專利名稱：數(shù)字式無線修井指重防碰儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型的修井檢測及控制儀表，具體涉及修井機或通井 機的大鉤載荷指示儀表和天車防碰控制儀，也就是數(shù)字式無線修井指重防 碰儀。
背景技術：
隨著我國對油田的深度開發(fā)以及開發(fā)技術日益發(fā)展，深井、斜井增多， 油田井下作業(yè)隨之復雜，各大油田陸續(xù)進入了中后期開發(fā)階段，修井作業(yè) 次數(shù)逐年增加。為保證油井的正常生產(chǎn)，修井作業(yè)成為采油生產(chǎn)的主要工 作。在現(xiàn)有技術中，目前國內(nèi)外油田修井作業(yè)使用的指重表，普遍存在以
下問題
1、 一次表多采用機械式拉力傳感器或液壓傳感器，標稱精度只能達到 1.5%~2%，并特別容易受氣溫等因素的影響，導致實際精度比標稱精度還 要低。由于靈敏度、精度都比較低，不能進行精確測量，在進行井下較輕 落物打撈時，難以判斷打撈情況，返工現(xiàn)象時有發(fā)生，增加了工作人員的 勞動強度和施工成本。
2、 二次表采用機械儀表或電子數(shù)碼顯示方式，機械儀表采用的彈簧管 式壓力表，進一步降低了儀器的總體精度；電子液晶數(shù)碼顯示方式雖然不 會再次降低儀器的精度，但這種顯示方式與操作者的觀察習慣大相徑庭， 很難被操作工人接受。
3、 一次表和二次表之間采用電纜連接方式，由于修井作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡 劣，經(jīng)常出現(xiàn)電纜進水、斷裂導致儀器無法正常工作的情況。
4、 修井指重表和天車防碰裝置是由兩個廠家生產(chǎn)的、完全獨立的兩套 系統(tǒng)，增加了購置成本和維修成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術存在的問題及缺點，提供一種數(shù)字式無 線修井指重防碰儀，將修井機或通井機的大鉤載荷指示和天車防碰控制兩 個主要功能集成在一個系統(tǒng)，并實現(xiàn)儀表數(shù)字化。
基于以上目的，本發(fā)明采用的技術方案為 一次表用載荷傳感器取代 原有的機械式拉力傳感器或液壓傳感器；二次表由工控機及配套系統(tǒng)構成， 通過無線方式實時獲取一次表載荷數(shù)據(jù)及電池組電壓，通過電纜外接壓力 變送器、脈沖傳感器，分別檢測計算出當前氣動剎車系統(tǒng)的氣壓和游動滑車高度，并在液晶顯示器(LCD)上以模擬表盤和數(shù)值方式同時顯示這些工 程參量。在游動滑車高度超限時，立即控制滾筒剎車并發(fā)聲警示。
本發(fā)明包括 一次表、二次表、壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向 閥、告警揚聲器， 一次表與二次表之間通過無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)傳遞， 壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器分別與二次表電纜連 接，二次表采集壓力變送器和脈沖傳感器的輸入信號，控制驅動電磁換向 閥和告警揚聲器。
所述的一次表主要包括載荷傳感器、傳感器驅動信號源、參考電壓源、 測量放大電路、高能電池組及其電壓監(jiān)測電路、無線數(shù)傳模塊和低功耗微 控制器(MCU);低功耗微控制器分別與傳感器驅動信號源、參考電壓源、 測量放大電路、高能電池組電壓監(jiān)測電路、無線數(shù)傳模塊相連，載荷傳感 器分別與傳感器驅動信號源和測量放大電路相連，參考電壓源分別與傳感 器驅動信號源和測量放大電路相連，電源由高能電池組提供。低功耗微控 制器是一次表監(jiān)測處理核心，主要完成傳感器信號源和參考電壓源驅動、 A/D轉換、無線通信控制， 一次表實時采集載荷傳感器的拉力感應值和電 池組的電壓值，處理后經(jīng)無線數(shù)傳模塊傳送至修井機或通井機駕駛室內(nèi)的 二次表。
