一種基于單片機的井下電源參數采集系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于石油、天然氣鉆井設備技術領域，特別是涉及一種基于單片機的井下電源參數采集系統。
【背景技術】
[0002]智能鉆井工具的供電電源負責為電子控制單元、驅動單元等提供符合用電需求的穩定直流電能，是整個智能鉆井工具運行的動力來源，其工作狀況的好壞直接影響到智能鉆井工具能否安全、正常、穩定地工作。
[0003]井下電源系統通常采用交流-直流-直流變換的供電策略，以滿足在井下惡劣工作條件下不同用電負載需求，這種供電方法是由泥漿渦輪發電機產生低頻三相交流電能，經整流濾波后，采用穩壓電源技術進行直流-直流變換，缺點是結構復雜，中間環節多，任何一個環節出現問題都可能造成輸出電壓異常，若沒有對井下電源關鍵節點參數的實時監測和記錄，必然會導致故障排查困難，安全隱患難以完全消除，而對于設置了節點監測、記錄功能的井下電源系統，參數采集部分在結構設計、檢測方法上的好壞將直接影響其在高溫、振動、沖擊環境下工作的穩定性和測量精度，若測量數據誤差大，地面工作人員將無法根據測量數據對井下電源系統工作狀況做出正確的分析決策，甚至會得出完全錯誤的結論，從而嚴重影響智能鉆井工具的維修保養周期、安全性、穩定性及使用壽命。
[0004]因此，設計一種基于單片機的井下電源參數采集系統，在井底惡劣工作條件下，實現對井下電源的關鍵節點處的電壓、電流以及發電機轉速等參數的測量，用于監控智能鉆井工具供電系統的工作狀況，為智能鉆井工具的故障分析提供客觀、真實的測量數據，具有重要的價值和意義。
【發明內容】
[0005]為了解決上述問題，本實用新型的目的在于提供一種基于單片機的井下電源參數采集系統。
[0006]為了達到上述目的，本實用新型提供的基于單片機的井下電源參數采集系統包括:井下參數采集單元和地面參數顯示單元，其中:井下參數采集單元為設置在智能鉆井工具探管中的數據采集裝置，其與井下電源系統相連接，用于實時采集井下電源系統的相關信息；井下參數采集單元包括:處理器、參數測量單元、系統復位單元、參數存儲單元、串口通信單元和時鐘同步單元；處理器分別與參數測量單元、系統復位單元、參數存儲單元、串口通信單元和時鐘同步單元相連接；地面參數顯示單元包括:計算機、參數顯示單元、遠程控制單元、內存管理單元和狀態顯示單元；其中:計算機分別與參數顯示單元、遠程控制單元、內存管理單元和狀態顯示單元連接，計算機通過RS-485串行通信接口與參數采集單元中的串口通信單元相連接。
[0007]所述的參數測量單元包括:發電機轉速測量單元、整流電壓測量單元、均流電流測量單元和輸出電壓測量單元，其中:發電機轉速測量單元與泥漿發電機的三相交流電能輸出端的某一相連接，發電機轉速測量單元對泥漿發電機的相電壓進行半波整流后轉換成方波信號進行測量；整流電壓測量單元的輸入端與整流濾波電路的輸出端連接，用于采集整流濾波電路的輸出電壓信號；均流電流測量單元的多個輸入端分別與多個直流-直流變換電路的輸出端連接，用于采集各直流-直流變換電路的輸出電流信號；輸出電壓測量單元的輸入端同時與各直流-直流變換電路的輸出端連接，用于采集井下電源系統的輸出電壓信息；發電機轉速測量單元、整流電壓測量單元、均流電流測量單元和輸出電壓測量單元的輸出端均與處理器連接。
[0008]所述的處理器采用飛思卡爾公司的HC9S12系列單片機。
[0009]本實用新型的有益效果是:在智能鉆井工具的供電電源中，通過增設參數采集電路，可監測、記錄井下電源系統的工作狀態以及電源系統出現故障時各環節的電壓、電流值變化情況，為智能鉆井工具電源系統的故障分析、維修保養提供了客觀、真實的測量數據，避免了僅依靠地面檢測造成的故障誤判、風險失察的隱患，縮短了智能鉆井工具的維修保養周期，提高了智能鉆井工具井下工作的安全性、穩定性和使用壽命。
【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型提供的基于單片機的井下電源參數采集系統的結構示意圖。
[0011]圖2為本系統中井下參數采集單元所采用的參數采集控制方法流程圖。
[0012]圖3為本系統中地面參數顯示單元所采用的控制方法流程圖。
[0013]圖4為本實用新型一實施例的地面參數顯示單元軟件運行界面。
[0014]圖5為本實用新型一實施例的井下電源參數采集系統測試數據回放界面。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型提供的基于單片機的井下電源參數采集系統進行詳細說明。
[0016]如圖1所示，本實用新型提供的基于單片機的井下電源參數采集系統包括:
[0017]井下參數采集單元2和地面參數顯示單元3，其中:井下參數采集單元2為設置在智能鉆井工具探管中的數據采集裝置，其與井下電源系統1相連接，用于實時采集井下電源系統1的相關信息；
[0018]井下電源系統1為安裝在智能鉆井工具中的直流供電設備，用于為智能鉆井工具的電子測量、控制單元14供電，其包括:泥漿發電機11、整流濾波電路12、多個直流-直流變換電路13，其中:整流濾波電路12的輸入端與泥漿發電機11連接、輸出端與多個直流-直流變換電路13的輸入端連接，多個直流-直流變換電路13的輸出端均與電子測量、控制單元14連接。
