鉆井泵沖數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量方法研究*

呂治忠 ，朱克軍 ，鐘功祥

（1.西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500；2.遼河石油裝備制造總公司，遼寧 盤錦124010）

鉆井泵是石油鉆機(jī)的三大工作機(jī)組之一，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。鉆井泵沖數(shù)的變化能夠及時(shí)反映鉆井工程的鉆進(jìn)情況，如果鉆井泵出現(xiàn)超壓力或超負(fù)載工作時(shí)，將直接通過沖數(shù)變化反映出來，鉆井泵沖數(shù)的測(cè)量在鉆井多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是必須記錄的參數(shù)之一。

當(dāng)前常用的沖數(shù)測(cè)量方法是通過接近開關(guān)檢測(cè)動(dòng)力端輸入軸的轉(zhuǎn)速，再除以鉆井泵的減速比，便可得到實(shí)際的沖數(shù)，由于現(xiàn)有計(jì)量方法采用的是單位時(shí)間內(nèi)接近開關(guān)的脈沖數(shù)，如果測(cè)量時(shí)間太短(如 1 s)，則計(jì)算出來的沖數(shù)與實(shí)際沖數(shù)相差較大，故測(cè)量時(shí)間一般選得較長(zhǎng)(如5 s)，沖數(shù)測(cè)量較準(zhǔn)確但無法及時(shí)反應(yīng)鉆井泵沖數(shù)改變，不利于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井工程的鉆進(jìn)情況及時(shí)掌握。

采用單片機(jī)測(cè)量鉆井泵脈沖周期的方法，可以使鉆井泵的沖數(shù)測(cè)量在一個(gè)周期內(nèi)便能實(shí)現(xiàn)測(cè)量,提高了鉆井泵沖數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。

1 測(cè)量原理

采用周期測(cè)量的方法在鉆井泵的動(dòng)力輸入軸圓周上布置1片磁鋼，再安裝一只霍耳傳感器檢測(cè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鋼，當(dāng)磁鋼通過霍耳傳感器時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，如圖1(a)所示。圖1(b)所示是單片機(jī)晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖，在晶體頻率選定的情況下，其時(shí)鐘周期的時(shí)間確定不變，通過計(jì)量動(dòng)力端轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的兩脈沖周期下降沿間的時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù)，便可測(cè)量出轉(zhuǎn)速。兩脈沖之間的關(guān)系與圖 1中一致：tn=Nn×t0，式中，Nn為霍耳傳感器檢測(cè)到磁鋼一周內(nèi)的計(jì)數(shù)值，通過計(jì)算可以算出一周的周期，泵沖計(jì)算公式為:

式中i為鉆井泵的傳動(dòng)比，tn為一周的時(shí)間。

該方法測(cè)量出的轉(zhuǎn)速變化只是在動(dòng)力端轉(zhuǎn)動(dòng)一周便能反應(yīng)出轉(zhuǎn)速的變化，如果增加動(dòng)力端輸入軸上磁鋼的數(shù)量，還能夠更快地反應(yīng)沖數(shù)的變化情況。

單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器工作原理如圖2所示，51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2有三種工作模式：捕獲、自動(dòng)重新裝載（遞增或遞減計(jì)數(shù)）和波特率發(fā)生器[2]。自動(dòng)新裝載模式用于正反向計(jì)數(shù)時(shí)遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù)，波特率發(fā)生器用于串行通信。周期測(cè)量采用捕獲方式來準(zhǔn)確獲取每個(gè)周期的準(zhǔn)確時(shí)間。該方式使用內(nèi)部的時(shí)鐘周期來測(cè)量外部脈沖的周期[3]，如圖 2所示，當(dāng) C/T2=0時(shí)，使用內(nèi)部晶體通過分頻器來的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，TR2=1時(shí)，將自動(dòng)對(duì)OSC來的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)EXEN2=1時(shí)，且T2EX引腳上出現(xiàn)負(fù)跳變而引起捕獲或重裝時(shí)置位[3]，這樣，T2EX上的負(fù)跳變就可以用于硬件計(jì)數(shù)器T2的同步控制信號(hào)，在負(fù)跳變同步控制信號(hào)作用下，將TL2和TH2中的瞬時(shí)計(jì)數(shù)值就傳送到了RCAP2L和RCAP2H中，讀取RCAP2中的值將能夠得到脈沖下降沿的計(jì)數(shù)值。由于讀取的是RCAP2中的計(jì)數(shù)值，因此將不會(huì)受TL2和TH2寄存器中值的變化而使讀出的數(shù)據(jù)差異較大。

