（控制科学与工程专业论文）井下工程参数随钻测量短节刻度装置的研制.pdf

。 d e v e l o p m e n to fac a l i b r a t i o nf a c i l i t yf o rm w dm e a s u r e m e n t c e l lo fd o w n h o l e e n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s at h e s i ss u b m i a e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gz h e n s u p e r v i s o r ：p r o f g e n gy a n f e n g c o l l e g eo fi n f o r m a t i o n & c o n t r o le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：卷叠日期：勿年石月9 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 获霞 日期：幻f 年石月驴日 日期：o - o d 年万月扩日 ， 摘要 在石油钻井工程技术中，随钻测量系统可以在井下靠近钻头处实时测量近钻头的钻 压、扭矩等工程参数；真实的反映井下工作状况，以提高钻头的工作效率，有效避免钻 井事故的发生，实现安全、高效地钻井。随钻测量短节在进行现场应用之前，需要进行 刻度。刻度过程是井下仪器标定的过程，可以保证短节的测量精度，具有非常重要的意 义。 本文进行了井下工参数随钻测量短节刻度装置的研制，实现对随钻测量短节的刻度 和定期校准。论文首先介绍了刻度装置的硬件系统，包括机械液压系统和测控硬件系统。 机械液压系统包括固定钳、移动钳、钻压缸、快速旋扣装置等，测控硬件系统包括计算 机模块、控制模块、采集模块等。其次，采用虚拟仪器技术，设计了刻度装置的软件系 统，先对软件的要求和总体设计方案进行了介绍，然后介绍了软件功能设计。采用模块 化设计技术分别设计了开机模块、参数设置和读取模块、数据采集保存模块等。 最后，本文介绍了测量短节的刻度方法，包括装置分级和相应的刻度流程，单独刻 度和联合刻度的方法，以及数据处理方法。最后，对设计的刻度系统进行了调试，通过 调试，刻度装置运行稳定，各模块运行可靠，基本实现了设计要求。 关键词：随钻测量短节刻度装置钻压扭矩刻度刻度方法 v e l o p m e n to fm w d m e a s u r e m e n ts u bc a l i b r a t i o nf a c i l i t yf o r d o w n h o l ee n g i n e e r i n gp a r a m e t e r s z h a n gz h e n ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rg e n gy a n f e n g a b s t r a c t i nd r i l l i n ge n g i n e e r i n g ，m e a s u r e m e n tw h i l ed r i l l i n g ( m w d ) s y s t e mc a nb eu s e dt o m e a s u r ew e i g h to nb i t ( w o b ) ，t o r q u ea n do t h e re n g i n e e r i n gp a r a m e t e r sn e a rd r i l lb i ti nr e a l t i m e ，w h i c hc a l li m p r o v et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c yo fd r i l lb i ta sw e l la sa v o i d i n gd r i l l i n g a c c i d e n t se f f e c t i v e l y ，s ot h a tt oa c h i e v es a f ea n de f f e c t i v ed r i l l i n g m w dm e a s u r e m e n tc e l l n e e d st ob ec a l i b r a t e db e f o r ea p p l i e dt ot h ef i e l d c a l i b r a t i o ni st h ep r o c e s sd u r i n gw h i c h d o w n h o l ei