（机械制造及其自动化专业论文）管内测量仪器牵引器电控系统的研制.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 石油工业的发展带动了相关技术的发展。；受i l 井技术现在已经作为一种专 门的科学被科研工作者所重视，而井下仪器输送技术作为测井的一种辅助技 术也成为测井技术的一个重要方面。管内仪器牵引器的研制不仅可以为井下 仪器的油并测试提供方便，同时也避免了人力和物力的浪费。 本文首先在查阅资料的基础上阐述了国内外测井仪器的发展状况，按发 展的先后顺序介绍了测并仪器发展的进程，重点对测井仪器的输送技术和输 送方法进行了阐述。然后对管内测量仪器牵引器的电控系统进行了设计，并 在此方案的指导下设计了牵引器的硬件系统和软件系统。硬件系统的核心部 分采用m i c r o c h i p 公司生产的p i c l 8 f 4 5 2 型号的单片机，此单片机的优良性能 完全满足设计要求。利用电力线载波的原理设计了调制解调板，使得七芯电 缆在为仪器供电的同时可以传输信息。软件设计分为两部分：p i c 单片机程 序的设计，使用汇编语言编写，主要完成控制电机运转及数据采集传输功 能：同时还设计了基于v i s u a lc + + 平台的上层界面软件，通过它对p i c 单片 机系统进行远程控制，其主要是串口通讯程序的设计，并将数据采集的结果 进行显示。 经过实验验证，控制系统完全可以控制电机的运转，使牵引器在管道中 前后运动，并检测了实验过程中的环境温度等参数，基本上达到了设计要 求。 关键词p i c 单片机；电控系统；串行通讯；牵引器 =：兰篁重三些奎兰三笺! 圭兰些篓圣：= = ：! a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i l i n d u s t r y , m a n yi n t e r r e l a t e dt e c h n i q u e s a r e d e v e l o p i n gf a s t a sas p e c i a ls c i e n t i f i cs u b j e c t ，r e s e a r c h e r sp a ym u c h a t t e n t i o nt o w e l ll o g g i n gt e c h n o l o g y u n d e r w e l la p p a r a t u st r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g yi so n e o ft h ei m p o r t a n ta s p e c t so fw e l ll o g g i n gt e c h n o l o g y t h ea p p e a r a n c eo fi n p i p e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tr e t r a c t o rn o to n l ) o f f e r sc o n v e n i e n c ef o ro i lw e l l t e s t i n g o fu n d e r w e l l a p p a r a t u s ，b u t a l s oa v o i d st h ew a s t eo fm a n p o w e ra n d m a t e r i a lr e s o u r c e s f i r s t l ye x p a t i a t e s o nt h es t a t u so ft h e d e v e l o p m e n t o fw e l l l o g g i n g t e c h n o l o g yd o m e s t i ca n do v e r s e a s ，i n t r o d u c e st h es t e p s o fi t s d e v e l o p m e n ti n t e r m so ft i m e ，a n df o c u s e so ni l l u m i n a t i n gt h et r a n s p o r t a t i o nt e c h n o l o g ya n d m e t h o do fw e l ll o g g i n gi n s t r u m e n t t h e nd e s i g n se l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mo fi n p i p em e a s u r e m e n ti n s t r u m e n tr e t r a c t o r u n d e rt h eg u i d a n c eo ft h i s b l u ep r i n t ， w r i t e rd e s i g n st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es y s t e mo fr e t r a c t o r t h ec o r eo ft h e h a r d w a r ei sas c m t y p e dp i c 18 