地層測(cè)試評(píng)價(jià)儀液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

　　海洋石油鉆井平臺(tái)要對(duì)海底石油進(jìn)行探測(cè)取樣，所用的探測(cè)器是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的管型探測(cè)裝置，即地層測(cè)試評(píng)價(jià)儀(Formation EvaluationTool，F(xiàn)ET)[1]。在探測(cè)裝置中裝有油泵、吸油咀、取樣筒、單向電磁閥等機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以及電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、電磁閥及其控制器、供電電源、傳感器、信號(hào)變換器等多種電氣部件。其中液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)是石油探測(cè)器的關(guān)鍵性部件，用于驅(qū)動(dòng)儀器液壓泵，提供液壓動(dòng)力完成儀器的各項(xiàng)機(jī)械動(dòng)作。液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的可靠性是非常重要的，它的良好運(yùn)行是確保石油探測(cè)器裝置正常運(yùn)行的重要保證。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功能測(cè)試多采用分立組件來(lái)完成，每個(gè)組件只能對(duì)電機(jī)的單一參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，組件之間相互獨(dú)立，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜合功能的檢測(cè)，且檢測(cè)效率和自動(dòng)化水平均較低，更重要的是很難保證在井下 150 ℃環(huán)境下可靠工作。該系統(tǒng)是基于石油勘測(cè)的實(shí)際應(yīng)用背景和需求而進(jìn)行立項(xiàng)開發(fā)的，可以在井下 150 ℃環(huán)境下對(duì)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，有效保證儀器的可靠運(yùn)行。

　　1 液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)在線監(jiān)控需求

　　為了保證電機(jī)的正常、可靠運(yùn)行，必須對(duì)電機(jī)的溫度、轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)電流等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保持各參數(shù)始終在規(guī)定的范圍內(nèi)。檢測(cè)到參數(shù)要通過(guò) CAN 總線與上位計(jì)算機(jī)通信，當(dāng)參數(shù)超限后，立即報(bào)警，并進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)。概括起來(lái)系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能和特點(diǎn):(1)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)功能。包括電機(jī)溫度檢測(cè)、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流檢測(cè)等;(2)具有輸入過(guò)壓、欠壓，輸出過(guò)流、過(guò)載、短路，過(guò)熱，超速等多項(xiàng)保護(hù)功能; (3)具有 4 路直流電磁閥開通與關(guān)斷的功能，用于電機(jī)保護(hù)控制。短時(shí)驅(qū)動(dòng)電流大于 3 A(100 ms)，持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流不小于 2A。驅(qū)動(dòng)電流響應(yīng)速度快，不大于 0. 3 ms;(4) 具有 CAN 通信功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與主控制系統(tǒng)的通信，實(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接收主控制系統(tǒng)的各種命令，并將各種狀態(tài)信息和故障信息反饋給主控制系統(tǒng);(5)具有人機(jī)界面功能，實(shí)現(xiàn)控制與狀態(tài)顯示;(6)監(jiān)控系統(tǒng)高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。

　　2 液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)方案和特點(diǎn)

　　2. 1 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　測(cè)試系統(tǒng)采用全數(shù)字化測(cè)控設(shè)計(jì)，以DSPIC30F6010A 高速微型計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和共享，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和傳遞數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多 CPU 之間的互通互聯(lián)與數(shù)據(jù)共享，檢測(cè)、控制、顯示的實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

　　測(cè)試系統(tǒng)具有極高的高溫可靠性，確保系統(tǒng)在高溫 150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。單片機(jī)采用Microchip 公司最先進(jìn)的 16 位 ( 數(shù)據(jù) ) 單片機(jī)DSPIC30F6010A;CAN 驅(qū)動(dòng)器采用 TI 公司生產(chǎn)的一款低功耗串行 CAN 控制器 SN65HVD1040D;運(yùn)放及其他電子元件均選擇 150 ℃溫度等級(jí);此外系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有風(fēng)扇、散熱器等;

　　2. 2 技術(shù)方案

　　液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖 1 所示。整個(gè)系統(tǒng)由三大部分組成:上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、監(jiān)控模塊和被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)組成。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由 PC 機(jī)和 CAN 通信卡組成，實(shí)現(xiàn)與底層監(jiān)控模塊的通信與控制，狀態(tài)參數(shù)顯示。上位機(jī)軟件采用 VC6. 0 高級(jí)語(yǔ)言設(shè)計(jì)，CAN 通信卡采用研華的PCI1680U。監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)根據(jù)上位機(jī)以 CAN 通信形式傳來(lái)的指令控制電機(jī)的起動(dòng)/停止，同時(shí)檢測(cè)液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并將參數(shù)，如電壓、電流、溫度、轉(zhuǎn)速及故障信息通過(guò) CAN 通信傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。電磁閥驅(qū)動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)根據(jù) CAN 指令控制 4 只電磁閥的開通/關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)電機(jī)保護(hù)控制輸出，并將電磁閥狀態(tài)信息通過(guò)CAN 通信傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。

　　3 硬件電路設(shè)計(jì)

　　3. 1 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

　　(1) FET 電磁閥特性分析。FET 中油路控制采用了一種特殊電磁閥，該電磁閥開通需要較大的起動(dòng)電流，短時(shí)驅(qū)動(dòng)電流大于3A(100ms)，電磁閥開通持續(xù)驅(qū)動(dòng)電流不小于 2 A。電磁閥閉合需要不小于 2 A(100 ms)的反向維持電流。驅(qū)動(dòng)電流響應(yīng)速度快，不大于 0. 3 ms。電磁閥開通、閉合所需要的電流特性曲線如圖 2 所示。

　(2) 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與說(shuō)明。根據(jù)上面電磁閥特性的分析，設(shè)計(jì)如圖 3 所示的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。

微處理器按照電流特性曲線的時(shí)序控制 T8A，T8B，T8C 的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電源 P3A，開通維持電源 + P2A 和閉合電源 - P2A 的控制，實(shí)現(xiàn)電磁閥的開通和閉合控制。

　　3. 2 電機(jī)溫度檢測(cè)電路

　　系統(tǒng)中，電機(jī)溫度的檢測(cè)采用 PT100 溫度傳感器來(lái)完成。檢測(cè)電路如圖 4 所示。PT100 與電機(jī)表面充分接觸，當(dāng)電機(jī)溫度發(fā)生變化時(shí)，PT100的阻值也隨之變化，利用圖 4 所示的電路可以測(cè)得阻值的變化，從而測(cè)得電機(jī)溫度。電路分析:IC6A，R97，R98組成一個(gè)200mA恒流源電路;利用恒流源將 PT100 的阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào);再利用 IC7 采集并將信號(hào)送給單片機(jī);最后單片機(jī)再根據(jù)溫度曲線計(jì)算電機(jī)溫度。