n s t r u m e n t sa t et e s t e do nak n o w nn u m e r i c a lv a l u ec a l i b r a t i o nf a c i l i t ya n dt h i s p r o c e s se n s u r e s t h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n tc e l l ，s oi th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ac a l i b r a t i o nf a c i l i t yo ft h em w dm e a s u r e m e n tc e l li sd e s i g n e di nt h i st h e s i s ，w h i c hc a l l b eu s e dt oc a l i b r a t ea n dc o r r e c tt h em w dm e a s u r e m e n tc e l lr e g u l a r l y h a r d w a r es y s t e mo f t h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t yi si n t r o d u c e di nt h et h e s i s ，i n c l u d i n gh y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a ls y s t e m ， m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a r d w a r es y s t e m t h eh y d r a u l i ca n dm e c h a n i c a ls y s t e mc o n s i s t so f f i x e dc l a m p ，m o b i l ec l a m p ，d r i l l i n gp r e s s u r ec y l i n d e r ，q u i c ks p i nb u c k l ed e v i c e ，e t c ，w h i l et h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lh a r d w a r es y s t e mc o n t a i n sc o m p u t e rm o d u l e ，c o n t r o lm o d u l e ， c o l l e c t i o nm o d u l e ，e t c b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y ，t h es o f t w a r es y s t e mo ft h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t yi s d e s i g n e d r e q u i r e m e n t sa n do v e r a l ld e s i g ns c h e m eo ft h es o f t w a r ea r ei n t r o d u c e da n dt h e n t h es o f t w a r ef u n c t i o n sa r ed e s c r i b e d p a r a m e t e r ss e t t i n ga n dr e a d i n gm o d u l e ，m a i np r o g r a m m o d u l ea n ds oo na r ea l ld e s i g n e dr e s p e c t i v e l yt h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fm o d u l a rd e s i g n t e c h n i q u e s t h i st h e s i si sa l s of o c u so nt h ec a l i b r a t i o nm e t h o df o rm w dm e a s u r e m e n tc e l l ，w h i c h i n c l u d e st h ef a c i l i t yc l a s s i f i c a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gc