所述的二次表主要包括工控主機、無線數(shù)傳模塊、鍵盤、信號采集驅 動板、存儲卡、顯示驅動板、DC/DC電源板、液晶顯示器、輸入輸出接口； 二次表以工控主機為核心，分別連接無線數(shù)傳模塊、鍵盤、信號采集驅動 板、存儲卡、顯示驅動板、DC/DC電源板，并通過顯示驅動板連接驅動液 晶顯示器，輸入輸出接口分別與信號采集驅動板和DC/DC電源板相連。工 控主機通過無線通信獲得一次表數(shù)據(jù)包后，主機上的用戶軟件對數(shù)據(jù)進行 處理計算，并實時地在液晶顯示器上以模擬表盤方式和數(shù)值方式同時顯示 拉力值、 一次表供電電池組的電量。鍵盤用于參數(shù)設定和數(shù)據(jù)回放。所述 的二次表采用大屏幕液晶顯示器作為顯示部件，以圖文并有方式顯示工程 參量。
此外，二次表還通過信號采集驅動板外接脈沖傳感器感應修井機或通 井機滾筒軸轉動方向和圈數(shù)，進而計算出游動滑車高度；通過外接壓力變 送器測量氣動剎車系統(tǒng)氣壓。除在液晶顯示器實時顯示采集量外，二次表 還將當前游動滑車高度值與預先設定的游動滑車高度上下限值比較，如超 出，則立即驅動外接的電石茲換向閥控制剎車，同時通過告警揚聲器警示。
二次表可通過鍵盤設定繩數(shù)，以滿足不同類型的修井機或通井機，游 動滑車高度顯示表盤刻度和報警值隨繩數(shù)自動改變。二次表的大容量存儲空間隨時保存所有采集數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù) 以表格和曲線方式回放。為施工作業(yè)提供充足的分析判斷依據(jù)。
一次表和二次表均采用不銹鋼全密封設計，滿足油田行業(yè)防水、防腐 及防爆要求。
本發(fā)明的主要優(yōu)點為
1、 釆用載荷傳感器檢測大鉤載荷，這種傳感器精度高，精度可達2%。。， 溫漂系數(shù)小，配合驅動信號源和檢測電路，可實現(xiàn)對大鉤載荷的精確測量。
2、 二次表釆用大屏幕高亮度液晶顯示器顯示工程參量，模擬表盤和數(shù) 值同時顯示，既符合操作工人傳統(tǒng)操作習慣，又避免了讀數(shù)誤差，確保取 值的直觀性和準確性。即使是在夜間施工，顯示也足夠清晰。
3、 無線數(shù)傳取代一次表和二次表之間的連接電纜，避免了因電纜老化、 磨損、進水、斷裂而造成的故障問題，同時也給儀表安裝和維修提供了方 便。
4、 指重和防碰二合一，操作工人只需觀察液晶顯示器就可實現(xiàn)高效安 全施工；在成本和占用空間上也具有較大優(yōu)勢。
5、 儀表數(shù)字化使得將施工作業(yè)的各種參量隨時保存變成可能，這些歷 史數(shù)據(jù)可以通過表格或曲線方式回放，給工程施工提供最直接有效的數(shù)據(jù) 支持。


圖1為本發(fā)明的組成框圖。
圖2為本發(fā)明的一次表組成框圖。
圖3為本發(fā)明的二次表組成框圖。
圖4a、圖4b、圖4c為本發(fā)明的一次表控制程序流程圖。
具體實施方式
結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述。
如圖l所示，本發(fā)明由一次表、二次表、壓力變送器、脈沖傳感器、 電磁換向閥、告警揚聲器組成， 一次表與二次表之間通過無線數(shù)傳模塊進 行數(shù)據(jù)傳遞；壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器分別與 二次表電纜連接；二次表采集壓力變送器和脈沖傳感器的輸入信號，控制 驅動電磁換向閥和告警揚聲器；其中， 一次表主要包括載荷傳感器、傳感 器驅動信號源、參考電壓源、測量放大電路、高能電池組及其電壓監(jiān)測電 路、無線數(shù)傳模塊和低功耗微控制器(MCU);低功耗微控制器分別與傳感 器驅動信號源、參考電壓源、測量放大電路、高能電池組電壓監(jiān)測電路、 無線數(shù)傳模塊相連，載荷傳感器分別與傳感器驅動信號源和測量放大電路