f 4 5 2w h i c hi sp r o d u c e db ym i c r o c h i pc o m p a n y i t s p e r f e c tp e r f o r m a n c ec a nt o t a l l ym e e tw h a tw en e e d w ed e s i g nt h em o d e m a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fc a r r i e rw a v e ，s ot h a ts e v e n c o r ec a b l ec a nt r a n s m i t i n f o r m a t i o nw h e ni t p r o v i d e se l e c t r i c i t y f o r a p p a r a t u s w e c a n s e p a r a t e t h e s o f t w a r ei n t ot w op a r t s f i r s ti st h ed e s i g no fp i cs c m p r o g r a m ，w h i c hi sw r i t t e n b ya s s e m b l el a n g u a g et o c o n t r o lt h ee l e c t r o m o t o rm o v e m e n ta n dc o l l e c td a t a s e c o n di st od e s i g nt h ei n t e r r a c i a ls o f t w a r eb a s e do nv i s u a lc + + w h i c hc a n c o n t r o lt h ep i cs c ms y s t e m l o n g - d i s t a n c e ，r e s p o n s i b l e f o r d e s i g n i n gs e r i a l c o m m u n i c a t i o n p r o g r a m a n ds h o w i n gt h es a m p l i n gr e s u l t s t h ee x p e r i m e n tv e r i f i e st h a te l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e mc a r lt o t a l l yc o n t r o lt h e m o v e m e n to fe l e c t r o m o t o ra n dm a k ei tg ot oa n df r oi nt h ep i p ew ea l s om e a s u r e o t h e rp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t sa n dp r o v et h a tt h e y c a nm e e tt l l ed e m a n do ft h i sd e s i g n k e y w o r d s p i cs c m ，e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，r e t r a c t o r ； i i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 测井技术作为认识和识别油气层的重要手段，由需求而“生”，因需求 而“长”。“生”与“长”的过程，始终受到石油工作者的关爱，始终与各个 时期的高新技术有着特殊的因缘【1 。 测井是一种井下油气勘探方法，用于发现油气藏，为评价油气储量及产 量提供科学依据。该方法是把各种专门的井下仪器( 传感器) 放入井内，测 量沿井身剖面上岩层的各种物理参数随井深的变化并绘制成曲线或图像，并 根据测量结果进行综台解释来判断岩性，确定油气层位置及其它矿藏的一种 间接手段。测井是石油工业中高新技术含量最多的产业部门之一，系列化、 数字化和标准化是现代测井技术的重要标志。 目前我国发展到了成像测井时代。成像测井技术能够获取井下地层井眼 周围方位上和径向上的多种丰富的信息，经过现代解释技术进行处理和解释 能更好的解决复杂的、非均质地层的油气勘探开发问题。 斯仑贝i 身 、阿特拉斯及哈里伯顿三大测井公司代表着当今世界测井技术 的前沿。他们的工作紧紧围绕电缆测井和随钻测井两大系列展开，并且以井 下仪器的研究、推广及应用来推动新技术的快速发展【l “。 而我国的随钻测井技术还面临着很大的困难，随钻测井技术是一种集钻 井、测井、自动控制、新材料等多学科为一体的高新技术。开展随钻测井项 目的研究难点有两方面：一是使用新材料和新工艺设计出高强度的、耐高温 高压、适应强烈震动和冲击的井下仪器：二二是研究新的数据传输技术，或改 进现有的泥浆脉冲传输速率。随钻测井技术研究投入大，风险也大。由于我 国整体工业制造和工艺水平相对比较低，完全靠自行研究，成功的可能性不 是很大。在这种情况下，我国采取合资方式，开始随钻测井技术的研究和开 发工作m 】。 