基于單片機(jī)的液壓動(dòng)力鉗檢測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)油田修井使用的多種液壓動(dòng)力鉗系統(tǒng)沒有使用扭矩力限定裝置，容易因人為因素產(chǎn)生過大轉(zhuǎn)矩，對(duì)油管螺紋造成永久性的損壞;過小轉(zhuǎn)矩，對(duì)油管密封不好或脫落的問題，本文采用單片機(jī)設(shè)計(jì)液壓管鉗檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括液壓動(dòng)力鉗扭矩檢測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)采集通信儀表及檢測(cè)上位機(jī)軟件，能夠?qū)崟r(shí)記錄及檢測(cè)扭矩力值，并提供多點(diǎn)力矩超限聲光報(bào)警。成功的減少施工和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提高作業(yè)安全和工作效率。

關(guān)鍵詞：液壓動(dòng)力鉗;實(shí)時(shí)曲線;數(shù)據(jù)采集;扭矩傳感器

在油田鉆修作業(yè)中起下鉆桿、鉆具、油套管時(shí)，上卸螺紋的專用工具是液壓動(dòng)力鉗。液壓動(dòng)力鉗在鉗口卡緊機(jī)構(gòu)動(dòng)作夾緊后，外供的壓力油控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓馬達(dá)通過內(nèi)部機(jī)構(gòu)帶動(dòng)鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓馬達(dá)可以正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)油管的上緊或卸下。

上扣時(shí)須嚴(yán)格控制扭矩，上扣扭矩直接影響螺紋上扣質(zhì)量。使用液壓動(dòng)力鉗上緊螺紋時(shí)，扭矩過大會(huì)造成螺紋無法拆卸，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生裂紋，從而降低整個(gè)管柱的強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)造成液壓動(dòng)力鉗因負(fù)荷過重而損壞甚至報(bào)廢;扭矩過小會(huì)造成管柱密封不好或脫落，導(dǎo)至整個(gè)作業(yè)工程的返工，而且往往難以追查責(zé)任。

針對(duì)上述問題，解決方案目前主要有：對(duì)液壓動(dòng)力鉗增加扭矩保護(hù)裝置或扭矩檢測(cè)裝置，文中設(shè)計(jì)基于AT89C55WD的扭矩檢測(cè)系統(tǒng)，不需要對(duì)原有動(dòng)力鉗做改造，只需安裝扭矩檢測(cè)傳感器，便可方便快捷的實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控動(dòng)力鉗力矩值、上下限報(bào)警點(diǎn)設(shè)置、超限報(bào)警、作業(yè)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于單片機(jī)的液壓管鉗智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想：液壓動(dòng)力鉗扭矩信號(hào)由扭矩傳感器獲得，經(jīng)模擬信號(hào)調(diào)理、信號(hào)處理，通過無線或有線USB串口通信，送PC機(jī)上位機(jī)軟件，上位機(jī)實(shí)時(shí)記錄液壓動(dòng)力鉗扭矩?cái)?shù)據(jù)，并對(duì)扭矩超限發(fā)出聲光報(bào)警。

液壓動(dòng)力鉗智能檢測(cè)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分包括液壓扭矩傳感器、數(shù)據(jù)采集儀表。液壓扭矩傳感器對(duì)套管過程中的實(shí)時(shí)扭矩力值進(jìn)行采集;數(shù)據(jù)采集儀表負(fù)責(zé)讀取液壓扭矩傳感器扭矩力值，對(duì)超出設(shè)定扭矩力值限定時(shí)報(bào)警，并實(shí)時(shí)與上位機(jī)軟件通信。軟件部分為液壓管鉗上位機(jī)智能檢測(cè)軟件，用于實(shí)時(shí)顯示、多方式記錄扭矩力值、繪制扭矩力值實(shí)時(shí)曲線圖，設(shè)定數(shù)據(jù)采集儀表報(bào)警及通信參數(shù)。

各部分連接通信方式如下：液壓扭矩傳感器與數(shù)據(jù)采集儀表之間電纜連接，數(shù)據(jù)采集儀表與上位機(jī)軟件采用USB串口有線或無線通信方式。數(shù)據(jù)采集儀表以AT89C55WD為核心處理部件，降低了開發(fā)成本，便于推廣。