a l i b r a t i n gp r o c e s s ，s i n g l ea n d c o m b i n e dc a l i b r a t i n gm e t h o d s ，a n dd e c o u p l i n gm e t h o d s t h e nt h ec a l i b r a t i o ns y s t e mi s d e b u g g e d ；a n da f t e rt h i ss t a g e ，t h ef a c i l i t yr u n ss t a b l ya n de a c hm o d u l ew o r k sr e l i a b l y ，w h i c h i i c a l i b r a t i o n ；c a l i b r a t i o nm e t h o d w o bc a l i b r a t i o na n dt o r q u e 目录 1 1 课题研究的背景1 1 2 随钻测量短节刻度的意义和现状1 1 3 本文的研究工作4 第2 章随钻测量短节刻度装置的硬件系统5 2 1 刻度装置的总体设计5 2 2 刻度装置的液压机械系统6 2 3 刻度装置的测控硬件系统1 0 2 3 1 工控机主控制模块l0 2 3 2 阀控制模块1 1 2 3 3 液压采集模块1 2 2 3 4 标准表信号采集模块13 2 3 5 随钻测量短节串口通信模块1 5 2 4 本章小结1 5 第3 章随钻测量短节刻度装置的软件系统1 6 3 1 虚拟仪器技术16 3 1 1 虚拟仪器系统构成16 3 1 2 虚拟仪器软件开发平台1 6 3 2 软件总体设计方案与设计要求l7 3 2 1 软件设计要求17 3 2 2 软件总体设计1 8 3 3 软件功能设计2 0 3 3 1 开机模块2 0 3 3 2 主程序菜单选择模块2 2 3 3 3 参数设置模块2 5 3 3 4 参数读取模块2 7 3 3 5 液压信号采集模块2 8 3 3 6 标准表信号采集模块3 0 i v ：；l 3 4 ：；! ； ：；7 3 3 1 l 数据实时保存模块。3 9 3 3 1 2 结果显示模块。4 0 3 4 本章小结4 0 第4 章随钻测量短节的刻度方法研究4 l 4 1 刻度方法概述4 l 4 2 刻度准备过程4l 4 3 刻度流程4 2 4 3 1 刻度说明4 2 4 3 2 装置分级与相应流程4 2 4 3 3 单独刻度4 4 4 3 4 联合刻度4 5 4 4 数据处理方法4 9 4 4 1 符号说明5 0 4 4 2 单项性能指标的计算方法5 0 4 4 3 数据解耦方法5 4 4 5 本章小结。5 6 第5 章钻压扭矩刻度装置的调试5 7 5 1 刻度系统的启动5 7 5 2 参数的设置5 8 5 3 串口的调试5 9 5 4 刻度的运行调试6 0 5 5 数据保存与处理的调试6 4 5 6 本章小结6 6 l 右论6 7 参考文献6 8 一7 l 一7 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 石油工业钻井过程中，井下地质环境复杂，钻具工作环境恶劣，无法直接准确得知 钻头的工作状态。目前大多通过收集地面的数据和使用存储式工程参数测量方法来预测 井下的工作状况，但地面收集的参数与井下实际工程参数有一定的偏差，这会给钻井工 况的预测以及判断带来困难，甚至可能会因为误判而造成更加复杂的钻井事故。由于钻 井技术的迅速发展，井身结构也变得更加复杂，大位移井、原井再钻和多分支井等新型 油井大量出现。使用这些新型钻井技术可以提高产量和采收率，而且可以对油气藏实行 立体式的高效开发【l 。2 1 。这些钻井技术也要求对井下参数进行精确的测量。在钻井成本 中，与钻头有关的设备成本较高。井下真实的数据和钻头在井底的真实工作状态，对提 高钻头工作效率，延长钻头寿命非常重要【3 】。因此要实现安全、高效、优质地钻井，除 了对其生产工艺技术进行优化设计外，还必须随时掌握生产过程中各项参数的变化情 况，并及时有效地对生产工艺进行调整。实现这些目标的重要手段是借助先进的钻井设 备和完整的测试系统。钻铤是钻柱底部靠近钻头处加粗的一段钻柱，测量短节是井下工 程参数的测量部分【4 j ，是近钻头处钻铤的一部分。随钻测量短节能随钻实时测量，并根 据随钻实时数据智能分析、优化钻井参数，动态判断井下复杂情况，有利于安全高效地 钻进【5 】o 测量短节在进行现场应用之前，需要进行刻度。刻度是仪器生产和使用中很重要的 一步，刻度的正确与否，直接影响到短节的测量精度，影响到测量值的误差大t j 6 1 。在 测量短节工作一段时间之后，也需对其进行校准以确保系统本身的精确度和线性度。