1 2 国内外测井技术的发展 测井起源于法国，1 9 2 7 年法国人斯仑贝谢兄弟发明了电测井，开始在欧 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 洲勘探煤和油气，两年后传到美国和前苏联。中国应用电测井勘探油气，始 于1 9 3 9 年，当时我国首次使用测井技术在四川石油沟1 号井勘探油气藏。7 0 多年来，测井技术经历了从模拟测井到数字测井、数控测井、成像测井的发 展历程，目前已发展成为十大石油学科之一。回顾测井技术的发展历程，测 井技术每向前发展步都将提高油气勘探的效率，增加更多的油气信息，它 被广泛应用于油气田的勘探与开发的全过程，为石油地质和工程技术人员寻 找和评价油气层提供了重要的资料和数据，解决了一系列的地质难题。同 时，测井技术还是进行煤炭、金属等矿产资源勘探的重要手段，并被扩展到 工程及其它领域。 1 2 1 模拟时代 在6 0 年代之前，国际上测井仪器主要是模拟仪器，即记录模拟信号的仪 器，中国主要的模拟仪器是由西安石油勘探仪器总厂研制的j d 5 8 l 多线电测 仪。这一时期的主要特点是： 1 地面记录采用检流计光点照相记录仪，只能记录井下送上来的模拟 信号。 2 井下仪器已有电阻率、电导率、声波、自然伽马、中子、密度等测 井仪器。 3 测井资料主要用于地层评价一一地层对比，寻找并确定油气层在井 中的位置，估计储层的油气含量。 1 2 2 数字时代 6 0 年代初，西方国家开始使用数字测：井技术，提高了砂岩油气藏的勘探 和开发效益，中国使用数字测井技术始于7 0 年代末期。8 0 年代初期，在引 进、消化、吸收和创新的基础上，由西安石油勘探仪器总厂、江汉测井研究 所、油田测井公司等单位共同研制的s j d s 0 1 数字测井仪f 8 】，实现了数字测井 仪器系列化和国产化，并在全国各油田推广应用。 数字测井技术实现了系列化、数字化和标准化，开创了应用计算机处理 解释测井资料的新纪元，推进了测井技术的进步和发展。这一时期的主要特 点是： 1 井下仪器可以用数字量传送信号，可传送数字信号、脉冲信号和模 拟信号，减小了传输过程中干扰引起的误差，地面仪采用数字记录。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 数字记录的测井资料便于计算机处理，测井解释由单井向多井发 展，测井资料的应用由单井地层评价向油气藏静态描述发展，与储层的地 质、地球物理资料结合，建立油气藏的地质模型，计算其油气储量。 1 2 3 数控时代 7 0 年代，西方国家开始使用数控测井技术，提高了碳酸盐岩层的油气藏 勘探和开发效益。c s u 数控测井系统是美国斯仑贝谢公司1 9 7 5 年推出的车载 计算机实时测并系统，该系统对处理超深井、疑难井的能力较强【9 j 。美国普 宜公司生产的c l s 数控测井系统适用于裸眼井和套管井的测井工作，功能比 较齐全，属于一种实时测井信息采集、处理系统。d d l 一数控测井系统由 吉尔哈特工业公司设计并制造，于1 9 7 5 年首次研究成功，于八十年代中期形 成整机，系统中充实了比较先进的计算机技术及电子技术1 1 。12 1 。中国使用 数控测井技术始于8 0 年代初，在使用时间上几乎与西方同步。与数字测井仪 器比较，数控测井仪器更先进、功能更全、精度更高、系列更配套，并且开 发出一批属于高新技术产品的井下仪器。这一时期的主要特点是： 1 地面仪器是由车载计算机和外围设备组成的人机联作的地面测井系 统，完成对井下仪器测量数据的采集、实时控制和实时记录，并能在井场进 行快速分析，以保证测井资料的质量。 2 井下仪器的特点：1 ) 出现了一些测量储层新物理参数的仪器，如电 磁波传播、高分辨率地层倾角、长源距声波、岩性密度等测井仪器；2 ) 采 用多传感器、大信息量的办法，改进原有仪器，提高分辨能力和测量的准确 性；3 ) 可根据测量的结果实时监控测井仪的工作状态，使其能在最佳状态 下工作，从而保证测井资料的准确性和精度。 3 由于测井资料的分辨率和准确性的提高，加上新的岩石物理参数可 供利用，测井资料可以更加精细地进行油气藏描述。 1 2 4 成像时代 所谓成像测井技术，就是在井下采用传感器阵列进行扫描测量，沿井眼 纵向、周向或径向大量采集地层信息，传输到井上以后通过图像处理技术得 到井壁的二维图像或井眼周围某一探测深度以内的三维图像。这比以往的曲 线表示方式更精确、更直观、更方便。成像测井仪器有别于数控测井仪器的 特点，就在于成像测井仪器的设计都在某种程度上考虑了地层的复杂性和非 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 均质性，尽管有些成像测井( 如偶极横波成像测井) 仍然是以曲线方式而不 是以成像方式作为测并成果输出。 自上世纪9 0 年代以来世界三大测井公司相继推出成像测井系统：斯仑贝 谢公司的m a x i s 一5 0 0 、阿特拉斯的e c l i p s 一5 7 0 0 及哈里伯顿的e x c e l l 一2 0 0 0 型成像测井系统，并不断发展新的井下仪器，丰富和完善整个系统。在我 国，微电阻率扫描成像测井、井下声波电视、e a r 一2 0 0 0 成像测井地面设备 己研制成功i ”。这一时期的主要特点是： 1 把微处理器用于井下仪器，把计算机工作站用于地面装置，测量结 果由传统的测井曲线变成二维或三维图像，使人们对井下地质状况的认识出 现大的飞跃。 2 井下仪器采用小型传感器，实现阵列化、组合化，可以进行阵列测 量并用图像化表示测量结果。