谈石油钻机钻井仪表系统优化设计

摘要：针对目前石油钻机非总线通信钻井仪表系统电缆数量多、容易受到电磁干扰、故障排查困难、扩展能力不足、远程传输能力弱等问题，提出CAN总线通信+触摸屏一体机的钻井仪表系统优化设计方案，利用传感器采集钻井仪表系统相关数据并通过CAN总线通信方式将传感器数据信号传输至触摸屏一体机，触摸屏一体机接收并处理传感器数据信号后进行参数显示。采用无线通信方式将钻机现场钻井仪表系统信息发送至后台监控单元。

关键词：钻井仪表；CAN总线；触摸屏一体机

引言

石油钻机钻井仪表系统用于检测和显示悬重、钻压、立管压力、泵冲、泥浆罐液位等相关仪表系统参数，辅助司钻进行钻井作业。目前石油钻机钻井仪表系统配置了大量传感器，各类传感器分别通过单独电缆连接至数据采集箱，数据采集箱内的电路板接收并处理传感器信号后通过RS485通信方式将仪表系统参数发送至司钻房前台显示单元和队长办公室后台监控单元，导致钻井仪表系统电缆数量多、容易受到电磁干扰、故障排查困难、扩展能力不足、远程传输能力弱等问题。随着技术发展，提出CAN总线通信+触摸屏一体机的钻井仪表系统优化设计方案，彻底解决目前钻井仪表系统存在的问题。

1石油钻机钻井仪表系统优化设计方案

采用CAN总线通信+触摸屏一体机的钻井仪表系统设计方案。系统主要由数据采集单元、数据处理及显示单元、无线远程传输单元、后台监控单元组成。传感器采集仪表系统相关数据后接至CAN总线节点盒，每个传感器连接1个CAN总线节点盒，通过CAN总线节点盒内的信号转换模块将传感器的模拟量和数字量信号转换为CAN总线通信信号，CAN总线节点盒之间互连并采用CAN总线通信，CAN总线节点之间没有主从之分，网络内的CAN总线节点个数理论上不受限制，并且各CAN总线节点之间可以自由通信[1]。通过1根CAN总线通信电缆将CAN总线节点盒连接至数据处理及显示单元（触摸屏一体机），数据处理及显示单元接收并处理钻井仪表系统CAN总线信号后进行参数显示。数据处理及显示单元与后台监控单元之间采用无线通信方式将钻井仪表信息发送至后台监控单元（安装在队长办公室内），队长办公室内的工作人员可以随时监控现场钻井仪表系统参数变化情况。

2优化设计方案优点

1）采用CAN总线通信，系统内电缆连接数量少，减轻现场电缆敷设难度。2）信号传输由CAN总线通信替代原4~20mA模拟量长距离传输，提高了系统抗电磁干扰能力。3）采用触摸屏一体机对信号进行采集和处理，并设计有故障诊断画面，可实现网络中断检测、传感器故障检测、信号中断检测等功能，司钻可通过故障诊断画面查看故障报警信息并迅速排查故障点。4）CAN总线节点之间没有主从之分，系统可根据需要任意添加传感器数量，传感器连接至CAN节点盒后通过CAN总线通信将传感器信号接入钻井仪表系统并在触摸屏一体机界面进行显示。5）采用无线通信方式将钻井仪表信息发送至后台监控单元（安装在队长办公室内），队长办公室内的工作人员可以随时监控现场钻井仪表系统参数变化情况。石油钻机钻井仪表系统优化设计单线图如图1所示。

3数据采集单元设计

数据采集单元主要由传感器、CAN总线节点盒组成。通过传感器检测仪表系统相关数据并采用屏蔽电缆连接至CAN总线节点盒。每个传感器连接1个CAN总线节点盒，通过CAN总线节点盒内的信号转换模块将传感器的模拟量和数字量信号转换为CAN总线通信信号，CAN总线节点盒之间通过CAN总线通信方式进行互连。可以根据需要任意增加传感器数量，方便灵活，极大提高了系统的扩展能力。大大减少了现场电缆连接数量，采用CAN总线通信方式提高了系统的抗干扰能力。CAN总线通信具有以下特点：1）网络各节点之间的数据通信实时性强；2）网络内的节点个数在理论上不受限制；3）各节点之间实现自由通信。

4数据处理及显示单元设计

数据处理及显示单元主要由触摸屏一体机组成，安装在司钻房内。CAN总线节点盒互连后通过一根CAN总线通信电缆连接至触摸屏一体机，通过CAN总线通信方式将采集的传感器信号发送至触摸屏一体机。触摸屏一体机接收传感器信号并对信号进行运算处理，转化为工程参数。触摸屏一体机可对仪表参数进行标定、修改并进行仪表参数显示，具有参数超限报警和故障诊断功能，配置无线远程传输接口。触摸屏一体机安装仪表系统处理软件，设计人机界面，通过相关组态软件实现控制界面制作、控制变量建立、相关属性设置等[2]。界面实现人性化设计，司钻可根据习惯自主选择仪表仿真、数据显示和曲线显示等界面。

5无线远程传输单元设计

无线远程传输单元主要由无线网桥组成，触摸屏一体机与无线网桥有线连接，后台监控单元的工控计算机与另外一个无线网桥有线连接，通过无线网桥以无线传输方式将仪表系统参数信息传输至后台监控单元。无线通信中的信息传输是以电磁波为传输载体，信息数据通过电磁波传输至指定接收装置中，不受任何电路的范围限制，方便快捷[3]。无线网桥就是无线网络的桥接，除了具备有线网桥的基本特点之外，比其它有线网络设备更方便部署。无线网桥工作在5.8GHz频段，传输距离远，信号强，带宽和传输质量有保证。局域网在传输范围方面有很大的局限性，采用无线网桥可以有效地提高网络的拓展性和延展性，可以连接相距较远的局域网或广域网，提高数据传输效率以及数据信息共享。

6后台监控单元设计

后台监控单元主要由工控计算机（含软件）、打印机组成，安装在队长办公室内。钻井仪表系统参数的记录、存储采用工控计算机，能实时以参数和曲线方式记录钻井过程中各钻井参数的变化，并能存储和打印各参数，还能进行各工程参数的历史回放。队长办公室内的工作人员可通过后台监控单元及时了解现场各钻井参数相关信息，在参数异常时及时提醒司钻，提高钻井的安全性。钻井仪表参数的记录、存储为后续钻机的钻井作业积累宝贵的数据和经验。

7结语

通过采用CAN总线通信+触摸屏一体机的钻井仪表系统优化设计方案，大大减少了现场电缆连接数量，可以根据需要任意增加传感器数量，方便灵活，极大提高了系统的扩展能力和抗干扰能力。系统具有故障诊断功能，帮助司钻迅速查找故障原因。采用无线远程传输方式提高了数据远程传输能力和传输速度。辅助司钻完成钻井作业，创造良好的经济效益。

[参考文献]

[1]刘莎.浅议CAN总线技术及通信模块芯片技术[J].中国新通信,2020,22(9):22.

[2]高艳.基于PLC和触摸屏的气动机械手控制系统设计及应用[J].科技通报,2017,33(9):105-108.

[3]殷泉.关于局域网无线通信系统的探析[J].卷宗,2014(8):296-297.

作者：李庆福 史金红 朱永庆 孔永超 宋涛 张彦伟 王红樱 杨丰博 李娜 单位：宝鸡石油机械有限责任公司