为 此本课题将研究设计测量短节的刻度技术，用来对短节进行刻度和定期校准。 1 2 随钻测量短节刻度的意义和现状 传感器的标定，基本上是利用标准仪器产生已知的非电量，如压力、扭矩等，作为 输入量输入到待标定的传感器中，通过比较传感器的输出量与输入的标准量，可得到一 系列的校准数据或曲线。有时候输入量是由标准传感器检测得到，这时，标定本质卜就 是待标定传感器与标准传感器之问的比较。 国内外对传感器的标定研究由来已久。对于力传感器，现在大致可分为静态标定和 第1 章绪论 动态标定。动态标定主要是针对传感器的动态特性，从测量误差角度分析出误差，从而 进行传感器的标定。对于静态标定，现在一般采用的是静压标定，即将传感器量程分为 若干等间距点，使传感器的输入分别定位到各分点，并记录输出值。从4 , n 大的标定过 程为正行程标定，从大到小的标定过程为反行程标定。对传感器进行正、反行程的多次 循环标定，并对传感器标定系统的输出输入数据进行相应处理，即可得到传感器的静态 性能。静压的施加，多采用的是砝码式加载。这种加载方式虽然施加的力稳定性好，但 是受砝码的质量所限，标定的量程较小。 如果仪器的参考点波动，它的数值也会随之改变，这称为“标定飘移 。标定飘移 的常见原因有传感器的正常折旧，传感器遭到了损坏以及恶劣的操作环境等。当出现标 定漂移时，仪器虽可以测出相应参数的值，但是不能转换成精确的数字读数。定期使用 刻度装置标定测量短节，可以不断更新仪器的参考点，获得精确的读数。 刻度类似于标定，但二者应用场合不同。刻度，是把井下仪器放入介质数值已知的 刻度装置中进行标定的过程，也是应用计算机在刻度系统中确定仪器所测量的物理量与 工程量之间转换系数的过程。也可以根据已知的刻度系数和测量的物理量求取相对应的 工程参数，比较求出的工程量值与刻度装置模拟出的工程值之间的误差，是否在给定的 范围内，据此判断仪器是否正常工作。刻度的最终结果就是提供一组刻度系数，并得到 真实的井下工程参数。为了方便用户查看，一般使用刻度报表的形式将刻度结果直观地 显示出来【7 j 。 随钻测量短节的刻度是在地面工作条件下，模拟井下测量短节的工作状况，进而检 验并改进其测量特性，是设计、制造和使用测量短节的一个重要环节，也是将测量短节 推向实用化所需要的工作。新研制的测量短节，必须进行刻度试验，才能用刻度数据进 行量值传递，而刻度数据又可作为改进短节设计的重要依据。测量短节在制造、装配完 毕后也须对设计指标进行刻度试验，以保证量值的准确传递；在使用或者存储一段时间 后，也需要对其主要性能指标进行复测，以确保其能达到要求【8 】。因此，测量短节的刻 度对正确的量值传递，保证测量短节的质量及改善短节的性能等都是不可或缺的技术手 段之一【哪。 井下仪器工作时得到的工程参数，是通过仪器内相应传感器的数据采集实现的。对 井下仪器的刻度，也包含了对仪器内传感器的标定。测量短节中嵌有测量钻压和扭矩的 传感器，可执行相应参数的测量任务，是控制系统的重要组成部分。这些传感器性能参 数的准确度对随钻测量短节的测量结果影响尤为重要。因此测量短节在使用之前，需要 2 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 定。使用刻度装置标定测量短节可以提高测量的精度，从而在 数。 钻测量短节的刻度，国外著名的石油技术公司，如斯伦贝谢、 品正在使用。但在国内还没有相关的标准、规程，和相应的刻 、高温、大扭矩的要求，标定测量短节的刻度装置应具有较大 的压力、扭矩输出和大量程测量能力。这些都是测量短节刻度装置的难点所在，所以自 主开发研制测量短节的刻度装置和研究适用的刻度方法尤为重要。 对于刻度的研究，最重要的部分是刻度装置的研制。刻度装置是采用相应刻度方法， 对测控装置系统进行检测和标定的装置。通过刻度装置既可以检验测量短节的性能指 标，也为测量短节测量精度的提高提供了基础数据，进而实现井下工程参数的实时准确 测量。刻度装置由硬件部分与软件部分组成。硬件部分包括两部分，液压机械部分进行 工程量值的加载，测控硬件部分进行数据的采集及控制；软件部分主要进行数据的后期 处理，包括显示、分析及刻度。装置的测控硬件主要是由计算机、实验设备以及数据高 速采集卡组成。软件的架构包括主程序、数据采集、数据的显示分析及刻度等【1 0 1 。 随钻测量短节使用的是大量程传感器，要对其进行刻度，需要设计大量程、大空间 的刻度装置。在本课题中，刻度装置的液压机械部分，以液压拆装机为基础进行改进。 刻度装置的软件系统采用的是虚拟仪器技术。在发达国家，虚拟仪器技术的应用已 非常普及。在我国，近年来也逐渐重视这方面的研发，如清华大学汽车系运用虚拟仪器 技术开发了汽车发动机检测系统，可以测试汽车发动机的功率特性等；浙江大学流体传 动及控制国家重点实验室运用虚拟仪器技术研制了液压元件通用计算机辅助测试系统， 可以实现各种阀的稳态与动态测试。