CN205027884U - 一种基于单片机的井下电源参数采集系统 - Google Patents

Abstract

一种基于单片机的井下电源参数采集系统。系统包括井下参数采集单元和地面参数显示单元，井下参数采集单元与井下电源系统相连接，包括处理器、参数测量单元、系统复位单元、参数存储单元、串口通信单元和时钟同步单元；地面参数显示单元包括计算机、参数显示单元、远程控制单元、内存管理单元和状态显示单元。本实用新型效果：在智能钻井工具的供电电源中，通过增设参数采集电路，可监测、记录井下电源系统的工作状态以及电源系统出现故障时各环节的电压、电流值变化情况，为智能钻井工具电源系统的故障分析、维修保养提供了客观、真实的测量数据，避免了仅依靠地面检测造成的故障误判、风险失察的隐患，缩短了智能钻井工具的维修保养周期。

Description

一种基于单片机的井下电源参数采集系统

技术领域

本实用新型属于石油、天然气钻井设备技术领域，特别是涉及一种基于单片机的井下电源参数采集系统。

背景技术

智能钻井工具的供电电源负责为电子控制单元、驱动单元等提供符合用电需求的稳定直流电能，是整个智能钻井工具运行的动力来源，其工作状况的好坏直接影响到智能钻井工具能否安全、正常、稳定地工作。

井下电源系统通常采用交流-直流-直流变换的供电策略，以满足在井下恶劣工作条件下不同用电负载需求，这种供电方法是由泥浆涡轮发电机产生低频三相交流电能，经整流滤波后，采用稳压电源技术进行直流-直流变换，缺点是结构复杂，中间环节多，任何一个环节出现问题都可能造成输出电压异常，若没有对井下电源关键节点参数的实时监测和记录，必然会导致故障排查困难，安全隐患难以完全消除，而对于设置了节点监测、记录功能的井下电源系统，参数采集部分在结构设计、检测方法上的好坏将直接影响其在高温、振动、冲击环境下工作的稳定性和测量精度，若测量数据误差大，地面工作人员将无法根据测量数据对井下电源系统工作状况做出正确的分析决策，甚至会得出完全错误的结论，从而严重影响智能钻井工具的维修保养周期、安全性、稳定性及使用寿命。

因此，设计一种基于单片机的井下电源参数采集系统，在井底恶劣工作条件下，实现对井下电源的关键节点处的电压、电流以及发电机转速等参数的测量，用于监控智能钻井工具供电系统的工作状况，为智能钻井工具的故障分析提供客观、真实的测量数据，具有重要的价值和意义。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型的目的在于提供一种基于单片机的井下电源参数采集系统。

为了达到上述目的，本实用新型提供的基于单片机的井下电源参数采集系统包括：井下参数采集单元和地面参数显示单元，其中：井下参数采集单元为设置在智能钻井工具探管中的数据采集装置，其与井下电源系统相连接，用于实时采集井下电源系统的相关信息；井下参数采集单元包括：处理器、参数测量单元、系统复位单元、参数存储单元、串口通信单元和时钟同步单元；处理器分别与参数测量单元、系统复位单元、参数存储单元、串口通信单元和时钟同步单元相连接；地面参数显示单元包括：计算机、参数显示单元、远程控制单元、内存管理单元和状态显示单元；其中：计算机分别与参数显示单元、远程控制单元、内存管理单元和状态显示单元连接，计算机通过RS-485串行通信接口与参数采集单元中的串口通信单元相连接。

所述的参数测量单元包括：发电机转速测量单元、整流电压测量单元、均流电流测量单元和输出电压测量单元，其中：发电机转速测量单元与泥浆发电机的三相交流电能输出端的某一相连接，发电机转速测量单元对泥浆发电机的相电压进行半波整流后转换成方波信号进行测量；整流电压测量单元的输入端与整流滤波电路的输出端连接，用于采集整流滤波电路的输出电压信号；均流电流测量单元的多个输入端分别与多个直流-直流变换电路的输出端连接，用于采集各直流-直流变换电路的输出电流信号；输出电压测量单元的输入端同时与各直流-直流变换电路的输出端连接，用于采集井下电源系统的输出电压信息；发电机转速测量单元、整流电压测量单元、均流电流测量单元和输出电压测量单元的输出端均与处理器连接。

