錄井傳感器模擬與自動識別系統研究

　　摘　要：本文從錄井傳感器的模擬、安裝操作檢測、傳感器的識別、傳感器動畫播放等方面對系統的實現過程進行了描述。經油田推廣應用，該系統功能完善，操作直觀，培訓效果好，應用前景廣闊。

　　本文源自何志敏; 梅大成， 電子技術與軟件工程 發表時間：2021-03-15 《電子技術與軟件工程》(半月刊)創刊于2012年，由中國電子學會主辦。旨在全方位推廣信息時代下電氣、電力、電工科學意識;關注電子各專業技術以及最新科研成果和進展;介紹軟件工程、科技、信息技術在社會各領域的應用，關注科技傳播與公民科學文化素質的提升。

　　關鍵詞：錄井;傳感器;模擬;自動識別;PLC

　　1 引言

　　錄井技術是鉆井井控工作的一項基礎技術，符合時代發展的基本需求，能夠科學分析出地質結構的整體構成情況及潛在的安全風險因素 [1]。傳統的綜合錄井培訓是通過閱讀錄井培訓手冊、聽取有經驗的錄井人員的講解、參加錄井現場實際操作等方式，傳統的綜合錄井培訓方式已經很難適應當前高節奏、高效率的石油天然氣工業生產發展需要 [2]。錄井模擬培訓系統通過對現場環境和儀器的仿真，使室內培訓效果接近現場，從而降低培訓成本和風險。在錄井模擬培訓中，一個關鍵的問題是培訓人員要能識別各種傳感器，并且在操作過程中，將各種傳感器安裝到正確的位置。每次操作，系統需要判斷出對應位置所安裝傳感器是否正確，如果正確，給出提示，顯示當前傳感器的值，并以動畫形式將該傳感器所處真實位置在圖形上放大顯示。如果錯誤，系統給出錯誤提示。

　　2 傳感器模擬與自動識別系統硬件設計

　　2.1 系統整體結構

　　由于鉆井工藝環境的要求，現場使用的多是特殊定制傳感器，價格一般都比較昂貴 [3]。本著經濟、耐用的原則，錄井模擬培訓系統采用傳感器模型來代替真實傳感器，大大降低了在培訓過程中由傳感器使用損耗而產生的費用。生產現場，錄井傳感器分布在井場的各個區域，而錄井模擬培訓系統的硬件采用的是按真實比例縮小的井場模型，該模型包括鉆井平臺、電機房、灌區、泥漿泵等。由于井場模型體積較小，不便于在其真實位置安裝傳感器，只用小標牌在其安裝位置標識傳感器名稱，而在井場模型平臺上設置多個航空插座，用來模擬傳感器的安裝位置。傳感器模擬與自動識別系統由傳感器模型、井場模型、主控機和圖形機幾個部分組成，其硬件結構如圖 1 所示。

　　傳感器模型通過 9 芯航空頭連接到井場模型平臺的航空頭插座上，傳感器的值通過 PLC 采集后傳送給主控計算機，主控計算機實時顯示當前傳感器的狀態，并發送消息給圖形計算機，由圖形計算機播放該傳感器動畫，將其在現場的具體安裝位置、當前值大小等模擬出來。

　　2.2 傳感器模擬

　　傳感器的主要作用是把現場的錄井參數轉化為電量，并對其進行初步處理 [4]。錄井傳感器的工作環境比較惡劣，現場對傳感器的特性選擇要求比較嚴格，在錄井模擬系統中，我們采用 1:1 的傳感器模型來對真實傳感器進行模擬。模擬過程需要實現兩點要求：一是每個模型能模擬傳感器的輸出值，此值是要能隨時改變的值;二是每個傳感器在鉆井模型平臺上都有一個固定的位置，傳感器模型必須能產生位置編碼，才能判斷是否安裝到了正確的位置。

　　2.2.1 傳感器輸出值的模擬

　　錄井模擬培訓系統需模擬的傳感器有懸重傳感器、H2S 傳感器、出口 / 入口溫度、出口 / 入口密度、出口 / 入口電導率、轉盤扭矩、立壓、套壓、液位、電扭矩、轉盤轉速、絞車、泵沖、出口流量等 17 個傳感器，其中，現場的絞車、轉盤轉速和泵沖傳感器輸出的是脈沖信號，其余的傳感器輸出的是 4~20mA 的電流信號。傳感器模型輸出的數據由 PLC 采集，PLC 作為一種穩定可靠、控制程序靈活可變的控制器，在工業控制系統中已經得到了廣泛的應用 [5]。PLC 選用的是 Siemens 公司的 S7-200，可以對 0~10V 電壓或者 4~20mA 電流進行采集。為了簡化傳感器模型的設計，所有模型的傳感器值均采用 10K 電位器串接 14K 電阻連接到 24V 電源，通過電位器分壓獲得 0~10V 的電壓值來模擬傳感器輸出值。S7-200 將傳感器的值傳送給主控機后，再由主控機按真實傳感器的特點進行處理。

