给司钻台控制单元；所述司钻台操作单元连接于数据处理单元，将钻机运行参数以图表、文本和曲线形式显示，也提供司钻操作按钮；所述OPC服务器连接于数据处理单元，将数据处理单元的实时数据存入数据库，通过OPC接口向钻机电气控制系统提供钻机运行参数。

优选地，所述数据处理单元的现场总线接口1和2为CAN(控制局域网络)通信接口，现场总线接口3为RS-485通信接口，通信接口4为以太网接口。

优选地，所述数据采集模块，包括微处理核、现场总线接口1和现场总线接口2、模拟信号整型电路和电信号测量单元，其功能是将钻机运行的物理量，经传感器转换成电压、电流、脉冲或频率信号，经电信号测量单元转换成数字量，并按照对象的数学模型转换成对应实际物理量的工程值，然后通过现场总线主动推送给数据处理单元，或数据处理单元定时查询获取测量数据。

优选地，所述OPC服务器，在获取数据处理单元的钻机运行参数后存储在OPC服务器中，并提供一套标准的OPC接口及其服务程序，钻机电气控制系统同时具备OPC接口，两个接口互连以实现钻机参数监测系统与钻机电气控制系统之间的数据交互。

如所述技术方案，本发明具有以下效果：

所述钻井参数监测装置突破集中式采集参数的传统结构，采用分布式数据采集方式，应用多种现场总线技术，将钻机运行参数的采样和计算分布到各个参数采集模块，使系统具有良好的开放性和高度的分散性，参数测量精度高、测量参数广泛、显示操控方便，现场安装便捷，从设计、安装、调试和运行维护等多方面满足了石油钻机参数监测的要求。

附图说明

图1显示为本发明在实施例一的整体结构示意图

图2显示为本发明在实施例一的数据处理单元的具体结构示意图；

图3显示为本发明在实施例一的数据采集模块的具体结构示意图；

图4显示为本发明在实施例二的结构示意图；

图5显示为本发明在实施例三的结构示意图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所提示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一：

本发明提供的一种分布式数据采集的钻机参数监测系统，包括数据处理单元100、司钻台操作单元200、OPC服务器300和数据采集模块400。请参阅图1～3，其中图1示出了钻机参数监测装置实施例一的结构示意图，图2示出了实施例一中数据处理单元100的具体结构示意图，图3示出了实施一中数据采集模块400的具体结构示意图。

所述数据处理单元100包括数据处理核110、数据存储单元120、现场总线接口1～3(130、140和150)、通信接口4(160)；所述数据处理单元100通过总线接口1(130)与司钻台操作单元200连接；通过现场总线接口2(140)与多个数据采集模块400连接，获取每个数据采集模块400的测量参数；也可通过现场总线接口3(150)与多个数据采集模块410连接，获取其输出参数；通过通信接口4(160)与OPC服务器(300)连接。所述司钻台操作单元200与数据处理单元100的现场总线接口1(130)连接。数据采集模块400包括数据存储单元401、微处理核402、CAN通信接口405或RS-485通信接口406、模拟信号整型电路404和电信号测量单元403，安装在钻机上的传感器500连接于模拟信号整型电路404，通过CAN通信接口405或RS-485通信接口406连接到数据处理单元100。OPC服务器300包括工业服务器310、通信接口5(320)和通信接口6(310)，通过通信接口5(320)连接于数据处理单元100，通过通信接口6(310)连接于钻机电气控制系统600。

所述数据处理单元100，主要功能在于通过现场总线接口140(或150)获取多个数据采集模块400(或410)的实时采集参数，在处理和存储后，再通过现场总线接口1(130)发送给司钻台操作单元200进行实时数据显示和钻进过程的操作控制，同时通过通信接口4(160)将钻机运行实时参数发送给OPC服务器300，经OPC服务器300的通信接口6(310)与钻机电气控制系统600进行信息交互。

所述司钻台操作单元200，其功能是为司钻台的操作人员提供全面、准确、直观的钻机运行参数，司控台的操作人员根据运行参数，对钻机的钻进过程进行控制。

所述OPC服务器300，其功能是通过通信接口5(320)获取数据处理单元100的钻机运行参数，并存储在工业服务器中，OPC服务器300提供一套标准的OPC接口及其服务程序，即通信接口6(310)，钻机电气控制系统600也具有OPC接口，两个接口互连以实现钻机参数监测装置与钻机电气控制系统600之间的数据交互。