许多井下仪器已向成像发展，1 9 9 8 年己经出现 核磁共振成像测井仪。 3 井下成像仪器的新发展是将多种参数的传感器组合成一个单一的仪 器，称之为“快测平台”，可以减少下并仪器的长度，节省测井时间，降低 成本。 4 成像测井资料有利于油气藏评价，地层的不均质性是油藏描述的难 点，成像测井使地层评价更完善，使油藏描述更准确，特别是可以对薄层、 复杂岩性及裂缝等复杂结构的油气藏进行评价，提高复杂油气藏的勘探和开 发效益。 1 3 测井仪器输送方法的发展 在垂直井或微倾斜井中，测井仪靠自身重力用电缆下放入井内。大斜度 井，尤其是水平井出现以后，在水平井段内重力不能帮助测井仪运动，而要 测量的目的层的长度有几十或数百米，因此必须寻找把仪器送到井底的新方 法。为了满足上述需要，出现了四种新的仪器下井方法。第一种是随钻测量 法( m w d ) ，钴杆作为移动井下仪器的手段，下井仪器产生的数据通过泥 浆进行传输：第二种采用钻杆作为下井仪和地面之间的刚性连接件，称为钻 杆输送测井法( t o o l p u s h e r 法) ：第三种是以伸缩管原理为基础的泵入法 ( p u m pd o w ns t i n g e r ) ；第四种是采用挠性管技术( c o i l e dt u b i n g ) 。上述 后3 种技术都用电缆进行数据传输。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 1 随钻测量法 目前在水平井钻井中的主要技术是随钻测量法( m e a s u r e m e n tw h i l e d r i l l i n g ，简称m w d ) ，随钻测量系统由井下传感器组件、数据传输或井下 记录装置与地面检测处理设备组成。所有随钻测井系统( l o g g i n gw h i l e d r i l l i n g ，简称l w d ) 仅靠钻头上部的传感器来测量钻井参数与地层参数。 钻井期间测量的水平井成功钻进的基础是l w d 数据和m w d 方向数据。 l w d 工具能提供所钻的井眼地层信息。这些数据决定如何改变井眼的方向 使之达到所希望的目标，这种方法就是所说的“地质导向”。地质导向技术 包括可靠的导向系统、改进的新型地层物理测量工具、测井数据模型，近钻 头传感器，以及具有三维地震方法处理的详细的构造图。地质导向钻井中使 用的典型的井底组合和钻柱组合：如图1 1 所示，钻头+ 地质导向系统( 测传 马达、近钻头电阻率测量仪、伽马和井斜测量仪) + 地质导向工具接收短节 ( 接收来自导向系统的数据) + m w d 钡4 斜仪+ 无磁钻铤( 是为把m w d 的方 位误差减至最小或安装l w d 的中子孔隙度仪器) + 钻杆。这样，利用钻头处 的测量数据可以快速检测正在改变的岩性，这正是地质导向的依据 6 - 7 1 。 加重无碰钻杆无磁钻铤螺杆钻头 图1 - 1 水平井井下钻杆组合【7 1 f i g i 1t h ea s s e m b l yo f u n d e r - w e l ld r i l lp i p eo f h o r i z o n t a l w e l l 【7 】 1 3 2 钻杆输送测井 将测井仪装在钻杆底端，用钻杆移动下井仪，如图1 2 所示，通过电缆 传输数据信息，用增减钻杆来下放和起出井下仪。该系统由三个主要部分组 成：1 ) 井下测量仪及保护设备：2 ) 下井仪和钻杼之间接口上的电接头； 3 ) 带密封盒的侧入短节。因为这种方法采用钻杆输送下井仪，所以该种方 法在理论上适用于各类水平井，测井范围可覆盖整个水平井段，且所有常用 测井仪的组合均可使用。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 护器 加重杆 图1 - 2 钻杼输送测井系统【1 7 】 f i g 1 - 2d r i l lp i p et r a n s p o r t a t i o nw e l l m e a s u r e m e n ts y s t e m l l 7 】 l ，3 3 泵入技术 用这种技术，下并仪和挺杆通过钻杆( 或油管) 泵入井中，并由一个预 先布线的挺杆( 延伸电缆) 输送到钻杆( 油管) 外的井中 1 8 - 1 9 1 。下井仪装 在由丝扣连接在一起的挺杆的一端，保证机械连接和电气连接。挺杆通过带 有皮碗的主轴( 称作“牵引器”) 同电缆连接。对形成活塞作用的牵引器加 压，使下井仪通过钻杆( 油管) ；回收下井仪靠上提电缆。 图1 - 3 泵入挺杆系统 f i g 1 3p u m pj i bs y s t e m 井仪 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 l _ 3 4 挠性管输送测井系统 下井仪直接装在挠性管的一端，挠性管盘在滚筒上，电缆预先装在挠性 管中。下井仪和挠性管之间的接头确保挠性管下端的机械和电气连接。而在 地面上，电缆的输出通过滚筒轴上的集流环。用标准的挠性管注入器的头部 来控制管子在井里的上下移动， 1 4 本课题的来源及主要研究内容 1 4 1 本课题的来源及研究意义 随着石油与天然气工业的发展，尤其勘探的难度越来越大，测井技术面 临许多地质和工程方面的难题，由于水平井井身条件的特殊性，必须采用钻 杆推进才能将测井仪器送达目的层，完成测量。