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：2021-03-15 《电子技术与软件工程》(半月刊)创刊于2012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;PLC

　　1 引言

　　录井技术是钻井井控工作的一项基础技术，符合时代发展的基本需求，能够科学分析出地质结构的整体构成情况及潜在的安全风险因素 [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发展需要 [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，从而降低培训成本和风险。在录井模拟培训中，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，价格一般都比较昂贵 [3]。本着经济、耐用的原则，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部分组成，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较恶劣，现场对传感器的特性选择要求比较严格，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 4~20mA 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、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 0~10V 电压或者 4~20mA 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 0~10V 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。比如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。经过多种方案对比，最终采用 5 位拨码开关来实现位置编码。拨码开关体积小，价格便宜，能轻松地实现 1~17 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。

　　3.1.2 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服务程序 INT0(图 2(a))，在中断服务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，之后进入发送中断服务程序 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，进入接收中断服务程序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，经油田应用表明，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。