所述的处理器采用飞思卡尔公司的HC9S12系列单片机。

本实用新型的有益效果是：在智能钻井工具的供电电源中，通过增设参数采集电路，可监测、记录井下电源系统的工作状态以及电源系统出现故障时各环节的电压、电流值变化情况，为智能钻井工具电源系统的故障分析、维修保养提供了客观、真实的测量数据，避免了仅依靠地面检测造成的故障误判、风险失察的隐患，缩短了智能钻井工具的维修保养周期，提高了智能钻井工具井下工作的安全性、稳定性和使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型提供的基于单片机的井下电源参数采集系统的结构示意图。

图2为本系统中井下参数采集单元所采用的参数采集控制方法流程图。

图3为本系统中地面参数显示单元所采用的控制方法流程图。

图4为本实用新型一实施例的地面参数显示单元软件运行界面。

图5为本实用新型一实施例的井下电源参数采集系统测试数据回放界面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型提供的基于单片机的井下电源参数采集系统进行详细说明。

如图1所示，本实用新型提供的基于单片机的井下电源参数采集系统包括：

井下参数采集单元2和地面参数显示单元3，其中：井下参数采集单元2为设置在智能钻井工具探管中的数据采集装置，其与井下电源系统1相连接，用于实时采集井下电源系统1的相关信息；

井下电源系统1为安装在智能钻井工具中的直流供电设备，用于为智能钻井工具的电子测量、控制单元14供电，其包括：泥浆发电机11、整流滤波电路12、多个直流-直流变换电路13，其中：整流滤波电路12的输入端与泥浆发电机11连接、输出端与多个直流-直流变换电路13的输入端连接，多个直流-直流变换电路13的输出端均与电子测量、控制单元14连接。

井下参数采集单元2包括：处理器21、参数测量单元22、系统复位单元23、参数存储单元24、串口通信单元25和时钟同步单元26；处理器21分别与参数测量单元22、系统复位单元23、参数存储单元24、串口通信单元25和时钟同步单元26相连接；

参数测量单元22包括：发电机转速测量单元221、整流电压测量单元222、均流电流测量单元223和输出电压测量单元224，其中：发电机转速测量单元221与泥浆发电机11的三相交流电能输出端的某一相连接，发电机转速测量单元对泥浆发电机11的相电压进行半波整流后转换成方波信号进行测量；整流电压测量单元222的输入端与整流滤波电路12的输出端连接，用于采集整流滤波电路12的输出电压信号；均流电流测量单元223的多个输入端分别与多个直流-直流变换电路13的输出端连接，用于采集各直流-直流变换电路13的输出电流信号；输出电压测量单元224的输入端同时与各直流-直流变换电路13的输出端连接，用于采集井下电源系统1的输出电压信息；发电机转速测量单元221、整流电压测量单元222、均流电流测量单元223和输出电压测量单元224的输出端均与处理器21连接；

处理器21为以单片机芯片为核心的控制器电路；系统复位单元23用于对处理器21的工作状态进行实时监测，当处理器21的供电电压低于阈值电压或处理器21中的单片机芯片工作异常时，由系统复位单元23进行处理器21的复位操作；参数存储单元24为外置的16M低功耗flash存储芯片，用于按设定的时间间隔对处理器21处理后的参数信息进行存储，时钟同步单元26用于提供与地面参数显示单元3中的计算机31同步的时钟信息，此时钟信息作为存储参数和处理器21处理后的测量参数一起保存至参数存储单元24中，串口通信单元25为RS-485通信接口电路，用于实现处理器21与地面参数显示单元3间的连接。