这些都取得了较好的实际应用效果f l i 】。 在虚拟仪器系统中，硬件主要是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关 键。使用者可以通过修改软件的方法，方便地增减和更改仪器系统的功能与规模1 1 2 】。在 虚拟仪器系统开发中，首先根据系统的功能需求，进行总体方案的设计，然后优化选择 所需的硬件，更好地实现系统的功能。根据刻度系统的实际条件，选用的硬件包括计算 机、标准表传感器、数据采集卡等模块。硬件设计好后，根据功能需求确定软件的总体 架构，利用模块化设计思想，将软件功能划分成相对独立的模块，便于软件的编写和维 护【1 3 】。比如，标准表信号采集模块主要是通过数据采集卡采集标准钻压和扭矩表的信号， 在软件中进行数据的显示。串口采集模块实现将短节单片机系统中的数据通过串口传送 给计算机，并在软件中显示的功能。数据保存模块的功能是当软件完成数据采集后，进 3 第1 章绪论 行数据的存储。数据控制模块的主要功能是将人机交互的数据和信号传送到执行机构， 进行液压和机械系统的动作，执行相应的刻度。 1 3 本文的研究工作 本课题主要研制了井下工程参数中的钻压和扭矩测量短节的刻度装置。将具有触摸 屏的工业计算机、检测技术、虚拟仪器技术、串口通信技术与液压控制技术等有机结合 起来，完成对系统中各量进行实时检测与控制，以及测量短节的刻度，具有运行稳定可 靠、精度高、操作方便等特点。主要研究内容包括： ( 1 ) 系统硬件的设计：刻度装置测控硬件系统的设计，传感器的选型和模块搭建。 ( 2 ) 系统软件的设计：利用虚拟仪器技术进行测控系统软件的设计和各部分功能 模块的实现。 ( 3 ) 刻度方法的研究：形成了本装置适用的刻度方法和数据处理方法。 ( 4 ) 刻度装置的调试：对刻度装置的各个模块进行调试，验证和增强其准确性和 可靠性。 4 硬件系统 机测控系统组成。液压机械 是整个刻度装置的大脑，两 者缺一不可，又相互配合。 硬件是刻度装置系统的重要组成部分，在选择硬件的过程中，应从以下两个方面考 虑： ( 1 ) 稳定可靠性高。为了使系统可靠性高、工作稳定、精度高，在挑选硬件时， 要选择已商品化、性能稳定、指标较好的器件。刻度装置的硬件采用工控机作为核心控 制部分，采用好的硬件模块也可以为在工控机上编写软件实现采集控制等功能提供更好 的硬件基础。 ( 2 ) 环境适应力强【1 4 】。选择的硬件要能保证系统可以在特定的环境中稳定工作。 要求系统的硬件工作范围能包括一般的工作环境，比如其工作温度范围，要比室温的环 境温度要宽，且对环境的影响有一定的温度补偿能力。 根据刻度装置组成部分，采用模块化思想进行方案设计。完整的装置硬件系统包括 液压与机械系统，由传感器和采集卡组成的信号采集模块，阀和采集卡组成的信号控制 模块，以及测量短节连接的串口通信模块等。根据井下工程参数刻度装置的系统要求， 硬件系统主要完成以下功能。 ( 1 ) 动力和执行功能的提供。设计选择提供测量短节钻压和扭矩的稳定可靠的机 械系统，和为装置提供动力来源的安全稳定的液压系统。 ( 2 ) 标准表和短节信号的采集。选择适合的传感器和数据采集卡，构建钻压扭矩 标准表数据采集系统、测量短节串口数据采集系统和液压系统数据采集系统，实现多种 信号的采集。 ( 3 ) 比例阀数字量的控制。通过工控机、采集卡和电磁阀的控制，对刻度装置进 行控制，控制固定钳、移动钳等的操作。通过采集卡和比例阀的控制，控制液压和机械 系统对测量短节施加钻压和扭矩。 通过以上功能需求和模块化设计思想，设计刻度装置的硬件系统如图2 1 所示。 5 图2 1 刻度装置的系统硬件组成原理图 f i g 2 - 1c o m p o s i t i o ns t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r es y s t e m 2 2 刻度装置的液压机械系统 液压机械系统是刻度装置的动力源与执行机构，为刻度装置提供动力，同时，通过 计算机测控系统的软件，对机械与液压系统进行控制。要求其准确提供刻度过程所需要 的钻压与扭矩输出值，并能够将输出值稳定地保持一段规定的时间，以方便数据的采样 和刻度过程。为便于刻度操作，将液压系统控制柜和测控系统控制柜合二为一。 液压机械系统以液压拆装机的基本结构和工作原理为基础进行了设计。液压拆装机 是拆卸、组装和维修各类石油、地质用螺杆钻具、管柱和井下工具的专用设备。它具有 上卸扣的扭矩大，可达几百k n m ：快速旋扣、推拉，不损伤工件表面；夹紧力分布均 匀等特点。液压拆装机采用全液压动作，在现有的旋扣装置上，加入钻压缸，可以为短 节的刻度提供大量程的压力和扭矩，并且液压拆装机具有连续自由调整的特点，通过提 高机械设计制造工艺，液压控制精度，可以很好地实现刻度流程所要求的稳定刻度。