隨鉆儀器地面工控計算機的研究

尹金東，李昌紅，蔣 韜

（1.鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413；2.大慶油田第一采油廠第四油礦，黑龍江大慶163000）

1 概述

隨著大斜度井、水平井以及海上鉆井作業(yè)的增加，隨鉆測井在國內(nèi)外已發(fā)展成為成熟的測井技術(shù)，隨鉆測井取代電纜測井已成為必然的趨勢。我國要緊跟世界石油工業(yè)先進技術(shù)的發(fā)展步伐，實現(xiàn)跨越式發(fā)展，達到提高國內(nèi)隨鉆測井技術(shù)水平的目的，就要有發(fā)展隨鉆測井技術(shù)的新思路。工控計算機是整個系統(tǒng)的重要組成部分，可以把采集的井下被測參數(shù)的瞬時值隨時間的變化過程記錄下來，并進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)地層和構(gòu)造模擬與解釋，完成地層評價，是鉆井決策的最重要依據(jù)。

2 地面系統(tǒng)工作原理及研究內(nèi)容

地面系統(tǒng)主要由傳感器組（包括壓力傳感器、井深跟蹤傳感器、大鉤載荷傳感器）、接線盒、司鉆顯示器、井下數(shù)據(jù)采集處理儀、工控計算機、打印機/繪圖儀構(gòu)成。井下數(shù)據(jù)采集處理儀為壓力傳感器、井深跟蹤傳感器、大鉤載荷傳感器、司鉆顯示器提供安全的工作電壓、電流，傳感器組將檢測到的各組電壓或者電流信號經(jīng)接線盒傳輸?shù)骄聰?shù)據(jù)采集處理儀及工控計算機中的數(shù)據(jù)采集卡，工控計算機在現(xiàn)場把信號較高精度地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，對其進行處理、計算，得到有關(guān)測量數(shù)據(jù)。并且能通過遠傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到其他控制器中。

本次對工控計算機的研究工作主要有：

①計算機的選型；

②數(shù)據(jù)采集卡的選型與設(shè)計。

借鑒現(xiàn)有的成果，吸收成熟的技術(shù)；外購設(shè)備的選擇上，采用穩(wěn)定的產(chǎn)品，以能滿足實際工作情況為第一目標，爭取在最短的時間內(nèi)完成樣機的研制與測試。

3 工控計算機的選型

工控計算機是地面系統(tǒng)的大腦，為了確保計算機能夠在現(xiàn)場復(fù)雜惡劣的自然環(huán)境中可以長時間無故障運行，所以采用工業(yè)控制計算機（工控機）作為系統(tǒng)軟件計算機。

工控機（Industrial Personal Computer—IPC）是一種加固的增強型個人計算機，它可以作為一個工業(yè)控制器在工業(yè)環(huán)境中可靠運行。通俗地說就是專門為工業(yè)現(xiàn)場而設(shè)計的計算機，而工業(yè)現(xiàn)場一般具有強烈的震動，灰塵特別多，另有很高的電磁場力干擾等特點，且一般工廠均是連續(xù)作業(yè)即一年中一般沒有休息。因此，工控機與普通計算機相比具有以下特點：

（1）機箱采用符合“EIA”標準的全鋼化工業(yè)機箱，增強了抗電磁干擾能力，有較高的防塵、防沖擊的能力。

（2）機箱內(nèi)有專用底板并采用總線結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計技術(shù)。CPU及各功能模塊皆使用插板式結(jié)構(gòu)，并帶有壓桿軟鎖定，提高了抗沖擊、抗振動能力。隨著工控機被大量用于工業(yè)現(xiàn)場，基于母板的系統(tǒng)是不靈活的，為了修復(fù)或更新系統(tǒng)需要更換整個母板。更換母板需要在母板拿走之前把所有的插卡和電纜都拔掉。這就導(dǎo)致修復(fù)或更新時系統(tǒng)停機時間增加，這在工控現(xiàn)場是不可接受的。因此工程師們想到另外一個方法，取消母板架構(gòu)，而把核心的CPU處理單元做在一張插卡上，其它的擴展界面則做在底板上，底板是由一些連接器和無源器件組成的。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)更新和修復(fù)簡單而且停機時間最少。這種設(shè)計理念影響了整個工控機的發(fā)展。

（3）機箱內(nèi)裝有雙風(fēng)扇，正壓對流排風(fēng)，并裝有濾塵網(wǎng)用以防塵。

（4）機箱內(nèi)有專門電源，有過壓、過流保護，并有較強的抗干擾能力。

（5）要求具有連續(xù)長時間工作能力。

（6）電源及鍵盤均帶有電子鎖開關(guān)，可防止非法開、關(guān)和非法鍵盤輸入。

（7）開放性好，兼容性好，吸收了PC機的全部功能，可直接運行PC機的各種應(yīng)用軟件。

（8）可配置實時操作系統(tǒng)，便于多任務(wù)的調(diào)度和運行。

（9）一般采用便于安裝的標準機箱（4U標準機箱較為常見）此整體架構(gòu)也有助于整體系統(tǒng)的散熱，系統(tǒng)的風(fēng)流圖如圖1所示。

圖1 機箱風(fēng)流圖

除了以上的特點外，其余特點與普通計算機基本相同。另外，由于以上的專業(yè)特點，同層次的工控機在價格上要比普通計算機稍高。因此我們選擇工控機作為整套地面設(shè)備的系統(tǒng)軟件計算機。

壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集卡的選型：進口的由壬式壓力傳感器價格昂貴（5000美元左右），國產(chǎn)的螺紋扣式壓力傳感器雖然價格相對便宜（3000元人民幣左右），雖然在耐用性上與進口的由壬式壓力傳感器相比有很大的差距，但可以在國產(chǎn)螺紋扣式壓力傳感器的基礎(chǔ)上，進行改進，提高耐用性又可以合理的控制成本（5000元人民幣左右）。目前樣品已經(jīng)設(shè)計制作完成，車間測試效果良好。

壓力傳感器的信號采集工作是由工控計算機內(nèi)的一塊附加數(shù)據(jù)采集卡完成的。壓力傳感器輸出的電壓或者電流信號通過數(shù)據(jù)采集卡在現(xiàn)場把信號進行采樣、保持，并送入A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）變成數(shù)字信號，然后將該信號送到FIFO（先進先出的數(shù)據(jù)緩存器）中。當FIFO中存放的數(shù)據(jù)到了一定數(shù)目時，由處理器從FIFO中讀出，然后通過遠傳通信技術(shù)（如485、232、以太網(wǎng)、各種無線網(wǎng)絡(luò)）把數(shù)據(jù)傳到計算機或者其他控制器中進行處理。

數(shù)據(jù)采集卡選用美國國家儀器有限公司（National Instruments）的PCI-6030E數(shù)據(jù)采集卡，如圖2所示。NI PCI-6030E具有可靠的數(shù)據(jù)采集能力，其指標可達16位分辨率的16路單端模擬輸入和100kS/s的采樣率，NI PCI-6030E讀寫不同類型的硬盤的速度最大可達100kS/s，可滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。

圖2 PCI-6030E（PCI-MIO-16XE-10）數(shù)據(jù)采集卡

4 數(shù)據(jù)采集子卡的設(shè)計

此款數(shù)據(jù)采集子卡與PCI-6030E數(shù)據(jù)采集卡配合使用。此款數(shù)據(jù)采集子卡所涉及的電子元器件對工作環(huán)境沒有特殊要求（-20℃～70℃），均為市面上正在銷售的產(chǎn)品，采購方便。數(shù)據(jù)采集子卡原理圖及PCB電路圖如圖3所示，實物如圖4所示。

圖3 數(shù)據(jù)采集子卡原理圖及PCB電路圖

圖4 設(shè)計制作的數(shù)據(jù)采集子卡PCB板

5 通訊方式

工控計算機與井下數(shù)據(jù)采集處理儀可以通過ARCNET（采用光纖或者網(wǎng)線作為傳輸介質(zhì)）、RS232等傳輸方式進行數(shù)據(jù)交換。

光纖通信容量大并且頻帶寬，可利用的帶寬約為50000GHz；損耗低，中繼距離長；并且光纖是絕緣體材料，它不受自然界的雷電干擾、電離層的變化和太陽黑子活動的干擾，也不受電氣化鐵路饋電線和高壓設(shè)備等工業(yè)電器的干擾。因此大多地面設(shè)備的系統(tǒng)軟件計算機為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣取蚀_、穩(wěn)定，采用ARCNET的方式。但應(yīng)用此方式還需另選擇了光纖卡，以光纖卡PCX20-FOG-ST為例，售價在人民幣5000元左右，所以應(yīng)用ARCNET的方式成本較高。

因系統(tǒng)軟件計算機與井下數(shù)據(jù)采集處理儀正常工作時，距離很近（不足1m），并且之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，RS232傳輸方式也可滿足工作需要。為減少成本，選擇RS232傳輸方式，需注意的是，所用電纜必須做好屏蔽，以阻止電磁等干擾，這樣既滿足了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?、準確和穩(wěn)定性，又控制了成本。工控計算機與井下數(shù)據(jù)采集處理儀之間傳遞數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)電纜選擇百通（Belden）的產(chǎn)品，數(shù)據(jù)接頭的選擇上，決定選用雷莫（Lemo）的產(chǎn)品。不但可以保證井場數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，還可以保證與已有設(shè)備良好的兼容性，接線關(guān)系如圖5所示。

圖5 RS232傳輸方式關(guān)系圖

6 應(yīng)用前景

本項目研究成功后，解決了LWD隨鉆儀器井下工具通訊問題和地面的測井解釋問題，并優(yōu)化了定向模塊和電阻率模塊，提高了自主研發(fā)的隨鉆測井儀器的穩(wěn)定可靠性，為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的隨鉆測井儀器奠定更加堅實的基礎(chǔ)，降低了LWD應(yīng)用成本，應(yīng)用前景廣闊。