地面参数显示单元3为设置在地面上的控制操作台，其与井下参数采集单元2相连接，用于井下参数采集单元2采集信息的显示、存储以及对井下参数采集单元2的参数设置，地面参数显示单元3包括：计算机31、参数显示单元32、远程控制单元33、内存管理单元34和状态显示单元35；其中：计算机31分别与参数显示单元32、远程控制单元33、内存管理单元34和状态显示单元35连接，计算机31通过RS-485串行通信接口与参数采集单元2中的串口通信单元25相连接；

本系统的工作过程如下：泥浆发电机11产生的三相交流电能经整流滤波电路12处理后输出粗直流电能，然后由直流-直流变换电路13将粗直流电能转换成适合不同电子测量、控制单元14需求的稳定直流电能，根据电子测量、控制单元14所需功率大小，当单一直流-直流变换电路13无法满足要求时，可采取多个直流-直流变换电路13并联均流的方式进行电能供给；参数测量单元22主要完成对发电机转速、整流电压、均流电流和电源输出电压的测量，处理器21采用飞思卡尔公司的HC9S12系列单片机，内置8通道10位A/D转换器，可完成对整流电压测量单元222、均流电流测量单元223和输出电压测量单元224输出信号的A/D转换，处理器21接收的发电机转速测量单元221的测量值为直流方波信号，采用输入/输出端口下降沿有效的方式，在规定的采样间隔内进行下降沿统计，处理后的数据保存至参数存储单元24中，处理器21通过串口通信单元25可实现与计算机31的信息交互，时钟同步单元26在处理器21的控制下通过串口通信单元25与计算机31的时钟保持一致；在地面参数显示单元3中，计算机31为控制核心和显示设备，采用C++Builder编程软件实现各功能模块，其中参数显示单元32可实现对井下参数采集单元2测量参数的显示，远程控制单元33可实现井下参数采集单元2的参数初始化和参数存储单元24中存储芯片的擦除，内存管理单元34可用于读取井下参数采集单元2的参数存储单元24中的数据，进行数据的回放和保存；状态显示单元35可显示井下参数采集单元2的参数采集时间、时间间隔、数据帧数、软件版本等系统信息。

如图2所示，本系统中井下电源参数采集单元2所采用的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤S201、初始设置：测量前，对处理器21自身参数进行设置，包括I/O口、定时器、中断等，并根据测量需求和参数存储单元24中存储芯片的大小设置参数采样的时间间隔；

步骤S202、读取测量参数：在规定的采样时间到来时，处理器21通过参数测量单元22接收包括发电机转速、整流电压、输出电压、多路均流电流在内的测量参数信息；

步骤S203、测量参数转换：发电机转速参数为直流方波信号，处理器21设置为输入/输出端口下降沿计数，处理器21对上述直流方波信号进行滤波后统计采样时间间隔内下降沿数目，由此计算出发电机转速值，并对包括整流电压、输出电压、多路均流电流在内的模拟参数进行A/D转换；

步骤S204、误差补偿：在泥浆发电机11转速范围内计算参数测量值与真实值之间的误差，并利用最小二乘法进行误差补偿；

步骤S205、保存测量参数：处理器21读取时钟同步单元26的时间信息，将其作为存储参数和处理器21处理后的测量参数一起保存至参数存储单元24中。

如图3所示，本系统中地面参数显示单元3所采用的控制方法包括按顺序进行的下列步骤：

步骤S301、串口参数设置：在地面参数显示单元3中设置串口参数，并进行串口通信；

步骤S302、读取系统状态信息：利用内存管理单元34读取参数存储单元24中包括版本、工具编号、文件保存日期、采样时间间隔、数据帧数在内的状态信息，显示于状态显示单元35中；

步骤S303、系统工作状态判断：判断系统是否处于地面测试阶段，若处于地面测试状态，转步骤S304，否则，转步骤S306；

步骤S304、井下参数采集单元初始化：对智能钻井工具进行地面测试时，通过串口通信单元25实现井下参数采集单元2和地面参数显示单元3的信息交互，测试前利用远程控制单元33进行系统初始化和时钟同步操作，擦除参数存储单元24中存储芯片内的原有数据，保持井下参数采集单元2的时钟与计算机31的时钟一致；