5相連，參考電壓源分別與傳感器驅動信號源和測量放大電路相連， 一次表
電源由高能電池組提供；二次表以工控主機為核心，分別連接無線數(shù)傳模 塊、鍵盤、信號采集驅動板、存儲卡、顯示驅動板、DC/DC電源板，并通 過顯示驅動板連接驅動液晶顯示器，輸入輸出接口分別與信號采集驅動板 和DC/DC電源板相連；二次表通過與一次表無線數(shù)傳^t塊之間的通信獲取 大鉤載荷數(shù)據(jù)和電池組電壓，并由外接的壓力變送器檢測氣動剎車系統(tǒng)中 氣管線內(nèi)氣壓，由脈沖傳感器感應修井機或通井機滾筒軸轉動方向和圈數(shù)， 通過滾筒軸轉動圈數(shù)、設定的繩數(shù)、滾筒直徑計算出當前游動滑車高度值。 二次表將這些檢測到的工程參量以數(shù)值和各自習慣的表盤方式(包括圓表 盤和棒狀圖)顯示在液晶顯示器上。如果游動滑車高度超限，則通過采集 驅動板輸出 一路信號控制電磁換向閥切斷離合器的氣壓，并給剎車制動汽 缸供氣剎車；另一路信號驅動大功率揚聲器發(fā)聲警示。
一次表組成及原理 一次表由載荷傳感器、傳感器驅動信號源、參考 電壓源、測量放大電路、高能電池組及其電壓監(jiān)測電路、無線數(shù)傳模塊和 低功耗微控制器組成，如圖2所示，微控制器定時啟動傳感器驅動信號源 和參考電壓源，給載荷傳感器提供穩(wěn)定的激勵信號，拉力在載荷傳感器上 產(chǎn)生的微變電壓經(jīng)放大電路提升后，送微控制器采樣、濾波、變換和緩存。 高能電池組給一次表供電的同時，其電壓也被微控制器實時監(jiān)測，微控制 器將載荷值和電池電壓值通過無線數(shù)傳模塊傳送至二次表。
一次表整體采用低功耗設計，確保一個作業(yè)期內(nèi)無需充電。
一次表控制程序流程圖簡介如下
微控制器在完成自檢和初始化后，分別啟用定時器和異步通信兩種中 斷喚醒休眠狀態(tài)，定時器設置每500ms喚醒，然后進入休眠，以降低功耗。 如圖4b所示。
在定時器中斷發(fā)生時，微控制器從休眠狀態(tài)進入正常工作狀態(tài)，程序 先后開啟參考電壓源和傳感器驅動信號源，在完成載荷和電池電壓的采樣 后，將采樣值濾波處理并存入緩沖區(qū)，然后關閉參考電壓源和傳感器驅動 信號源，返回中斷前狀態(tài)，也就是返回休眠狀態(tài)，如圖4a所示。
異步通信接收中斷發(fā)生后，微控制器也將從休眠狀態(tài)喚醒。程序根據(jù) 接收狀態(tài)字依次判斷當前接收字節(jié)是否符合通信協(xié)議規(guī)范，不符合協(xié)議規(guī) 范則丟棄該字節(jié)并返回。在指令包完全接收后，進行指令包校驗。只有當 指令包校驗正確時，微控制器才返回應答信息。然后返回休眠狀態(tài)。如圖 4c所示。
二次表組成及原理二次表由工控主機、無線數(shù)傳模塊、鍵盤、信號采
6集驅動板、存儲卡、DC/DC電源板、顯示驅動板、液晶顯示器及輸入輸出 接口組成，如圖3所示，二次表采用防水鍵盤作為人機交互方式，繩數(shù)和 游動滑車高度上下限值設置、歷史數(shù)據(jù)回放等功能通過鍵盤實現(xiàn)。
工控主機接收到一次表傳回的載荷數(shù)據(jù)和電池電壓值后，以千牛(KN ) 和容量百分比為單位進行換算處理，然后將最終結果在液晶顯示器上顯示， 載荷采用符合傳統(tǒng)習慣的模擬圓表盤指示，電池電壓則以棒狀圖指示，并 在對應區(qū)域顯示實際數(shù)值及單位。當一次表電池電量不足時給出醒目提示。