通 过对拆装机的结构进行改进，使其机械传动与央紧部分更为坚固耐用，也更利于用户的 操作和控制。 刻度装置机械系统由固定钳、移动钳、钻压缸、移动小车和快速旋扣装置与底座等 部分组成，是提供钻压、扭矩输出的主要部分。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 系统的结构参见图2 2 ，固定钳与移动钳可以用来夹紧测量短节，此 矩输出。钻压缸用来对测量短节施加压缩作用，即产生钻压输出。钻 根据测量短节的不同长度在底座上前后移动，适应测量短节的长度变 的测量短节长度变化范围是0 8 2 5 m 。快速旋扣装置、移动小车用来 辅助测量短节的拆装和连接。 在刻度时，使用吊车将包含随钻测量短节和标准表的测试段吊至刻度装置固定钳与 移动钳之间，横放在支撑小车上。通过小车、移动钳、固定钳和钻压缸的相应操作，实 现短节的就位和刻度操作，完成整个刻度工作。 图2 - 2 刻度装置的机械系统 r i g2 - 2 m e c h a n i c a ls y s t e mo ft h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t y 固定钳和移动钳一共有三个，两个固定钳，一个移动钳。固定钳与移动钳有两种钳 牙结构设计，带钳块的设计和不带钳块的设计。带钳块的设计是通用结构，适用于对中 精度要求不高的情况下进行钻压与扭矩测量短节的刻度操作。不带钳块的设计是专用结 构，便于与测试接头的六方结构配合，可以保证测试过程中较高的对中精度和不产生对 测试接头的损坏。 7 刻度装置的硬件系统 1 不带钳块的钳牙结构2 带钳块的钳牙 图2 - 3固定钳与移动钳的两种钳牙结构 f i g2 - 3 t w os t r u c t u r eo ft h ej a w s 为保证测量短节的拆装过程不对标准表造成损坏，对测试接头进行了特殊的设计。 设计的测试接头既要保证在刻度过程中的对中精度，又要保证施加钻压、扭矩时对测试 接头不造成机械损伤。测试接头的螺纹结构使其可以承受拉伸和压缩的双重作用，同时 可以避免额外的弯矩作用，进而保证刻度装置的总体精度。 图2 4 是测量短节、接头和标准表组合好后形成的测试段。标准钻压表和标准扭矩 表，对称分布在测量短节的两侧，配合刻度操作方法来实现钻压扭矩的刻度过程。 图2 - 4 带标准表的测试段 f i g2 - 4 t e s ts e c t i o nw i t hs t a n d a r dm e t e r s 图2 5 是刻度装置的底座，采用了铸造机体，以保证刻度装置的强度。同时采用了 台湾直线滑轨，既防止变形，又可以减少移动钳运动过程中的振动和受力作用时的位移 8 保证在测量短 图2 - 5 刻度装置的铸造底座和导轨 f i g2 - 5c a s t i n gb a s ea n dg u i d er a i lo f t h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t y 液压系统可以为刻度装置提供动力。在本课题中，实现这一功能的是液压泵站。液 压泵站是液压系统中散装在各主要位置上的执行器及其操纵控制阀等构成的动力型液 压站，它主要由液压泵及驱动电机、集成块或阀组合、油箱及其附件、电气盒组合而成。 在工作中，电机带动油泵转动，泵从油箱中吸油后供油，将机械能转化为液压油的压力 能。液压油通过阀组合或者集成块实现方向、压力、流量的调节，然后经外接管路并至 液压机械的油缸或油马达中，从而可以控制液动机方向的变换、力量大小及速度快慢的 调节，推动各种液压机械做功【”一6 1 。 如图2 - 6 所示，在液压系统中，油源压力为0 , - , 2 0 m p a 。使用h a w e 的电磁阀控制 上卸扣、钳的移动等启停的操作，使用a t o s 的比例调节阀控制油路，可以远距离地根 据输入的电气信号连续、按比例地精确控制液压阀的压力。同时在液压系统中使用蓄能 器，作为短时供油以及吸收脉动和冲击，更有利于液压的稳定。通过这些改进研制出的 刻度装置液压与机械部分，可以更好地实现随钻测量短节的刻度。 9 第2 章随钻测量短节刻度装置的硬件系统 雷目 哩9 i 一l 扭矩 甜1 比例 。 钻压埘 调节 固l 比例 。 阀 调节 一固 i 阀 l 世 l k 世 l 世 k l二 匝-l 萃 一 0 舡h n l 寻一1 一l 孓、 i 肿i 1 肿i 参 l l 审 e lh i lr二 l辞， l 舯i ll ；：审 墨 丁南 l 番- 1 - l韦h l | ； e l 升i lh i 口 霹h 、l l肿i 萤l c o o 接油 箱和 毫 液压 泵 1 快夹电磁阀快旋电磁阀冲扣电磁阀托架电磁阀动夹电磁阀行走电磁阁推力缸电磁阀 图2 - 6 液压系统组成图 f i g2 - 6h y d r a u l i cs y s t e mo ft h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t y 刻度装置应满足如下性能技术指标： ( 1 ) 钻压输出范围：0 4 0 0 k n ，连续输出；钻压测量精度：0 4 k n 。 ( 2 ) 扭矩输出范围：0 - - 3 0 k n m ，连续输出；扭矩测量精度：0 0 3 k n m 。 ( 3 ) 环境温度：室温。 ( 4 ) 零点漂移：要求小于等于0 1 满量程，零点漂移以测试前后标准表零点数据 的采集为主进行判断。 ( 5 ) 重复性误差：要求测量o 1 满量程，每个刻度过程至少进行两次相同或相 近的试验。 ( 6 ) 输出结果的稳定性：刻度装置保持某一点的钻压扭矩输出值稳定，输出漂移 每小时小于1 满量程。 2 3 刻度装置的测控硬件系统 2 3 1 工控机主控制模块 刻度测控系统采用触摸屏工控机作为输入设备，通过安装相应的软件，选用采集卡 等模块，控制液压与机械系统施加钻压和扭矩，并对标准钻压与扭矩表和随钻测量短节 1 0 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 的输出信号进行信号采集和信号处理，并显示和输出结果。 工控机稳定可靠，支持长时间连续工作，比普通电脑更适用于恶劣的环境，比如温 度高、灰尘多的场合。外型坚固，体积小，维护简单，可直接安装在控制柜上，方便现 场刻度操作。具有多个外部设备接口，通过这些接口可以控制相应的设备动作，不用再 通过扩展方式，帮用户节约了成本。除上述优点之外，现在的工控机还具有触摸屏功能。 触摸屏轻便、占用空间少、方便灵活，可以取代键盘和鼠标，成为工控机的主要输入设 备。 项目选用的工控机型号是研华t p c 一1 7 8 0 h ，参见图2 7 ，其主要配置如下： c p u - i n t e lc o r e t m2d u ol 7 4 0 0 ，1 5g h z ，2 mc a c h e ： 内存：2 g bs o d i m md d r 2s d r a m ： 通讯接口：3 个r s 2 3 2 ( c o m l ，3 ，4 ) 、1 个r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 、4 个u s b 2 0 、1 个 p s 2k e y b o a r d ，1 个p s 2m o u s e ，1 个v g a ，1 个m i c i n ，1 个l i n e i n ，1 个l i n e o u t ； 显示：1 7 ”s x g at f tl c d 触摸屏，分辨率：1 2 8 0x1 0 2 4 。 图2 - 7 刻度装置选用的工控机 f i g2 - 7 i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ro ft h ec a l i b r a t i o nf a c i l i t y 工控机作为整个刻度系统的主控制器，是刻度装置的核心。其可以在温度恶劣的环 境中使用，也可以在强烈的震动环境下使用，对外界环境要求较低，因此选择工控机可 以使刻度装置具有很好的环境适用性。在本课题中，选用m w 公司的s 1 5 0 2 4 型直流 稳压电源为工控机提供直流电压，保证其正常工作。 2 3 2 阀控制模块 ( 1 ) 电磁阀控制 卜 研华继电器 工控机 j 旷输出采集卡 图2 - 8 电磁阀控制通道 f i g2 - 8 s o l e n o i dv a l v ec o n t r o lc h a n n e l 第2 章随钻测量短节刻度装置的硬件系统 刻度装置的快旋、冲扣、快夹等动作，需要用到电磁阀的控制。电磁阀选用h a w e 公司产品，型号为p s l 4 1 2 1 0 3 型比例多路阀，其工作电流在几百m a 左右。为了驱动 电磁阀进行工作，需在控制回路中加入继电器，由继电器控制电磁阀动作。每个电磁阀 具有3 个状态，停止状态，正方向动作状态和反方向动作状态，但每个继电器只有开关 两个状态，因此，在硬件连接时，使用两个继电器组合起来控制一个电磁阀。系统选用 了研华公司的u s b 4 7 6 1 型采集卡，具有继电器输出功能，每个卡具有8 个继电器，为 此需要两个u s b 4 7 6 1 型采集卡。电磁阀的外部供电电源使用h s 2 5 0 2 4 型开关电源， 可以输出2 4 v 的直流电压。 ( 2 ) 比例阀控制 图2 9 比例调节阀控制通道 f i g2 - 9p r o p o r t i o n a lv a l v ec o n t r o lc h a n n e l 刻度装置对测量短节进行钻压和扭矩的刻度，需要控制比例阀的输出大小。 