2 硬件部分

2.1 液壓管鉗扭矩傳感器設(shè)計(jì)

液壓管鉗扭矩力傳感器是整個(gè)設(shè)計(jì)的重要部件，負(fù)責(zé)對(duì)動(dòng)力鉗扭矩力值的輸出，結(jié)構(gòu)圖如圖1。傳感器的兩端連接內(nèi)四方和彈性應(yīng)變區(qū)，彈性應(yīng)變區(qū)外裝外殼，外殼一端與彈性元件固定，另一端與彈性元件間留有縫隙，以防止對(duì)應(yīng)變部位產(chǎn)生干擾。為了使傳感器良好防潮，外殼與彈性應(yīng)變區(qū)的縫隙間涂有硅膠。傳感器通過七芯航空插件輸出測(cè)量信號(hào)。

傳感器的材料為40CrNiMoA，并作調(diào)制處理。設(shè)計(jì)時(shí)，將傳感器的中心部位設(shè)計(jì)為應(yīng)變敏感區(qū)，而其他受力部位的機(jī)械強(qiáng)度是應(yīng)變區(qū)的數(shù)倍。由于其他部位的機(jī)械強(qiáng)度較高，在承載所產(chǎn)生的機(jī)械變形較小或不變形，故對(duì)扭矩力的損耗較小，而將扭矩力直接傳遞給機(jī)械強(qiáng)度最低的應(yīng)變區(qū)域，使?jié)M量程時(shí)應(yīng)變區(qū)將產(chǎn)生約1 000 με的機(jī)械變形量。在應(yīng)變敏感區(qū)的中心部位粘貼有4片電阻應(yīng)變計(jì)和相關(guān)補(bǔ)償元件，4片電阻應(yīng)變計(jì)組成一個(gè)完整的慧斯頓電橋。

液壓管鉗扭矩傳感器經(jīng)上海704所國(guó)防科技工業(yè)大扭矩檢測(cè)中心檢測(cè)精度等級(jí)為1.0級(jí)，達(dá)到實(shí)際使用精度要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集儀表

數(shù)據(jù)采集儀表是傳感器與PC上位機(jī)通信的核心部件，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器的測(cè)量信號(hào)的采集和A/D轉(zhuǎn)換，與PC上位機(jī)軟件通信功能。為應(yīng)對(duì)惡劣的油井作業(yè)環(huán)境，數(shù)據(jù)采集儀表能脫離上位機(jī)獨(dú)立工作，提供顯示實(shí)時(shí)測(cè)量值、力矩超限報(bào)警功能。數(shù)據(jù)采集儀表由傳感器信號(hào)調(diào)理電路、24位A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)處理電路、顯示電路、報(bào)警輸出電路、RS232通訊接口電路等相關(guān)電路組成。數(shù)據(jù)采集儀表原理如圖2所示。

扭矩傳感器測(cè)量所產(chǎn)生的微電壓信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)理電路，完成信號(hào)的正負(fù)切換、干擾消除后輸入到24位A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將送來的微電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)后輸入到單片機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行量綱轉(zhuǎn)換后送入顯示電路進(jìn)行測(cè)量顯示;同時(shí)將采集到的測(cè)量值與用戶設(shè)定報(bào)警點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)比，當(dāng)超出設(shè)定報(bào)警點(diǎn)時(shí)，發(fā)出報(bào)警指令，啟動(dòng)報(bào)警控制。同時(shí)控制RS232通訊控制電路與PC機(jī)通訊。數(shù)據(jù)采集儀表工作流程如圖3所示。

單片機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：采用8位單片機(jī)AT89C55WD，完成數(shù)據(jù)采集處理、超限報(bào)警、通訊控制等。并配數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器24LC02、看門狗電路DS1232等電路。

信號(hào)調(diào)理電路：傳感器的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行正負(fù)切換、濾波，使其適合A/D轉(zhuǎn)換器輸入。由信號(hào)正負(fù)切換電路、信號(hào)濾波電路、傳感器精密供電電路組成。