这就对测井仪器和测井施工 提出了特殊的要求：1 ) 测井仪器要尽可能地按照测井系列的要求，一次完 成全部组合下井项目的测量；2 ) 钻杆推进测井中仪器不能出现故障，如果 造成二次起下钻，会造成人力、物力的极大浪费；3 ) 能够随时监视井下仪 器受力和电缆受力情况，以保护仪器、电缆安全。 鉴于以上的要求，能够引导测并仪器多次进出油井的系统成为测并过程 中迫切要求的，在此情况下测井仪器的牵引器应运而生，并且这种牵引器不 仅可以用在油井测量中，同时可以用在很多种的管道测量过程中。目前的测 井系统中七芯电缆和单芯电缆成为供电及传输信号的媒介，而七芯电缆成为 更为普遍使用是一种趋势。由于本课题是在原有测井系统的基础上作一些更 为完善的探索工作，所以使用的仍是七芯电缆。工作环境为井下2 0 0 0 米左 右，测井仪器的工作温度范围为一2 5 一+ 1 2 5 。 1 4 2 本课题的主要研究内容 大庆油田希望研制一种可以拖动仪器在水平井中前后移动的牵引装置， 这样在测井时就不必耗费巨大财力和物力，而本论文的主要内容是此牵引装 置的电控系统部分。 1 基于要实现的功能对控制系统进行总体设计并选择耐高温和高压的 元器件。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 在系统的总体设计基础上进行控制系统硬件电路部分的设计，通过 调试，并说明了在绘制印刷电路板时应注意的问题。 3 进行硬件设计的同时考虑软件的功能，利用软件功能尽量减少硬件 电路，减少外界的干扰，编写单片机的软件系统，并且进行单片机与上位机 通讯程序的设计。 4 进行实验，验证系统的可行性及可靠性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章牵引器电控系统的方案设计 2 1 牵引器电控系统的设计思想 目前，国内的测井仪器多是采用钻杆推进一次完成多组数据的测井任 务，如若出现故障及某些数据需要重新测量时就要造成二次下钻，这样则又 需要耗费巨大的人力、物力，并且当不用测量井下的数据而只是用来实施对 井下温度，压力以及电压等情况实时监控而达到保护电缆及井下仪器的目的 时，钻井系统又显得极为浪费。不仅如此随着科学技术的不断发展，人们生 活水平的不断提高，管道作为一种传送物料的有效手段也被广泛应用。而管 道在长期使用过程中，由于受到管内、管外介质的腐蚀等原因，会产生裂 纹、漏孔而出现漏油、漏气、漏水现象，为此必须对管道进行定期检查和维 修。采用人工开掘进行检测，不但劳动强度大、效益低，而且还有很多管道 的安装环境人们不能直接到达或不允许人们直接介入，此时虽然管道机器人 可以完成诸多的检修及监测任务，但能源又是摆在面前一个急需解决的问 题，若管道机器人采用无缆方式，就面临着能源不足有去无回的危险，而采 用有缆方式则电缆自身的重量及电缆与管壁巨大的摩擦力又使管道机器人行 走的距离有限。 牵引器的产生则解决了以上的难题。首先需要反复下井时，只需牵引器 拖动仪器，这样所需的人力物力则比二次下钻节省很多，其次在只需完成监 测任务时，则不必启用钻井系统，只需牵引器及很简单的系统就可以完成任 务，再次，在使用管道机器人时，只需牵引器有足够的动力就可以驱动行走 很大的距离，同时也解决了管道机器人的能源供给问题。 2 2 牵引器电控系统的方案的建立 本课题所设计的牵引器的电控系统所要达到的功能为驱动牵引器的电 机，所用电机为两个推靠电机、两个爬行电机，可以同时驱动四个电机也可 以分别驱动，同时进行管内温度、压力、供电电压的测量并将数据传送给上 位机。 控制系统由上位机( p c 机及供电和传输信号的切换电路) ，控制板( 下 哈尔滨工业大学工学碗士学位论文 位机芯片p i c 单片机及外围电路、调制解调电路板) ，继电器，电缆网络等 四部分组成。监测装置根据需要由温度、压力和电压转换装置进行信号的采 集、转换，驱动装置用来驱动电机的运转，并把这些信息与上位机进行通讯 以达到人在井上实现对井下的操作和监控的目的。控制板需密封在特制的箱 体内，安全可靠。 图2 1 牵引器电控系统方框图 f i g 2 1 s k e t c hm a po fr e t r a c t o re l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m 2 3 控制系统的核心部分p i c 单片机 2 3 1 监测系统的处理器的选择 ( 1 ) 采用单片机的测控系统单片机即单片微型计算机( s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e r ) ，它是工业控制和智能化系统中应用最多的模式。这种模 式的最大特点是设计者可以根据自己的实际需要出发设计一个单片机系统， 因而更加方便，更加灵活，井且成本低，通过在单片机的基础上再扩展一些 输入输出接口( 女n a d 、d a 、键盘显示、控制输出等接口) ，然后再开发一 些应用软件，即可组成完整的单片机系统。 随着大规模集成电路的发展，近年来出现了各种各样功能完备的单片 机，当前主要使用的是8 位和1 6 位的单片机。8 位的单片机的典型代表是 i n t e l 公司的8 0 5 1 ( 8 7 5 l 、8 9 5 1 ) 和m o t o r o l a 公司的m 6 8 0 5 ，m 6 8 h c l l 等。这类单片机的特点是性能好，使用简单，价格低。