脈沖傳感器安裝于滾筒側邊，感應磁鋼安裝于滾筒軸上，滾筒每轉動 一圈，脈沖傳感器即產(chǎn)生一次脈沖串，信號經(jīng)采集驅動板上的采集電路整 形后，送入微控制器中斷口。微控制器及時對脈沖波形進行時序分析，計 算出滾筒定向轉動累計圈數(shù)。壓力變送器用于氣動剎車系統(tǒng)中的氣路壓強 檢測。工控主機通過串口通信獲取滾筒定向轉動計數(shù)值和氣路氣壓值后， 通過滾筒定向轉動計數(shù)值、設定的繩數(shù)、滾筒直徑計算游動滑車當前高度， 并將此值與氣壓值量化后送液晶顯示器顯示。
電磁換向閥和告警揚聲器用于危險狀態(tài)時緊急處理，其中，電磁換向 閥用于氣動剎車系統(tǒng)中的氣路流向控制。當游動滑車高度超出上下限值時， 工控主機給出剎車控制信號和揚聲器開啟信號，這兩個信號經(jīng)采集驅動板 驅動后，分別控制電磁換向閥動作和揚聲器發(fā)聲，使得滾筒制動并警示危 險狀態(tài)，當游動滑車恢復到安全高度后，控制信號自動復位。
權利要求
1、數(shù)字式無線修井指重防碰儀，包括一次表、二次表、壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器，其特征在于一次表與二次表之間通過無線通信方式聯(lián)系，壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器分別與二次表電纜連接。
2、 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式無線修井指重防碰儀，其特征在于所述的一次表包括載荷傳感器、傳感器驅動信號源、參考電壓源、測量放大電路、高能電池組及其電壓監(jiān)測電路、無線數(shù)傳模塊和低功耗微控制器。低功耗微控制器分別與傳感器驅動信號源、參考電壓源、測量放大電路、高能電池組電壓監(jiān)測電路、無線數(shù)傳模塊相連，載荷傳感器分別與傳感器驅動信號源和測量放大電路相連，參考電壓源分別與傳感器驅動信號源和測量放大電路相連， 一次表電源由高能電池組提供。
3、 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式無線修井指重防碰儀，其特征在于一次表與二次表之間采用無線通信方式傳遞指令和數(shù)據(jù)信息。
4、 根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式無線修井指重防碰儀，其特征在于所述的二次表包括工控主機、無線數(shù)傳模塊、鍵盤、信號釆集驅動板、存儲卡、顯示驅動板、DC/DC電源板、液晶顯示器、輸入輸出接口； 二次表以工控主機為核心，分別連接無線數(shù)傳模塊、鍵盤、信號采集驅動板、存儲卡、顯示驅動板、DC/DC電源板，并通過顯示驅動板連接驅動液晶顯示器，輸入輸出接口分別與信號采集驅動板和DC/DC電源板相連。
5 、根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式無線修井指重防碰儀，其特征在于所述的二次表采用大屏幕液晶顯示器作為顯示部件，以圖文并有方式顯示工程參量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種數(shù)字式無線修井指重防碰儀，包括一次表、二次表、壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器，一次表與二次表之間通過無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)傳遞，壓力變送器、脈沖傳感器、電磁換向閥、告警揚聲器分別與二次表電纜連接。一次表以高精度載荷傳感器作為大鉤載荷感應部件，二次表由工控機構成，采用液晶顯示器顯示工程參量，并通過外接電磁換向閥和告警楊聲器自動處理天車防碰控制。
文檔編號E21B19/00GK101487381SQ20091006072
公開日2009年7月22日 申請日期2009年2月12日 優(yōu)先權日2009年2月12日
發(fā)明者吳孝喜, 方長庚, 符滄海, 袁敦朋 申請人:武漢市歐賽石油技術開發(fā)有限公司