A/D轉(zhuǎn)換電路：傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理。A/D轉(zhuǎn)換電路選用Cirrus Logic公司的高精度24位串行A/D轉(zhuǎn)換芯片CS5532。該芯片的數(shù)據(jù)吞吐量為7～3 840 Sps、積分線性度為±0.001 5%F.S。芯片內(nèi)部有高精度的儀表放大器，擴(kuò)大了信號(hào)輸入范圍，允許小信號(hào)的輸入，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。本系統(tǒng)讓CS5532工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，儀表開機(jī)上電后，單片機(jī)向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)出連續(xù)轉(zhuǎn)換指令后，CS5532不斷將傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化后輸入單片機(jī)。

RS232通訊電路：采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片，將單片機(jī)輸出的TTL電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為與計(jì)算機(jī)兼容的RS232信號(hào)，使儀表能和計(jì)算機(jī)通訊，采用無線與有線通信兩種模式。無線通訊基于FSK調(diào)制方式，工作在433.926 MHz，采用高效前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，有較強(qiáng)的抗干擾能力。儀表切換為無線通訊狀態(tài)后，在開闊地200 m內(nèi)，配合無線接收器可實(shí)現(xiàn)儀表與PC機(jī)無線通訊。關(guān)閉無線發(fā)射功能后，采用有線通訊。

報(bào)警控制電路：當(dāng)測(cè)量值超出設(shè)定的報(bào)警點(diǎn)時(shí)，控制相應(yīng)報(bào)警點(diǎn)光電耦合器導(dǎo)通，連接于光電耦合器的繼電器也導(dǎo)通，從而啟動(dòng)報(bào)警。報(bào)警控制電路由4個(gè)光電耦合器、4個(gè)報(bào)警控制繼電器、報(bào)警蜂鳴器、報(bào)警解除開關(guān)等相關(guān)元件組成。

顯示驅(qū)動(dòng)電路：用于顯示儀表的測(cè)量值，測(cè)量狀態(tài)、參數(shù)及符號(hào)。由3片8位移位寄存器74HC595H和5位LED數(shù)碼管、9個(gè)發(fā)光二極管等元件組成。

3 上位機(jī)軟件

檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)軟件對(duì)修井作業(yè)的遠(yuǎn)程的監(jiān)管，能進(jìn)行儀表參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)測(cè)量值顯示及存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢、超限報(bào)警。軟件采用Visual Basic語言開發(fā)實(shí)現(xiàn)，相對(duì)于工業(yè)組態(tài)軟件能更高效運(yùn)行，開發(fā)難度較大。

3.1 串口通信設(shè)置

對(duì)串口通信MSCOM控件初始化，配置串口號(hào)、傳輸速率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位位數(shù)及校驗(yàn)位設(shè)置，使其能與數(shù)據(jù)采集儀表串口通信。為方便使用，將串口配置信息保存到set.ini文件中，軟件運(yùn)行直接讀取set.ini取得串口通信參數(shù)。

3.2 實(shí)時(shí)測(cè)量值顯示

實(shí)時(shí)測(cè)量值顯示模塊是上位機(jī)軟件的關(guān)鍵模塊，可實(shí)時(shí)顯示測(cè)量值、峰谷值、繪制實(shí)時(shí)曲線，并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，監(jiān)控力矩超報(bào)警。實(shí)時(shí)曲線的繪制采用Iocomp組件中的iPlot控件實(shí)現(xiàn)。IocompPlot Pack是一套受托管的圖形組件，它采用GDI+技術(shù)，畫出的圖像漂亮，是一個(gè)用于實(shí)時(shí)繪制曲線和圖表的組件，適合開發(fā)需要高速顯示數(shù)據(jù)的工程和科學(xué)類型的應(yīng)用組件。

