录井传感器模拟与自动识别系统研究

1、录井传感器模拟与自动识别系统研究摘要：本文从录井传感器的模拟、安装操作检测、传感器的识别、传感器动画播放等方面对系统的实现过程进行了描述。经油田推广应用，该系统功能完善，操作直观，培训效果好，应用前景广阔。本文源自何志敏; 梅大成， 电子技术与软件工程 发表时间：2022-03-15 ?电子技术与软件工程?(半月刊)创刊于2022年，由中国电子学会主办。旨在全方位推广信息时代下电气、电力、电工科学意识;关注电子各专业技术以及最新科研成果和进展;介绍软件工程、科技、信息技术在社会各领域的应用，关注科技传播与公民科学文化素质的提升。关键词：录井;传感器;模拟;自动识别;PLC1 引言录井技术是钻井井控工作的一项根底技术，符合时代开展的根本需求，能够科学分析出地质结构的整体构成情况及潜在的平安风险因素 1。传统的综合录井培训是通过阅读录井培训手册、听取有经验的录井人员的讲解、参加录井现场实际操作等方式，传统的综合录井培训方式已经很难适应当前高节奏、高效率的石油天然气工业生产开展需要 2。录井模拟培训系统通过对现场环境和仪器的仿真，使室内培训效果接近现场，从而降低培训本钱和风险。在录井模拟培训

2、中，一个关键的问题是培训人员要能识别各种传感器，并且在操作过程中，将各种传感器安装到正确的位置。每次操作，系统需要判断出对应位置所安装传感器是否正确，如果正确，给出提示，显示当前传感器的值，并以动画形式将该传感器所处真实位置在图形上放大显示。如果错误，系统给出错误提示。2 传感器模拟与自动识别系统硬件设计2.1 系统整体结构由于钻井工艺环境的要求，现场使用的多是特殊定制传感器，价格一般都比拟昂贵 3。本着经济、耐用的原那么，录井模拟培训系统采用传感器模型来代替真实传感器，大大降低了在培训过程中由传感器使用损耗而产生的费用。生产现场，录井传感器分布在井场的各个区域，而录井模拟培训系统的硬件采用的是按真实比例缩小的井场模型，该模型包括钻井平台、电机房、灌区、泥浆泵等。由于井场模型体积较小，不便于在其真实位置安装传感器，只用小标牌在其安装位置标识传感器名称，而在井场模型平台上设置多个航空插座，用来模拟传感器的安装位置。传感器模拟与自动识别系统由传感器模型、井场模型、主控机和图形机几个局部组成，其硬件结构如图 1 所示。传感器模型通过 9 芯航空头连接到井场模型平台的航空头插座上，传感器的值通

3、过 PLC 采集后传送给主控计算机，主控计算机实时显示当前传感器的状态，并发送消息给图形计算机，由图形计算机播放该传感器动画，将其在现场的具体安装位置、当前值大小等模拟出来。2.2 传感器模拟传感器的主要作用是把现场的录井参数转化为电量，并对其进行初步处理 4。录井传感器的工作环境比拟恶劣，现场对传感器的特性选择要求比拟严格，在录井模拟系统中，我们采用 1:1 的传感器模型来对真实传感器进行模拟。模拟过程需要实现两点要求：一是每个模型能模拟传感器的输出值，此值是要能随时改变的值;二是每个传感器在钻井模型平台上都有一个固定的位置，传感器模型必须能产生位置编码，才能判断是否安装到了正确的位置。2.2.1 传感器输出值的模拟录井模拟培训系统需模拟的传感器有悬重传感器、H2S 传感器、出口 / 入口温度、出口 / 入口密度、出口 / 入口电导率、转盘扭矩、立压、套压、液位、电扭矩、转盘转速、绞车、泵冲、出口流量等 17 个传感器，其中，现场的绞车、转盘转速和泵冲传感器输出的是脉冲信号，其余的传感器输出的是 420mA 的电流信号。传感器模型输出的数据由 PLC 采集，PLC 作为一种稳定可靠、

4、控制程序灵活可变的控制器，在工业控制系统中已经得到了广泛的应用 5。PLC 选用的是 Siemens 公司的 S7-200，可以对 010V 电压或者 420mA 电流进行采集。为了简化传感器模型的设计，所有模型的传感器值均采用 10K 电位器串接 14K 电阻连接到 24V 电源，通过电位器分压获得 010V 的电压值来模拟传感器输出值。S7-200 将传感器的值传送给主控机后，再由主控机按真实传感器的特点进行处理。2.2.2 传感器位置编码的产生钻井模拟平台上有 17 个航空头，每个航空头代表一个传感器的位置，事先设定各个航空头的编号。每个传感器模型需输出对应的位置编码，17 个传感器模型需用 5 位二进制编码来代表其位置。为了产生这 5 位编码，可以采用多种方案。比方可以在每个模型中放一个旋转编码器，事先设定好编码器的旋转刻度，让其输出的编码保持一个特定的数值。但是由于有的传感器模型体积较小，市面上的旋转编码器无法放入其中，而且编码器的价格也较高，每个传感器只用其一组编码，浪费较大。经过多种方案比照，最终采用 5 位拨码开关来实现位置编码。拨码开关体积小，价格廉价，能轻松地实现