1 6 位单片机的典型代 表是i n - t e l 公司的m c s 9 6 系列( 8 0 9 6 ，8 0 c 1 9 6 k b 。8 0 c 1 9 6 k c 等) 和 m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c l 6 系列( 6 8 h c l 6 2 1 、6 8 h c l 6 2 2 等) ，这类单片 机速度快、功能强，适合较复杂的测控系统。除了上述两类型的单片机外， i n t e l 公司还开发了3 2 位单片机如8 0 3 8 6 s x 。其特点是数据处理功能强大， 直接寻址范围大( 6 4 m b ) 。p c d o s 兼容，相信此类单片机有较为乐观的使 略尔滨工业大学工学硕士学位论文 用前景。 另p l m i c r o c h i p 公司生产的p i c 单片机也受广大用户的欢迎，在国内拥有 大量的用户。该单片机采用精简指令集：r i s c ) 、哈佛总线结构、流水线取 指令方式，具有实用、低价、指令集小、简单易学、低功耗、高速度、体积 小、功能强及抗干扰能力强等特点。微芯公司的单片机已经成为世界单片机 的主流产品。 ( 2 ) 采用p l c 的测控系统p l c ( 可编程控制逻辑器) 采用微处理器 为主控制器，采用大规模集成电路为存储器和i 0 接口，其特点是可靠性 好，编程容易( 采用梯形图，命令语句较少) ，组合灵活，输入输出功能模 块齐全，安装方便等，p l c j 煲, u 控系统的使用非常迅速，应用也日趋广泛。 ( 3 ) 采用s t d 总线工业控制机的测控系统s t d 总线是目前工业控制 中应用最多的总线之一，其特点是小板结构模块化设计，标准化和兼容化较 好。面向i o 设计，可靠性好。正由于s t d 总线有这些优点，所以设计s t d 总线工业控制机测控系统非常轻松，首先选择一个最小系统，然后根据实际 需要选用各种功能接口板即可。 ( 4 ) 采用工业p c 的测控系统所谓工业p c 就是在原来个人计算机的 基础上进行改造，使其结构和功能更适合工业测控的需要。这样，工业p c 一方面继承了个人计算机丰富的软件资源( 如w i n d o w s 、程序开发工具、文 字处理软件等) ，使软件开发更加简单，另一方面又继承了s t d 总线工业控 制机的模块化优点，更加适合工业控制。工业p c 一般用于大型的工业控制 系统，可靠性和实时性非常高。 2 3 2 p i c 单片机的特点 p i c ( p e r i p h e r a li n t e r f a c ec o n t r o l l e r ) 单片机是一种用来开发的用来控制 外围设备的集成电路( i c ) ，是一种具有分散作用( 多任务) 功能的c p u 。 用p i c 单片机使电路做的很小巧变得可能，因为p l c 单片机可以把计算部 分、内存、输入和输出等都做在一个芯片内。所以工作起来效率很高。p i c 单片机的硬件特点有如下几方面f j j ： 2 3 2 1 在提高效率方面由从前的冯诺依曼型总线结构到哈佛总线结构， 由在同一个存储空间的取指令和数据不能同时进行到指令和数据空间是完全 分开的，可以对程序和数据同时进行访问。r i p i c 单片机可以在一个指令周 期中执行冯一诺依曼型单片机两个周期中的命令。以前的取指和执行采用单 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 指令流水线结构，而p i c 的取指和执行采用双指令流水线结构，当一条指令 被执行时，允许下一条指令同时被取出，这样就实现了单周期指令。 2 3 2 2 在其它方面p i c 单片机的所有寄存器都采用r a m 结构形式，而且 都只需要一个指令周期就可以完成访问和操作；而其它单片机需要两个或两 个以上的周期才能改变寄存器的内容。p i c 最大的特点是不搞单纯的功能 堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足 不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求 也是不同的。 ( 1 ) 精简指令使其执行效率大为提高p i c 系列8 位c m o s 单片机具有独 特的r i s c 结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线( h a r v a r d ) 结构，使 指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数，这与 传统的采用c i s c 结构的8 位单片机相比，可以达n 2 ：1 的代码压缩，速度提高 4 倍。 ( 2 ) p i c 有优越开发环境p i c 在推出一款新型号的同时推出相应的仿 真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。其引脚具 有防瞬态能力，通过限流电阻可以接至2 2 0 v 交流电源，可直接与继电器控 制电路相连，无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 ( 3 ) 良好的保密性p i c 以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔 断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，p i c 采用熔丝深埋工 艺，恢复熔丝的可能性极小。 