　　2.2.2 傳感器位置編碼的產生

　　鉆井模擬平臺上有 17 個航空頭，每個航空頭代表一個傳感器的位置，事先設定各個航空頭的編號。每個傳感器模型需輸出對應的位置編碼，17 個傳感器模型需用 5 位二進制編碼來代表其位置。為了產生這 5 位編碼，可以采用多種方案。比如可以在每個模型中放一個旋轉編碼器，事先設定好編碼器的旋轉刻度，讓其輸出的編碼保持一個特定的數值。但是由于有的傳感器模型體積較小，市面上的旋轉編碼器無法放入其中，而且編碼器的價格也較高，每個傳感器只用其一組編碼，浪費較大。經過多種方案對比，最終采用 5 位撥碼開關來實現位置編碼。撥碼開關體積小，價格便宜，能輕松地實現 1~17 的編碼。將此 5 位撥碼開關和電位器放入傳感器模型內并將其輸出信號接到 9 芯航空頭上，再由航空頭輸出到 PLC。

　　3 傳感器自動識別系統軟件設計

　　3.1 主控軟件與前端硬件的通信

　　錄井模擬培訓系統的主控軟件必須持續不斷地與前端硬件進行通信，以獲取前端設備狀態，然后經過主控軟件處理，可以驅動圖形軟件產生與硬件設備操作同步的動畫過程，因此，主控軟件和前端設備的雙向、高速、穩定的通信是整個系統需要解決的一個關鍵技術問題。傳感器自動識別系統中，主控計算機作為主站，它通過串口與S7-200 之間通過Siemens的PPI電纜相連， S7-200作為從站，工作在自由口模式下 [6]。

　　3.1.1 PLC 與主控機通信協議

　　在自由口通信模式下，用戶需要自定義通信協議 [7]。本系統中，主控計算機與 PLC 之間的通信采用主從方式：主控計算機始終處于主機地位，具有初始傳送優先權，所有通訊均由 PC 機來啟動。 PC 機首先按照約定的字符格式和波特率初始化串口，然后按命令字格式發送命令字給 PLC，接著按約定字節數讀取數據，這樣便完成與 PLC 的數據傳輸。接著發送新的命令字開始下一次傳送，循環進行。PC 發送的命令字格式如下所示：

　　本系統中，命令字為“UUUU”+ 用一個字符表示的地址編號， PLC 在接收命令字時為接收 5 個字節，在接收完成后立即轉為發送約定好字節數的數據給 PC，發送完后又設置為接收 5 個字節。 PLC 發送給主控機的數據幀格式如下所示，先發送每個傳感器的當前值，然后發送每個傳感器的位置編碼。

　　為了實現自由口通信，PLC 在對端口初始化時，需要對相關特殊存儲器位進行配置。特殊存儲器位 SMB30 為端口 0 通信配置波特率、奇偶校驗和數據位 [8]。本系統中，設置 SMB30 的值為 16#90，即無奇偶校驗、每個字符 8 位、波特率 9600、自由口通信模式 [9]。配置 SMB87 為 16#90，即允許接收、忽略 SMB88、忽略 SMB89、使用 SMW90 或 SMW190 數值檢測空閑線條件、定時器是字符間的超時計時器、忽略 SMW92 或 SMW192、忽略斷點條件。配置 SMW90 的值為 16#5，即設定空閑線時間為 5ms，當空閑線時間超過 5ms 后，收到的第一個字符是新信息的開始 [10]。設置 SMB94 為 16#5，即初始化接收 5 個字節的命令字。

　　3.1.2 PLC 與主控機數據傳送

　　為了保證系統數據能實時傳送，PC 與 PLC 直接采用中斷方式進行通信。接收和發送數據流程圖如圖 2 所示。PLC 接收完 PC 機發送的 5 個字節命令字后進入中斷服務程序 INT0(圖 2(a))，在中斷服務程序中判別命令字是否為之前約定好的命令字，如果不是，就返回，重新接收命令字。如果是，啟動定時器定時 5 毫秒，之后進入發送中斷服務程序 INT2(圖 2(b))中，發送約定字節數的數據給PC。當數據發送完成后，進入接收中斷服務程序INT1(圖 2(c))，允許接收新的命令字。

　　3.2 主控軟件傳感器識別

　　主控計算機每隔 200ms 和 PLC 進行一次通信，接收到 PLC 發送的數據后，可以獲得每個傳感器當前值以及傳感器位置編碼。主控機需要做如下幾個判斷：一是判斷出學員當前安裝的是哪一個位置的傳感器;二是裝上的傳感器是否正確;三是傳感器的當前值。主控軟件對傳感器的對錯做出提示，并顯示傳感器的值，同時將這些信息發送給圖形機，讓圖形動畫與實際操作同步。主控機傳感器識別的數據流程如圖 3 所示。

　　4 結論

　　傳感器自動識別系統實現了傳感器操作的捕捉、傳感器識別與判別、傳感器動畫演示等功能。圖 4 為系統運行時主控軟件采集到的傳感器數值，圖 5 為圖形程序實時展示的動漫場景。

　　錄井模擬系統經過實驗室測試目前已交付延安職業技術學院使用，經油田應用表明，系統功能完善，操作直觀，培訓效果好，值得進一步推廣和使用。