基于單片機的液壓動力鉗檢測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘要：針對油田修井使用的多種液壓動力鉗系統(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，對油管螺紋造成永久性的損壞;過小轉(zhuǎn)矩，對油管密封不好或脫落的問題，本文采用單片機設計液壓管鉗檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括液壓動力鉗扭矩檢測傳感器、數(shù)據(jù)采集通信儀表及檢測上位機軟件，能夠?qū)崟r記錄及檢測扭矩力值，并提供多點力矩超限聲光報警。成功的減少施工和運行維護費用，提高作業(yè)安全和工作效率。

關(guān)鍵詞：液壓動力鉗;實時曲線;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，上卸螺紋的專用工具是液壓動力鉗。液壓動力鉗在鉗口卡緊機構(gòu)動作夾緊后，外供的壓力油控制液壓馬達轉(zhuǎn)動，液壓馬達通過內(nèi)部機構(gòu)帶動鉗口轉(zhuǎn)動，液壓馬達可以正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)油管的上緊或卸下。

上扣時須嚴格控制扭矩，上扣扭矩直接影響螺紋上扣質(zhì)量。使用液壓動力鉗上緊螺紋時，扭矩過大會造成螺紋無法拆卸，嚴重時，會產(chǎn)生裂紋，從而降低整個管柱的強度，同時會造成液壓動力鉗因負荷過重而損壞甚至報廢;扭矩過小會造成管柱密封不好或脫落，導至整個作業(yè)工程的返工，而且往往難以追查責任。

針對上述問題，解決方案目前主要有：對液壓動力鉗增加扭矩保護裝置或扭矩檢測裝置，文中設計基于AT89C55WD的扭矩檢測系統(tǒng)，不需要對原有動力鉗做改造，只需安裝扭矩檢測傳感器，便可方便快捷的實現(xiàn)實時監(jiān)控動力鉗力矩值、上下限報警點設置、超限報警、作業(yè)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

基于單片機的液壓管鉗智能檢測系統(tǒng)設計思想：液壓動力鉗扭矩信號由扭矩傳感器獲得，經(jīng)模擬信號調(diào)理、信號處理，通過無線或有線USB串口通信，送PC機上位機軟件，上位機實時記錄液壓動力鉗扭矩數(shù)據(jù)，并對扭矩超限發(fā)出聲光報警。

液壓動力鉗智能檢測系統(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。液壓扭矩傳感器對套管過程中的實時扭矩力值進行采集;數(shù)據(jù)采集儀表負責讀取液壓扭矩傳感器扭矩力值，對超出設定扭矩力值限定時報警，并實時與上位機軟件通信。軟件部分為液壓管鉗上位機智能檢測軟件，用于實時顯示、多方式記錄扭矩力值、繪制扭矩力值實時曲線圖，設定數(shù)據(jù)采集儀表報警及通信參數(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計

液壓管鉗扭矩力傳感器是整個設計的重要部件，負責對動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)四方和彈性應變區(qū)，彈性應變區(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，以防止對應變部位產(chǎn)生干擾。為了使傳感器良好防潮，外殼與彈性應變區(qū)的縫隙間涂有硅膠。傳感器通過七芯航空插件輸出測量信號。

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

液壓管鉗扭矩傳感器經(jīng)上海704所國防科技工業(yè)大扭矩檢測中心檢測精度等級為1.0級，達到實際使用精度要求。

2.2 數(shù)據(jù)采集儀表

數(shù)據(jù)采集儀表是傳感器與PC上位機通信的核心部件，負責對傳感器的測量信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換，與PC上位機軟件通信功能。為應對惡劣的油井作業(yè)環(huán)境，數(shù)據(jù)采集儀表能脫離上位機獨立工作，提供顯示實時測量值、力矩超限報警功能。數(shù)據(jù)采集儀表由傳感器信號調(diào)理電路、24位A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機處理電路、顯示電路、報警輸出電路、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。

扭矩傳感器測量所產(chǎn)生的微電壓信號輸入到信號調(diào)理電路，完成信號的正負切換、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轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后輸入到單片機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，對測量信號進行量綱轉(zhuǎn)換后送入顯示電路進行測量顯示;同時將采集到的測量值與用戶設定報警點實時進行對比，當超出設定報警點時，發(fā)出報警指令，啟動報警控制。同時控制RS232通訊控制電路與PC機通訊。數(shù)據(jù)采集儀表工作流程如圖3所示。

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

信號調(diào)理電路：傳感器的微弱電壓信號進行正負切換、濾波，使其適合A/D轉(zhuǎn)換器輸入。由信號正負切換電路、信號濾波電路、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轉(zhuǎn)換為單片機能夠識別的數(shù)字信號，以供單片機處理。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，擴大了信號輸入范圍，允許小信號的輸入，提高了系統(tǒng)的動態(tài)特性。本系統(tǒng)讓CS5532工作在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，儀表開機上電后，單片機向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進行轉(zhuǎn)化后輸入單片機。