2 3 3p i c l 8 f 4 x 2 的特点 p i c l 6 f 4 x 2 是微芯( m i c r o c h i p ) 公司的高档产品，集a i d 转换器、内 部e 2 p r o m 存储器、比较输出、捕捉输入、p w m 输出、1 2 c 总线和s p i 总线接 口电路、异步串行通信( u s a r t ) 接口电路、模拟电压比较器、l c d 驱 动、f l a s h 程序存储器等许多功能，可以方便地在线多次编程和调试。本 控制系统由于工作环境的恶劣，所以只能选用军品单片枫，型号为 p i c l 8 f 4 5 2 ，特点如下 2 2 】： ( 1 ) 具有高性能的r i s cc p u 及数模转换特性高达2 m b 的程序存储 器，高达4 m b 的数据存储器，d c 4 0 m h z 带p l l 锁相环的有源晶振时钟输 入，1 6 位宽指令，8 位宽数据通道，带优先级的中断。 1 0 位，高达8 个通道的模数转换模块，在芯片休眠时可以进行a d 转 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 换，模拟比较模块具有可编程多路输入输出技术，比较器参考电压模块， 可编程的低电压探测模块支持低电压检测时产生中断，可编程的锁定复位。 ( 2 ) 具有好的外围功能模块特性最大拉电流灌电流可达2 5 m a ，3 个 外部中断引脚，定时器t m r 0 带有8 位可编程前分频器的1 6 位定时器计数 器，定时器t m r l 是1 6 位定时器计数器，定时器t m r 2 带有8 位周期寄存器 的8 位定时器计数器( 可作为p w m 的时基) ，定时器t m r 3 是1 6 位定时器，计 数器，芯片有2 种振荡器时钟选择分别为定时器t m r l 或定时器t m r 3 ，捕捉 比较脉宽调制( p w m ) ( c c p ) 模块，c c p 引脚配置为捕捉输入，脉宽调 制( p w m ) 输出，分辨率为1 1 0 倍，最大p w m 频率，8 位分辨率时为 1 5 6 k h z ，1 0 位分辨率时为3 9 k h z ，有2 种工作方式的主同步串行通信 ( m s s p ) ：3 线s p i 主控方式( 支持所有4 种s p l 2 1 2 作模式) ，i i c 主控从动方 式，可寻址的u s a r t 模块，支持中断地址位。 ( 3 ) 单片机的特殊的性能：上电复位电路( p o r ) 、上电延时定时器 ( p w r t ) 和振荡器起振定时器( o s t ) ，带有片内r c 振荡器的监视定时器 ( w d t ) ，可编程代码保护功能，休眠( s l e e p ) 省电方式，可选择不同的 振荡器工作方式，通过2 个引脚可进行在线串行编程。 低功耗高速增强型f l a s h 技术，全静态设计，宽范围的工作电压，工 业级和扩展级温度范围，低功耗。 2 4 数据采集技术 数据采集技术是信息科学的一个重要组成部分。信息技术的核心是信息 获取、通信和计算机技术，常被称为3 c 技术( 即c o l l e c t i o n ，c o m m u n i c a t i o n a n dc o m p m e r ) ，其中信息获取是基础和前提【2 3 。数据采集技术是信息获取 的主要手段。目前各种各样的数据采集系统已得到广泛的应用，新型数据采 集系统仍不断涌现。 数据采集就是将被测对象的各种参量通过各种传感元件做适当转换后， 再经过信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数 据处理或记录的过程。控制器一般均由计算机担任，所以说计算机是数据采 集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。 2 4 1 采样定理， 采集的模拟量无法被计算机识别，因此就要转化为数字量，而处理的结 =篁堑兰三兰奎兰三兰竺圭兰堡篓圣 != 蕊，一， 图2 2 采样信号的波形【2 4 】 f i g 2 2t h ew a v e f o r mo fs a m p l i n gs i g n a l 2 4 图2 2 表明采样过程，输出信号可以看成是连续信号与脉冲序列的乘 机，可用式2 1 表示： 如形= f l o p ( 2 - 1 ) 采样获得的信号仅仅是连续信号在采样时刻的值，为了从采样值( 即离 散信号) 中恢复出原来的连续信号，应该按照采样定理来确定采样频率。采 样定理表述为：为了使采样信号能完全恢复连续信号，采样频率( 即p 的频率) f s 必须不小于信号最高有效频率届的两倍，采样定理可用如式2 2 表 不： f s 蝴 ( 2 - 2 ) 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 4 2 采样方法 采样定理为确定采样频率提供了理论依据，它对信息理论的发展具有重 要的意义，但在具体实现由连续信号到离散信号的转换时，又涉及到采样方 式问题。设计采样方式的总的原则是：以保证采集精度为前提，以被测信号 的具体特性为依据，尽量以较低的速率实现采样，从而减少数据量，降低对 传输、变换系统的要求，提高数据处理的效率。 基本的采样方式可分为两大类：实时采样和等效时间采样。