所述数据采集模块400，其功能是将钻机运行的物理量，经传感器500转换得到与物理量对应的电压、电流、脉冲或频率等信号，经模拟信号整型电路404、电信号测量单元403转换成对应的数字量，并转换成对应物理量的工程值，然后通过CAN总线将工程值主动推送数据给数据处理单元100，或数据处理单元100通过CAN总线或RS-485总线定时查询获取测量数据。

所述数据采集模块400的现场总线接口有CAN通信接口405和RS-485通信接口406。

所述数据采集模块400通过CAN总线与数据处理单元100数据交互的具体步骤如下：

1)上电后，数据采集模块400读取数据存储单元401内的配置数据，若配置数据中的数据传输模式为数据主动更新模式，则读取数据主动上传间隔时间Δt1和通信超时时间Δt2，进入2)，否则为数据被动访问模式，进入7)；

2)以Δt1为定时单位启动定时器T1，当定时Δt1结束时；

3)数据采集模块400将工程值送入CAN通信接口405发送缓冲区，同时以Δt2启动定时器T2；

4)若在定时Δt2结束前收到数据处理单元100的响应命令，则本次数据主动更新成功，停止定时器T2，并进入6)；

5)若到定时Δt2结束时都没有收到数据处理单元100的响应命令，则本次数据主动更新失败，立即重复3)和4)，如果本次数据主动更新仍失败，再次重复3)和4)，若依然失败，则本数据采集单元400与数据处理单元100之间的通信有故障，进行相应的报警提示；

6)立即启动下一次Δt1定时，并重复2)～6)，直到装置下电退出；

7)等待数据采集模块400的CAN通信接口405收到数据处理单元100发送来的数据查询命令，当收到查询命令时，立即将实时测量计算的工程值送入CAN通信接口405的发送缓冲区，并重复7)，直到装置下电退出。

实施例二：

为了具体而详细的说明本发明的工作原理和实现方式，在以上所述实施例一的技术方案的基础上，再例举本发明钻机参数监测装置的应用作进一步优选地实施方式。

请参阅图4，图4示出了所述钻机参数监测系统在实施例二的结构示意图。本实施例中应用了数据处理单元100的现场总线接口1～2和通信接口4，其功能是实时采集钻机运行数据，处理后将数据传送给司钻台和钻机电气控制系统，指导操作人员进行钻进操作。数据处理单元100与多个数据采集模块400通过CAN总线连接，实时获得钻机的运行参数，经处理和存储后，将钻机的运行参数和状态通过现场总线接口1发送给司钻台操作单元200；同时将钻机的运行参数通过通信接口4连接于OPC服务器，OPC服务器将运行参数存入数据库后，通过OPC接口与钻机电气控制系统600交互数据。

实施例三：

请参阅图5，图5示出了所述钻机参数监测系统在实施例三的结构示意图。本实施例中应用了数据处理单元100的现场总线接口1和3，其功能是实时采集钻机运行数据，处理后并将数据传送给司钻台，指导操作人员进行钻进操作。数据处理单元100与多个数据采集模块410通过RS-485总线连接，实时获取钻机的运行参数，经过计算、判断和存储后，将钻机的运行参数和状态通过现场总线接口1发送给司钻台操作单元200。

上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所提示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要所涵盖。

Claims (4)

1.一种分布式数据采集的钻机参数监测系统，其特征在于，包括：

数据处理单元，包括数据处理核、数据存储单元、现场总线接口1～3、通信接口4，数据集中处理单元通过现场总线接口1连接于司钻台操作单元，通过现场总线接口2和3与多个数据采集模块连接，获取数据采集模块的输出数据，通过通信接口4与OPC(OLEforProcessControl)服务器连接；

司钻台操作单元，连接于数据集中处理单元的现场总线接口1，显示数据集中处理单元的测控数据，并对钻机工作过程进行操作控制；

数据采集模块，包括数据处理核、CAN(控制局域网络)通信接口和RS-485通信接口、模拟信号整型电路、电信号测量单元和数据存储单元，钻机上的传感器连接于模拟信号整型电路，通过CAN通信接口或RS-485通信接口分别连接到数据处理单元的现场总线接口2或3；OPC服务器，包括工业服务器、通信接口5和通信接口6，通过通信接口5连接于数据处理单元的通信接口4，并通过通信接口6与钻机电气控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：所述现场总线接口1和2为CAN通信接口，现场总线接口3为RS-485通信接口。

3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：多个数据采集模块通过CAN总线或RS-485总线与数据处理单元串行连接，组成总线型网络拓扑。

4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于：OPC服务器提供一套标准的OPC接口，连接于钻机电气控制系统的OPC接口，实现钻机参数监测系统与钻机电气控制系统之间的数据交互。