u s b 6 2 1 8 型采集卡，提供两路模拟量输出，电压输出为在1 0 1 0 v 之间软件可编程。 比例阀选择了a t o s 公司的r z g o t e r s 0 1 0 型比例减压阀。该型号的比例阀带远 程压力传感器，阀的压力调节与输入电信号成正比；除此以外，还带有数字型集成式放 大器，自身可实现闭环控制，大大提高了阀的动静态特性。采集卡通过软件设置电压输 出为0 - - 1 0 v ，为比例阀提供控制信号。比例阀需要2 4 v 的外部供电，并且要求电源具有 很小的纹波电压，为此选用了工业级的朝阳4 n i c 线性电源作为模块的供电电源。 2 - 3 3 液压采集模块 ，“【。一 u s b 6 2 1 8 i一 妥力 ，1 一 液压 工控机 厂一 圣采集卡厂一 侮枣器厂一透道 图2 1 0 液压采集通道 f i g2 - 1 0h y d r a u l i ca c q u i s i t i o nc h a n n e l 在刻度装置中，使用液压传感器检测液压通道中的压力。液压传感器选用的是s e t r a 公司的c 2 0 6 型压力传感器。该传感器的量程为0 - 2 5 0 b a r ( o - - - 2 5 m p a ) ，激励电压为 2 4 v d c ，输出为4 2 0 m a 的电流。c 2 0 6 型压力传感器可以应用于任何气体或液态中， 满足工作环境恶劣的情况。其操作温度范围。4 0 1 2 7 c ，补偿的温度范围为4 0 8 0 。c ，可 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 以很好地满足刻度系统的要求。 刻度装置中使用了三个c 2 0 6 压力传感器，分别检测总液压、钻压液压、扭矩液压 通路的压力。c 2 0 6 压力传感器的输出是电流信号，通过2 5 0 欧姆精密电阻，从而将电 流转换成电压，连接到u s b 6 2 1 8 采集卡的模拟输入接口。u s b 6 2 1 8 采集卡支持1 6 路差 分模拟信号输入，或者3 2 路单端信号输入，本课题使用三路差分输入。 2 3 4 标准表信号采集模块 ，7i一 u s b 9 2 3 7 ，1 一 乒蔽 ，1 一 标准表 工控机 厂一 垂采集卡厂一 信号线厂一 传感器 图2 1 l 标准表采集通道 f i g2 - 11 s t a n d a r dm e t e r sa c q u i s i t i o nc h a n n e b 标准钻压表采用的是g t m 公司的r f 系列的压力表，型号为f o r c et r a n s d u c e r r f - 4 0 0 k n ，额定载荷为4 0 0 k n ，精度等级为o 0 5 ，最大激励电压为1 5 v ，桥路额定阻抗 为7 5 0 q ，额定的灵敏度为2 m v n 。 图2 1 2 钻压标准表 f i g2 - 1 2 w o bs t a n d a r dm e t e r 标准扭矩表采用的是i n t e r f a c e 公司的5 4 0 0 系列传感器，型号为5 4 1 4 3 0 0 k ( 测量 范围是3 0 0 kl b i n ，相当于3 4 k n m ) 。桥路电阻为3 5 0 q ，灵敏度也为2 m v v ，最大激 励电压为2 0 v 直流电，接头为m s 3 1 0 2 e 1 4 s 5 p 。 1 3 每 、 第2 章随钻测量短节刻度装置的硬件系统 图2 1 3 扭矩标准表 f i g2 - 1 3t o r q u es t a n d a r dm e t e r 屏蔽电缆使用标准的m s 3 1 0 6 a 1 4 s 5 s 接头，与n i 公司的专用桥路采集卡u s b 6 2 3 7 连接，将钻压、扭矩的应变信号送入到采集卡中。 u s b 9 2 3 7 是应变、应力测量的专用模块，特别适合于动态应力、应变的测量。它的 特点包括：抗振动、抗冲击、电磁兼容性好；体积小、重量轻、携带方便；供电电源、 信号调理等单元较为简化；可实现多通道、动态测试分析；测量数据自动记录、分析、 保存。适合现场便携式测量等有特殊要求的场合。其硬件连接电路如图2 1 4 所示。 c h0 c h1 c h2 c h3 图2 1 4n 1 9 2 3 7 采集卡接线图 f i g2 - 1 4w i r i n gd i a g r a mo fn1 9 2 3 7 1 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 2 3 5 随钻测量短节串口通信模块 卜f 工控机石型 r s 2 3 2随钻测量 串口线 石! 厂一 v 一 短节 图2 一1 5 串口通信通道 f i g2 - 1 5 s e r i a l