步骤S305、实时显示测量参数：对智能钻井工具进行地面测试时，参数显示单元32实时显示井下参数采集单元2测量得到的参数值；

步骤S306、参数回放、存储：利用内存管理单元34通过串口通信单元25获得井下参数采集单元2中参数存储单元24内的数据，并对数据进行回放，最后保存为EXCEL表格形式。

如图4所示本实用新型一实施例的地面参数显示单元软件运行界面，包括参数显示单元32、远程控制单元33、内存管理单元34和状态显示单元35。其中，远程控制单元33包括“串口连接/关闭串口”按钮、“系统复位”按钮和“时钟同步”按钮，用于与井下参数测量单元2进行串口通信、时钟同步和处理器21的复位操作；参数显示单元32包括参数显示列表框和“开始测试/停止测试”按钮，用于井下参数测量单元2测量参数的实时显示；状态显示单元35包括状态信息列表框和“信息读取”按钮，用于显示智能钻井工具的状态信息；内存管理单元34包括“内存读取”按钮、“内存回放”按钮和“内存存储”按钮，用于井下参数测量单元2测量参数的回放、保存。

本系统的工作过程包括下列步骤：

步骤一：点击远程控制单元33中“串口连接”按钮，选择相应串口，建立井下参数采集单元2中处理器21和地面参数显示单元3中计算机31之间的通信联系，连接建立后，“串口连接”按钮标题变为“关闭串口”；

步骤二：点击状态显示单元35中“信息读取”按钮，地面参数显示单元3中计算机31通过串口通信单元25从井下参数测量单元2的处理器21中读取当前使用的软件版本、当前测试的工具编号、井下参数采集单元2的参数存储单元24中最新存储文件的日期、处理器21中设置的采样时间间隔以及井下参数采集单元2的参数存储单元24中已保存数据的帧数；

步骤三：点击远程控制单元33中的“系统复位”按钮，进行井下参数采集单元2中处理器21的复位控制并擦除井下参数采集单元2中参数存储单元24中的所有参数测量数据；

步骤四：点击远程控制单元33中的“时钟同步”按钮，使井下参数采集单元2中时钟同步单元26与地面参数显示单元3中计算机31的时间保持一致；

步骤五：点击参数显示单元32中“开始测试”按钮，“开始测试”按钮标题变为“停止测试”，同时远程控制单元33、内存管理单元34、状态显示单元35中的按钮全部变为灰色不可用状态，参数显示单元32中的列表框开始按照设定的采样间隔显示井下参数采集单元2的测量数据，状态显示单元35中数据帧数一项实时更新采样帧数；

步骤六：测试完成后，点击参数显示单元32中的“停止测试”按钮，远程控制单元33、内存管理单元34、状态显示单元35中的按钮全部恢复可用状态；

步骤七：点击内存管理单元34中“内存读取”按钮，地面参数显示单元3的计算机31通过串口通信单元25读取井下参数测量单元2的参数存储单元24中保存的参数测量数据；

步骤八：点击内存管理单元34中“内存回放”按钮，地面参数显示单元3的计算机31以表格形式显示读取的参数测量数据；

步骤九：点击内存管理单元34中“内存保存”按钮，地面参数显示单元3的计算机31以EXCEL表格形式保存读取的参数测量数据。

如图5本实用新型一实施例的井下电源参数采集系统测试数据回放界面，测试条件为发电机转速3000RPM，采用4个直流-直流变换模块并联的方式，连接恒流型电子负载，第1组至第7组数据负载电流1A，第8组至第20组数据负载电流1.5A，每组数据依次显示测量时间-整流电压-输出电压-均流电流1至4-发电机转速-数据校验信息。

