地層測試評價(jià)儀液壓泵驅動(dòng)電機在線(xiàn)監控系統

0 引 言

　　海洋石油鉆井平臺要對海底石油進(jìn)行探測取樣，所用的探測器是一個(gè)長(cháng)達數十米的管型探測裝置，即地層測試評價(jià)儀(Formation EvaluationTool，FET)[1]。在探測裝置中裝有油泵、吸油咀、取樣筒、單向電磁閥等機械執行機構，以及電機及其驅動(dòng)器、電磁閥及其控制器、供電電源、傳感器、信號變換器等多種電氣部件。其中液壓泵驅動(dòng)電機是石油探測器的關(guān)鍵性部件，用于驅動(dòng)儀器液壓泵，提供液壓動(dòng)力完成儀器的各項機械動(dòng)作。液壓泵驅動(dòng)電機的可靠性是非常重要的，它的良好運行是確保石油探測器裝置正常運行的重要保證。目前，國內外對液壓泵驅動(dòng)電機的功能測試多采用分立組件來(lái)完成，每個(gè)組件只能對電機的單一參數進(jìn)行評價(jià)，組件之間相互獨立，無(wú)法實(shí)現綜合功能的檢測，且檢測效率和自動(dòng)化水平均較低，更重要的是很難保證在井下 150 ℃環(huán)境下可靠工作。該系統是基于石油勘測的實(shí)際應用背景和需求而進(jìn)行立項開(kāi)發(fā)的，可以在井下 150 ℃環(huán)境下對液壓泵驅動(dòng)電機的運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監控，有效保證儀器的可靠運行。

　　1 液壓泵驅動(dòng)電機在線(xiàn)監控需求

　　為了保證電機的正常、可靠運行，必須對電機的溫度、轉速、驅動(dòng)電壓、驅動(dòng)電流等參數實(shí)時(shí)監測，保持各參數始終在規定的范圍內。檢測到參數要通過(guò) CAN 總線(xiàn)與上位計算機通信，當參數超限后，立即報警，并進(jìn)行相應保護。概括起來(lái)系統應具有如下功能和特點(diǎn):(1)電機運行參數自動(dòng)檢測功能。包括電機溫度檢測、電機轉速檢測、電機驅動(dòng)電壓檢測和電機驅動(dòng)電流檢測等;(2)具有輸入過(guò)壓、欠壓，輸出過(guò)流、過(guò)載、短路，過(guò)熱，超速等多項保護功能; (3)具有 4 路直流電磁閥開(kāi)通與關(guān)斷的功能，用于電機保護控制。短時(shí)驅動(dòng)電流大于 3 A(100 ms)，持續驅動(dòng)電流不小于 2A。驅動(dòng)電流響應速度快，不大于 0. 3 ms;(4) 具有 CAN 通信功能，實(shí)現監測系統與主控制系統的通信，實(shí)監測系統接收主控制系統的各種命令，并將各種狀態(tài)信息和故障信息反饋給主控制系統;(5)具有人機界面功能，實(shí)現控制與狀態(tài)顯示;(6)監控系統高溫可靠性，確保系統在高溫150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。

　　2 液壓泵驅動(dòng)電機在線(xiàn)監控系統技術(shù)方案和特點(diǎn)

　　2. 1 系統特點(diǎn)

　　測試系統采用全數字化測控設計，以DSPIC30F6010A 高速微型計算機為核心，通過(guò)工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現數據通信和共享，能夠實(shí)時(shí)檢測和傳遞數據，實(shí)現多 CPU 之間的互通互聯(lián)與數據共享，檢測、控制、顯示的實(shí)時(shí)性好，可靠性高。

　　測試系統具有極高的高溫可靠性，確保系統在高溫 150 ℃ 井下環(huán)境可靠工作。單片機采用Microchip 公司最先進(jìn)的 16 位 ( 數據 ) 單片機DSPIC30F6010A;CAN 驅動(dòng)器采用 TI 公司生產(chǎn)的一款低功耗串行 CAN 控制器 SN65HVD1040D;運放及其他電子元件均選擇 150 ℃溫度等級;此外系統還設計有風(fēng)扇、散熱器等;

　　2. 2 技術(shù)方案

　　液壓泵驅動(dòng)電機監控系統結構圖，如圖 1 所示。整個(gè)系統由三大部分組成:上位機監控系統、監控模塊和被測電機系統組成。上位機監控系統由 PC 機和 CAN 通信卡組成，實(shí)現與底層監控模塊的通信與控制，狀態(tài)參數顯示。上位機軟件采用 VC6. 0 高級語(yǔ)言設計，CAN 通信卡采用研華的PCI1680U。監控模塊負責根據上位機以 CAN 通信形式傳來(lái)的指令控制電機的起動(dòng)/停止，同時(shí)檢測液壓泵驅動(dòng)電機的運行狀態(tài)，并將參數，如電壓、電流、溫度、轉速及故障信息通過(guò) CAN 通信傳給上位機進(jìn)行顯示。電磁閥驅動(dòng)控制模塊負責根據 CAN 指令控制 4 只電磁閥的開(kāi)通/關(guān)斷，實(shí)現電機保護控制輸出，并將電磁閥狀態(tài)信息通過(guò)CAN 通信傳給上位機進(jìn)行顯示。

　　3 硬件電路設計

　　3. 1 電磁閥驅動(dòng)電路

　　(1) FET 電磁閥特性分析。FET 中油路控制采用了一種特殊電磁閥，該電磁閥開(kāi)通需要較大的起動(dòng)電流，短時(shí)驅動(dòng)電流大于3A(100ms)，電磁閥開(kāi)通持續驅動(dòng)電流不小于 2 A。電磁閥閉合需要不小于 2 A(100 ms)的反向維持電流。驅動(dòng)電流響應速度快，不大于 0. 3 ms。電磁閥開(kāi)通、閉合所需要的電流特性曲線(xiàn)如圖 2 所示。

　(2) 驅動(dòng)電路設計與說(shuō)明。根據上面電磁閥特性的分析，設計如圖 3 所示的電磁閥驅動(dòng)電路。

微處理器按照電流特性曲線(xiàn)的時(shí)序控制 T8A，T8B，T8C 的狀態(tài)，從而實(shí)現起動(dòng)電源 P3A，開(kāi)通維持電源 + P2A 和閉合電源 - P2A 的控制，實(shí)現電磁閥的開(kāi)通和閉合控制。

　　3. 2 電機溫度檢測電路

　　系統中，電機溫度的檢測采用 PT100 溫度傳感器來(lái)完成。檢測電路如圖 4 所示。PT100 與電機表面充分接觸，當電機溫度發(fā)生變化時(shí)，PT100的阻值也隨之變化，利用圖 4 所示的電路可以測得阻值的變化，從而測得電機溫度。電路分析:IC6A，R97，R98組成一個(gè)200mA恒流源電路;利用恒流源將 PT100 的阻值轉換為電壓信號;再利用 IC7 采集并將信號送給單片機;最后單片機再根據溫度曲線(xiàn)計算電機溫度。