5、117 的编码。将此 5 位拨码开关和电位器放入传感器模型内并将其输出信号接到 9 芯航空头上，再由航空头输出到 PLC。3 传感器自动识别系统软件设计3.1 主控软件与前端硬件的通信录井模拟培训系统的主控软件必须持续不断地与前端硬件进行通信，以获取前端设备状态，然后经过主控软件处理，可以驱动图形软件产生与硬件设备操作同步的动画过程，因此，主控软件和前端设备的双向、高速、稳定的通信是整个系统需要解决的一个关键技术问题。传感器自动识别系统中，主控计算机作为主站，它通过串口与S7-200 之间通过Siemens的PPI电缆相连， S7-200作为从站，工作在自由口模式下 6。3.1.1 PLC 与主控机通信协议在自由口通信模式下，用户需要自定义通信协议 7。本系统中，主控计算机与 PLC 之间的通信采用主从方式：主控计算机始终处于主机地位，具有初始传送优先权，所有通讯均由 PC 机来启动。 PC 机首先按照约定的字符格式和波特率初始化串口，然后按命令字格式发送命令字给 PLC，接着按约定字节数读取数据，这样便完成与 PLC 的数据传输。接着发送新的命令字开始下一次传送，循环进行。PC 发送

6、的命令字格式如下所示：本系统中，命令字为“UUUU+ 用一个字符表示的地址编号， PLC 在接收命令字时为接收 5 个字节，在接收完成后立即转为发送约定好字节数的数据给 PC，发送完后又设置为接收 5 个字节。 PLC 发送给主控机的数据帧格式如下所示，先发送每个传感器的当前值，然后发送每个传感器的位置编码。为了实现自由口通信，PLC 在对端口初始化时，需要对相关特殊存储器位进行配置。特殊存储器位 SMB30 为端口 0 通信配置波特率、奇偶校验和数据位 8。本系统中，设置 SMB30 的值为 16#90，即无奇偶校验、每个字符 8 位、波特率 9600、自由口通信模式 9。配置 SMB87 为 16#90，即允许接收、忽略 SMB88、忽略 SMB89、使用 SMW90 或 SMW190 数值检测空闲线条件、定时器是字符间的超时计时器、忽略 SMW92 或 SMW192、忽略断点条件。配置 SMW90 的值为 16#5，即设定空闲线时间为 5ms，当空闲线时间超过 5ms 后，收到的第一个字符是新信息的开始 10。设置 SMB94 为 16#5，即初始化接收 5 个字节的命令字。3.

7、1.2 PLC 与主控机数据传送为了保证系统数据能实时传送，PC 与 PLC 直接采用中断方式进行通信。接收和发送数据流程图如图 2 所示。PLC 接收完 PC 机发送的 5 个字节命令字后进入中断效劳程序 INT0(图 2(a)，在中断效劳程序中判别命令字是否为之前约定好的命令字，如果不是，就返回，重新接收命令字。如果是，启动定时器定时 5 毫秒，之后进入发送中断效劳程序 INT2(图 2(b)中，发送约定字节数的数据给PC。当数据发送完成后，进入接收中断效劳程序INT1(图 2(c)，允许接收新的命令字。3.2 主控软件传感器识别主控计算机每隔 200ms 和 PLC 进行一次通信，接收到 PLC 发送的数据后，可以获得每个传感器当前值以及传感器位置编码。主控机需要做如下几个判断：一是判断出学员当前安装的是哪一个位置的传感器;二是装上的传感器是否正确;三是传感器的当前值。主控软件对传感器的对错做出提示，并显示传感器的值，同时将这些信息发送给图形机，让图形动画与实际操作同步。主控机传感器识别的数据流程如图 3 所示。4 结论传感器自动识别系统实现了传感器操作的捕捉、传感器识别与判别、传感器动画演示等功能。图 4 为系统运行时主控软件采集到的传感器数值，图 5 为图形程序实时展示的动漫场景。录井模拟系统经过实验室测试目前已交付延安职业技术学院使用，经油田应用说明，系统功能完善，操作直观，培训效果好，值得进一步推广和使用。

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