本系统工作时，当智能钻井工具处于地面测试阶段时，可通过串口通信单元25连接井下参数测量单元2和地面参数显示单元3，设置泥浆发电机11在不同转速下工作，电子测量、控制单元14连接恒流型电子负载，测试其在不同负载下的工作情况。使用地面参数显示单元3进行实时监测时，首先进行串口连接，串口连接成功后进行系统复位和时钟同步操作，可选择显示状态信息，点击参数显示中的“测试”按钮，则实时显示井下参数测量单元2的测量参数值，该测量参数值同时保存在井下参数测量单元2的参数存储单元24中，可通过内存管理单元34中的“内存读取”按钮获得井下参数测量单元2的参数存储单元24中的参数值，可通过内存管理单元34中的“内存存储”按钮将读取的参数值保存至计算机31中供后续分析使用；当智能钻井工具入井工作时，井下参数测量单元2中的参数测量单元22实时采集测量参数信息，处理器21在采样间隔到来时接收、处理测量参数并将其保存至参数存储单元24中，智能钻井工具出井后，通过串口通信单元25连接井下参数测量单元2和地面参数显示单元3，选择显示状态信息，可显示工具信息和存储状态，选择内存管理单元34中的“内存读取”按钮，可获得井下参数测量单元2的参数存储单元24中的参数值，选择内存管理单元34中的“内存存储”按钮将读取的参数值以EXCEL文件格式保存至计算机31中，供地面工作人员对井下电源的使用情况、故障原因进行分析。

本实用新型的目的在于为智能钻井工具的供电电源设计一种基于单片机的参数采集系统，由单片机控制完成对电源电压、回路电流、发电机转速等电源参数的采样、量化、存储和传输，可实现井下电源参数的实时采集、记录以及计算机中参数的显示、存储等功能，为工具电源的工作状况分析、故障处理提供客观、真实的数据依据，以保证智能钻井工具的安全、稳定运行，提高智能钻井工具的工作性能和使用寿命。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于单片机的井下电源参数采集系统，其特征在于：所述的基于单片机的井下电源参数采集系统包括：井下参数采集单元(2)和地面参数显示单元(3)，其中：井下参数采集单元(2)为设置在智能钻井工具探管中的数据采集装置，其与井下电源系统(1)相连接，用于实时采集井下电源系统(1)的相关信息；井下参数采集单元(2)包括：处理器(21)、参数测量单元(22)、系统复位单元(23)、参数存储单元(24)、串口通信单元(25)和时钟同步单元(26)；处理器(21)分别与参数测量单元(22)、系统复位单元(23)、参数存储单元(24)、串口通信单元(25)和时钟同步单元(26)相连接；地面参数显示单元(3)包括：计算机(31)、参数显示单元(32)、远程控制单元(33)、内存管理单元(34)和状态显示单元(35)；其中：计算机(31)分别与参数显示单元(32)、远程控制单元(33)、内存管理单元(34)和状态显示单元(35)连接，计算机(31)通过RS-485串行通信接口与参数采集单元(2)中的串口通信单元(25)相连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的井下电源参数采集系统，其特征在于：所述的参数测量单元(22)包括：发电机转速测量单元(221)、整流电压测量单元(222)、均流电流测量单元(223)和输出电压测量单元(224)，其中：发电机转速测量单元(221)与泥浆发电机(11)的三相交流电能输出端的某一相连接，发电机转速测量单元对泥浆发电机(11)的相电压进行半波整流后转换成方波信号进行测量；整流电压测量单元(222)的输入端与整流滤波电路(12)的输出端连接，用于采集整流滤波电路(12)的输出电压信号；均流电流测量单元(223)的多个输入端分别与多个直流-直流变换电路(13)的输出端连接，用于采集各直流-直流变换电路(13)的输出电流信号；输出电压测量单元(224)的输入端同时与各直流-直流变换电路(13)的输出端连接，用于采集井下电源系统(1)的输出电压信息；发电机转速测量单元(221)、整流电压测量单元(222)、均流电流测量单元(223)和输出电压测量单元(224)的输出端均与处理器(21)连接。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的井下电源参数采集系统，其特征在于：所述的处理器(21)采用飞思卡尔公司的HC9S12系列单片机。