針對(duì)無線和有線兩種通信模式，設(shè)計(jì)了多模式兼容通信算法。無線信號(hào)受距離和干擾的影響容易出錯(cuò)，在數(shù)據(jù)通信過程中采用“#數(shù)據(jù)#”數(shù)據(jù)傳輸格式，數(shù)據(jù)位數(shù)固定為10位，用線程監(jiān)控輸入緩沖區(qū)字符數(shù)和每次通信最大時(shí)間花費(fèi)兩種方案來控制通信。監(jiān)控輸入緩沖區(qū)接收到的字符數(shù)，如果達(dá)到10個(gè)，程序提取緩存數(shù)據(jù)，并分析接收到的數(shù)據(jù)合法性，數(shù)據(jù)正確就做顯示及曲線繪制，數(shù)據(jù)錯(cuò)誤說明無線通信有干擾。設(shè)定每次通信最大時(shí)間花費(fèi)，可以避免因外圍設(shè)備未啟動(dòng)或無線通信超出有效通距離，上位機(jī)軟件不能正常運(yùn)行的問題。由于采用高速采樣通信，采樣數(shù)據(jù)在通信過程中出錯(cuò)，直接丟棄，繼續(xù)新采樣數(shù)據(jù)通信。經(jīng)測(cè)試本算法有線通信模式下平均數(shù)據(jù)通信時(shí)間花費(fèi)為6～10ms，無線通信模式下平均數(shù)據(jù)通信時(shí)間花費(fèi)為15～30 ms。采樣流程如圖4所示。軟件界面如圖5所示。

3.3 查看歷史記錄

為方便對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的分析及回放，查看歷史數(shù)據(jù)模塊包括打開數(shù)據(jù)、歷史曲線繪制和顯示報(bào)表及導(dǎo)出打印功能。打開數(shù)據(jù)將實(shí)時(shí)采集保存的數(shù)據(jù)文件打開，讀取文件數(shù)據(jù)送入iPlot控件，實(shí)現(xiàn)歷史曲線繪制。用戶可根據(jù)需求對(duì)曲線進(jìn)行放大、縮小、保存、數(shù)據(jù)值查看等多項(xiàng)功能。顯示報(bào)表將數(shù)據(jù)文件讀出，在Data Grid表格控件顯示，也可單擊導(dǎo)出按鈕將表格的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL表格中。

3.4 儀表報(bào)警參數(shù)設(shè)置

方便用戶對(duì)數(shù)據(jù)采集儀表的報(bào)警上限和報(bào)警下限的讀取和設(shè)置。用戶可設(shè)置ALO1、ALO2正向加載報(bào)警和ALO3、ALO4反向加載報(bào)警，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)報(bào)警。

4 性能特點(diǎn)

1)設(shè)計(jì)應(yīng)變式彈性體扭矩傳感器，零點(diǎn)穩(wěn)定，檢測(cè)精度高，抗干擾能力強(qiáng)。

2)可正向和反向兩個(gè)方向檢測(cè)標(biāo)定扭矩。

3)扭矩傳感器與數(shù)據(jù)采集儀表配合，可實(shí)現(xiàn)扭矩實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警。

4)可設(shè)置2個(gè)上限報(bào)警點(diǎn)，2個(gè)下限報(bào)警點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)報(bào)警。

5)數(shù)據(jù)采集儀表實(shí)時(shí)性好，每秒讀取傳感器數(shù)據(jù)多達(dá)100個(gè)數(shù)據(jù)，單次采樣時(shí)間10 ms。

6)數(shù)據(jù)采集儀表與PC機(jī)采用無線和有線兩種通信模式。

7)數(shù)據(jù)采集儀表能夠獨(dú)立工作。

8)上位機(jī)軟件功能齊全、界面美觀、操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)?shù)據(jù)采集儀表進(jìn)行報(bào)警點(diǎn)設(shè)置、實(shí)時(shí)測(cè)量值、峰谷值曲線的繪制及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

5 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)基于AT89C55WD為處理核心的數(shù)據(jù)采集儀表可獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超限報(bào)警、數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)顯示、與PC機(jī)無線或有線通信功能，結(jié)合上位機(jī)軟件能實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，采用實(shí)時(shí)曲線圖反應(yīng)測(cè)量值、峰谷值的變化，界面美觀、操作簡(jiǎn)單。整個(gè)系統(tǒng)安裝使用方便、靈敏度高、抗干擾性能好、實(shí)時(shí)性能好、系統(tǒng)精度高，提高工作效率，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。整套系統(tǒng)軟硬結(jié)合功能齊全，完全達(dá)到實(shí)際作業(yè)需求，并為常規(guī)檢定設(shè)備的技術(shù)改造提供了參考方案。其中大扭矩傳感器經(jīng)上海704所國(guó)防科技工業(yè)大扭矩檢測(cè)中心檢測(cè)精度等級(jí)達(dá)到1.0級(jí)。