RS232通訊電路：采用MAX232轉(zhuǎn)換芯片，將單片機輸出的TTL電平信號轉(zhuǎn)換為與計算機兼容的RS232信號，使儀表能和計算機通訊，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，采用高效前向糾錯編碼技術(shù)，有較強的抗干擾能力。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現(xiàn)儀表與PC機無線通訊。關(guān)閉無線發(fā)射功能后，采用有線通訊。

報警控制電路：當測量值超出設定的報警點時，控制相應報警點光電耦合器導通，連接于光電耦合器的繼電器也導通，從而啟動報警。報警控制電路由4個光電耦合器、4個報警控制繼電器、報警蜂鳴器、報警解除開關(guān)等相關(guān)元件組成。

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

3 上位機軟件

檢測系統(tǒng)上位機軟件對修井作業(yè)的遠程的監(jiān)管，能進行儀表參數(shù)設置、實時測量值顯示及存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢、超限報警。軟件采用Visual Basic語言開發(fā)實現(xiàn)，相對于工業(yè)組態(tài)軟件能更高效運行，開發(fā)難度較大。

3.1 串口通信設置

對串口通信MSCOM控件初始化，配置串口號、傳輸速率、校驗位、數(shù)據(jù)位位數(shù)、停止位位數(shù)及校驗位設置，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，軟件運行直接讀取set.ini取得串口通信參數(shù)。

3.2 實時測量值顯示

實時測量值顯示模塊是上位機軟件的關(guān)鍵模塊，可實時顯示測量值、峰谷值、繪制實時曲線，并存儲測量數(shù)據(jù)，監(jiān)控力矩超報警。實時曲線的繪制采用Iocomp組件中的iPlot控件實現(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，是一個用于實時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)的工程和科學類型的應用組件。

針對無線和有線兩種通信模式，設計了多模式兼容通信算法。無線信號受距離和干擾的影響容易出錯，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)和每次通信最大時間花費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)，如果達到10個，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)錯誤說明無線通信有干擾。設定每次通信最大時間花費，可以避免因外圍設備未啟動或無線通信超出有效通距離，上位機軟件不能正常運行的問題。由于采用高速采樣通信，采樣數(shù)據(jù)在通信過程中出錯，直接丟棄，繼續(xù)新采樣數(shù)據(jù)通信。經(jīng)測試本算法有線通信模式下平均數(shù)據(jù)通信時間花費為6～10ms，無線通信模式下平均數(shù)據(jù)通信時間花費為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

為方便對測量數(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表及導出打印功能。打開數(shù)據(jù)將實時采集保存的數(shù)據(jù)文件打開，讀取文件數(shù)據(jù)送入iPlot控件，實現(xiàn)歷史曲線繪制。用戶可根據(jù)需求對曲線進行放大、縮小、保存、數(shù)據(jù)值查看等多項功能。顯示報表將數(shù)據(jù)文件讀出，在Data Grid表格控件顯示，也可單擊導出按鈕將表格的數(shù)據(jù)導出到EXCEL表格中。

3.4 儀表報警參數(shù)設置

方便用戶對數(shù)據(jù)采集儀表的報警上限和報警下限的讀取和設置。用戶可設置ALO1、ALO2正向加載報警和ALO3、ALO4反向加載報警，實現(xiàn)多點報警。

4 性能特點

1)設計應變式彈性體扭矩傳感器，零點穩(wěn)定，檢測精度高，抗干擾能力強。

2)可正向和反向兩個方向檢測標定扭矩。

3)扭矩傳感器與數(shù)據(jù)采集儀表配合，可實現(xiàn)扭矩實時顯示、報警。

4)可設置2個上限報警點，2個下限報警點，實現(xiàn)多點報警。

5)數(shù)據(jù)采集儀表實時性好，每秒讀取傳感器數(shù)據(jù)多達100個數(shù)據(jù)，單次采樣時間10 ms。

6)數(shù)據(jù)采集儀表與PC機采用無線和有線兩種通信模式。

7)數(shù)據(jù)采集儀表能夠獨立工作。

8)上位機軟件功能齊全、界面美觀、操作簡單，能夠?qū)?shù)據(jù)采集儀表進行報警點設置、實時測量值、峰谷值曲線的繪制及數(shù)據(jù)的存儲。

5 結(jié)論

筆者設計基于AT89C55WD為處理核心的數(shù)據(jù)采集儀表可獨立工作，實現(xiàn)實時超限報警、數(shù)據(jù)采集、實時顯示、與PC機無線或有線通信功能，結(jié)合上位機軟件能實時監(jiān)控、記錄測量數(shù)據(jù)，采用實時曲線圖反應測量值、峰谷值的變化，界面美觀、操作簡單。整個系統(tǒng)安裝使用方便、靈敏度高、抗干擾性能好、實時性能好、系統(tǒng)精度高，提高工作效率，具有推廣應用價值。整套系統(tǒng)軟硬結(jié)合功能齊全，完全達到實際作業(yè)需求，并為常規(guī)檢定設備的技術(shù)改造提供了參考方案。其中大扭矩傳感器經(jīng)上海704所國防科技工業(yè)大扭矩檢測中心檢測精度等級達到1.0級。