[0019]井下參數采集單元2包括:處理器21、參數測量單元22、系統復位單元23、參數存儲單元24、串口通信單元25和時鐘同步單元26 ;處理器21分別與參數測量單元22、系統復位單元23、參數存儲單元24、串口通信單元25和時鐘同步單元26相連接；
[0020]參數測量單元22包括:發電機轉速測量單元221、整流電壓測量單元222、均流電流測量單元223和輸出電壓測量單元224，其中:發電機轉速測量單元221與泥漿發電機11的三相交流電能輸出端的某一相連接，發電機轉速測量單元對泥漿發電機11的相電壓進行半波整流后轉換成方波信號進行測量；整流電壓測量單元222的輸入端與整流濾波電路12的輸出端連接，用于采集整流濾波電路12的輸出電壓信號；均流電流測量單元223的多個輸入端分別與多個直流-直流變換電路13的輸出端連接，用于采集各直流-直流變換電路13的輸出電流信號；輸出電壓測量單元224的輸入端同時與各直流-直流變換電路13的輸出端連接，用于采集井下電源系統1的輸出電壓信息；發電機轉速測量單元221、整流電壓測量單元222、均流電流測量單元223和輸出電壓測量單元224的輸出端均與處理器21連接；
[0021]處理器21為以單片機芯片為核心的控制器電路；系統復位單元23用于對處理器21的工作狀態進行實時監測，當處理器21的供電電壓低于閾值電壓或處理器21中的單片機芯片工作異常時，由系統復位單元23進行處理器21的復位操作；參數存儲單元24為外置的16M低功耗flash存儲芯片，用于按設定的時間間隔對處理器21處理后的參數信息進行存儲，時鐘同步單元26用于提供與地面參數顯示單元3中的計算機31同步的時鐘信息，此時鐘信息作為存儲參數和處理器21處理后的測量參數一起保存至參數存儲單元24中，串口通信單元25為RS-485通信接口電路，用于實現處理器21與地面參數顯示單元3間的連接。
[0022]地面參數顯示單元3為設置在地面上的控制操作臺，其與井下參數采集單元2相連接，用于井下參數采集單元2采集信息的顯示、存儲以及對井下參數采集單元2的參數設置，地面參數顯示單元3包括:計算機31、參數顯示單元32、遠程控制單元33、內存管理單元34和狀態顯示單元35 ;其中:計算機31分別與參數顯示單元32、遠程控制單元33、內存管理單元34和狀態顯示單元35連接，計算機31通過RS-485串行通信接口與參數采集單元2中的串口通信單元25相連接；
[0023]本系統的工作過程如下:泥漿發電機11產生的三相交流電能經整流濾波電路12處理后輸出粗直流電能，然后由直流-直流變換電路13將粗直流電能轉換成適合不同電子測量、控制單元14需求的穩定直流電能，根據電子測量、控制單元14所需功率大小，當單一直流-直流變換電路13無法滿足要求時，可采取多個直流-直流變換電路13并聯均流的方式進行電能供給；參數測量單元22主要完成對發電機轉速、整流電壓、均流電流和電源輸出電壓的測量，處理器21采用飛思卡爾公司的HC9S12系列單片機，內置8通道10位A/D轉換器，可完成對整流電壓測量單元222、均流電流測量單元223和輸出電壓測量單元224輸出信號的A/D轉換，處理器21接收的發電機轉速測量單元221的測量值為直流方波信號，采用輸入/輸出端口下降沿有效的方式，在規定的采樣間隔內進行下降沿統計，處理后的數據保存至參數存儲單元24中，處理器21通過串口通信單元25可實現與計算機31的信息交互，時鐘同步單元26在處理器21的控制下通過串口通信單元25與計算機31的時鐘保持一致；在地面參數顯示單元3中，計算機31為控制核心和顯示設備，采用C++Builder編程軟件實現各功能模塊，其中參數顯示單元32可實現對井下參數采集單元2測量參數的顯示，遠程控制單元33可實現井下參數采集單元2的參數初始化和參數存儲單元24中存儲芯片的擦除，內存管理單元34可用于讀取井下參數采集單元2的參數存儲單元24中的數據，進行數據的回放和保存；狀態顯示單元35可顯示井下參數采集單元2的參數采集時間、時間間隔、數據幀數、軟件版本等系統信息。
[0024]如圖2所示，本系統中井下電源參數采集單元2所采用的控制方法包括按順序進行的下列步驟:
[0025]步驟S201、初始設置:測量前，對處理器21自身參數進行設置，包括I/O 口、定時器、中斷等，并根據測量需求和參數存儲單元24中存儲芯片的大小設置參數采樣的時間間隔；
[0026]步驟S202、讀取測量參數:在規定的采樣時間到來時，處理器21通過參數測量單元22接收包括發電機轉速、整流電壓、輸出電壓、多路均流電流在內的測量參數信息；
[0027]步驟S203、測量參數轉換:發電機轉速參數為直流方波信號，處理器21設置為輸入/輸出端口下降沿計數，處理器21對上述直流方波信號進行濾波后統計采樣時間間隔內下降沿數目，由此計算出發電機轉速值，并對包括整流電壓、輸出電壓、多路均流電流在內的模擬參數進行A/D轉換；
[0028]步驟S204、誤差補償:在泥漿發電機11轉速范圍內計算參數測量值與真實值之間的誤差，并利用最小二乘法進行誤差補償；
[0029]步驟S205、保存測量參數:處理器21讀取時鐘同步單元26的時間