由于單片機(jī)的OSC是確定的，如果選擇OSC的晶體為12 MHz，經(jīng)12分頻后，送到定時(shí)器中的脈沖頻率為 1 MHz，其周期為 1 μs，式(1)中的 t0=1 μs。

鉆井泵的額定沖數(shù)為120沖，實(shí)驗(yàn)中鉆井泵的減速比為4.16：1，其動(dòng)力端的轉(zhuǎn)速約為 500 r/min，霍耳傳感器檢測(cè)到的脈沖周期約為0.12 s，每個(gè)周期的T2的計(jì)數(shù)值約為120 000個(gè)，計(jì)數(shù)周期的誤差為±1個(gè)脈沖，相應(yīng)的計(jì)時(shí)誤差最大為2 μs，其計(jì)數(shù)誤差所引起的轉(zhuǎn)速變化可以忽略不計(jì)。

2 脈沖測(cè)量硬件電路

脈沖測(cè)量硬件電路如圖3所示，霍耳傳感器H1為NPN 型，其“+”接 24 V 電源，“-”接 GND 地，“輸出”接發(fā)光二極管L1，TL521光電耦合器與單片機(jī)的P1.1/T2EX腳相連。發(fā)光二極管L1作為霍耳傳感器脈沖信號(hào)的指示燈，當(dāng)磁鋼片通過霍耳傳感器檢測(cè)端時(shí)，霍耳傳感器便輸出低電平，發(fā)光二極管L1點(diǎn)亮，P1.1/T2EX腳也由低電平變?yōu)楦唠娖?；?dāng)磁鋼通過霍耳傳感器后，其輸出信號(hào)斷開，發(fā)光二極管L1熄滅，在P1.1/T2EX上則為低電平，在該腳上的波形如圖1(a)所示。通過檢測(cè)P11上的脈沖信號(hào)的周期，便能測(cè)量出鉆井泵的沖數(shù)，由于動(dòng)力端每轉(zhuǎn)1周將在P11上產(chǎn)生1個(gè)脈沖周期，在采集到一個(gè)脈沖周期時(shí)，便可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速通過8字LED顯示出來，還通過RS485通信接入鉆井多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用C語言對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行開發(fā)，由于C語言具有功能豐富的庫函數(shù)、運(yùn)算速度快、編譯效率高等優(yōu)點(diǎn)，提高了軟件的開發(fā)速度。

單片機(jī)中斷程序流程圖如圖4所示，在軟件編寫過程中，采用了定時(shí)/計(jì)數(shù)器2測(cè)量主軸脈沖周期的變化。由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2為16 bit，其最大計(jì)數(shù)值為65535，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值超過 65 535時(shí)，這將使定時(shí)/計(jì)數(shù)器 T2在計(jì)數(shù)中產(chǎn)生溢出中斷，標(biāo)志位TF2置1，由軟件清除。在測(cè)量中，檢測(cè)TF2置位時(shí)計(jì)數(shù)值n+1，當(dāng)脈沖下降沿到來時(shí)，讀取RCAP2中的計(jì)數(shù)值，脈沖數(shù)的值應(yīng)該為：n×65 536+RACP2H×256+RACP2L。顯示屏的刷新時(shí)間為1 s，只要鉆井泵沖數(shù)在大于15沖/min的情況下，均能夠?qū)崿F(xiàn)每秒鐘刷新一次轉(zhuǎn)速的變化情況。鉆井泵的工作沖數(shù)一般在90沖/min～130沖/min，完全能夠滿足其沖數(shù)測(cè)量要求，通過RS485通信，可以更快速地檢測(cè)到轉(zhuǎn)速的變化情況。

圖4 鉆井泵沖數(shù)測(cè)量中斷程序流程圖

定時(shí)/計(jì)數(shù)器2周期測(cè)量的初始化程序如下：

中斷程序如下：

采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2實(shí)現(xiàn)變周期方式來測(cè)量鉆井泵沖數(shù)的方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國(guó)二重集團(tuán)公司的鉆井泵性能測(cè)試平臺(tái)上，沖數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確可靠，能夠及時(shí)反映出鉆井泵的沖數(shù)的變化，提高了鉆井泵的工作性能。采用變周期法測(cè)量轉(zhuǎn)速，可以及時(shí)檢測(cè)到鉆井泵沖數(shù)的變化，測(cè)量周期短。應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場(chǎng)，可及時(shí)反映出鉆井過程中鉆進(jìn)工況的變化情況，提高了鉆井工程的安全性。

[1]周明高，李相方，隋秀香，等.鉆井泵工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新方法[J].中 國(guó) 海 上 油 氣(工 程)，2002(10)：25-27.

[2]宏晶公司.STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].2009：67-77.

[3]馬忠梅，馬巖，張凱，等.單片機(jī)的 C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1997：113-122.