对于实时采 样，当数字化一开始，信号波形的第一个采样点就被采样并数字化，然后， 经过一个采样间隔，再采入第二个子样，这样一直将整个信号波形数字化后 存入存储器。实时采样的优点在于信号波形一到就采入，因此适应于任何形 式的信号波形，重复的或不重复的，单次的或连续的。又由于采样点是以时 间为顺序，因而易于实现波形显示功能。等效时间采样技术可以实现很高的 数字化转换速率，但这种采样方式的应用前提是信号波形可以重复产生的。 由于波形可以重复取得，故采样可以用较慢的速度进行，采样的样本可以是 时序的( 步进、步退、差额) ，也可以是随机的，这样就可以把许多采集的 样本合成一个采样密度较高的波形。 本采集系统的采样方式选择为实时采样，即采用相等的时间间隔对温度 等信号进行连续采样，每次采样经数字化后将结果送入p c 机进行显示。 2 5 本章小结 在对系统总体分析的基础上对控制系统的总体方案进行设计，并对比了 各种单片机的特性选取了下位机使用的单片机，重点介绍了p i c 单片机的优 良性能。采样定理及采样方法给设计硬件电路采集部分提供了依据。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章牵引器电控系统的硬件设计 3 1 控制电路的实现功能 某个电路的开发设计，首先必须规划出此电路要实现的功能，而后根 据所要求的功能进行电路硬件的设计。本控制电路按功能分为两部分：一方 面是监测井下环境情况的监测电路，另一方面是控制电机的控制部分。报据 监测电路的应用场合主要为：各种系统运行参数的长期监测和数据采集，此 外科学实验中长期稳定数据的测试和记录等。本控制电路数据采集器主要应 具备的功能为以下几点： ( 1 ) 具有数据测量的功能监测电路数据采集器的根本功能为井下温 度测量、井下压力测量、供电电压测量，为此作为监测电路数据采集器的 设计来讲，首先要规划和必须考虑的就是数据采样测量的实现，这就是通 常所讲的监测电路前向通道的设计。这部分主要包括数据的采样，即现场 传感器的选择，如何将温度信号转化为芯片所能检测的电信号，信号的放 大，即将传感器的较微弱的毫伏的电信号转化为p i c 单片机所能接收的伏和 安培级的电信号；如何将压力信号转化为p i c 单片机所能接受的电压信号以 及如何将高压转化成符合单片机电压范围的电压值。电信号的量化、编 码，即模拟量向数字量的转化，以确切得到所测温度量、压力量、电压量 的值。 ( 2 ) 具有与普通微机的通信与实时的数据显示的功能本监测电路数 据采集器的主要特点是只做时实测量，而测量数据不需要输入计算机做后续 处理，但人是在井上观察井下监测电路所获得的工作及环境情况。为此就需 要监测电路数据采集器具有与普通微机的通信功能，从而可以让温度数据采 集器按照使用人的要求进行工作。如若温度或其它参数超过单片机所能承受 的范围，则单片机可能会停止工作，此时就要采取措施使环境参数得以恢复 到单片机工作范围之内，以便使单片机能够正常工作。 ( 3 ) 具有控制电机的功能电机是驱动仪器在管内得以运动的原动 力，爬行电机的正转和反转代表了仪器的前进和后退，而推靠电机的正反 转则代表了爬行齿轮的伸出和收回。 以上即为本监测电路数据采集器需要实现的功能，当然在设计电路板 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 时还要考虑尽量减少元器件，可以用软件实现的择用软件实现。 3 2 控制系统的总体设计 基于以上要实现的功能进行了控制系统的总体设计，如图3 1 ：检测到 的温度、压力和供电电压的信号经过滤波、放大、整形等调整使输出的电压 值符合a d 参考电压进而进行a d 转换。由于p i c l 8 f 4 5 2 单片机内核自带a d 转换功能，所以不用再使用其他的a d 转换芯片，a d 转换的过程是由软件 设置完成的。经过a d 转换后的1 0 位数字信号，传送：至) j m o d e m 完成调制后 经电缆输送给地面系统，再经m o d e m 的解调回复原信号，然后经电平转换 传送给p c 机。这样就完成了井下信号的监测任务。而完成电机的控制需要 上位机的控制，控制电路地实现部分只需要单片机可以控制继电器的吸合和 断开。 图3 i 电控系统方框图 f i g 3 1s k e t c hm a p o f e l e c t r i c a lc o n t r o ls y s t e m 3 2 1 主要元器件的选择 由于所设计的控制系统要工作在井下高温环境，所以在选用元器件时， 要使用耐高温元器件。根据国内各油田实际，1 0 0 0 米以下的井占绝大多数， 为确保仪器的高温稳定性，测井行业标准规定，设计工作温度要达到1 2 5 。为了达到这一要求，对电阻、电容、集成电路及运算放大器等从以下几 个方面来选用。 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 控制芯片的选择在前面的章节中已经叙述t m i c r o c h i p 公司生产 的p i c 单片机的特点，基于阻上特点，在控制系统的设计中选择p i c l 8 f 4 5 2 型号的单片机作为下位机芯片，其引脚图如图3 2 所示： m c l r r , ；：p 一 獬p 一0 一 r a 拽n 1 一籼捌 2 拒；a r a 削3 ：一r 划，r 0 c k l i 吐! h k 掣s s 矗- 、o 舳一 r 曲