基于單片機的液壓動力鉗檢測系統研究與實現

摘要：針對油田修井使用的多種液壓動力鉗系統沒有使用扭矩力限定裝置，容易因人為因素產生過大轉矩，對油管螺紋造成永久性的損壞;過小轉矩，對油管密封不好或脫落的問題，本文采用單片機設計液壓管鉗檢測系統，系統包括液壓動力鉗扭矩檢測傳感器、數據采集通信儀表及檢測上位機軟件，能夠實時記錄及檢測扭矩力值，并提供多點力矩超限聲光報警。成功的減少施工和運行維護費用，提高作業(yè)安全和工作效率。

關鍵詞：液壓動力鉗;實時曲線;數據采集;扭矩傳感器

在油田鉆修作業(yè)中起下鉆桿、鉆具、油套管時，上卸螺紋的專用工具是液壓動力鉗。液壓動力鉗在鉗口卡緊機構動作夾緊后，外供的壓力油控制液壓馬達轉動，液壓馬達通過內部機構帶動鉗口轉動，液壓馬達可以正轉或者反轉，從而實現油管的上緊或卸下。

上扣時須嚴格控制扭矩，上扣扭矩直接影響螺紋上扣質量。使用液壓動力鉗上緊螺紋時，扭矩過大會造成螺紋無法拆卸，嚴重時，會產生裂紋，從而降低整個管柱的強度，同時會造成液壓動力鉗因負荷過重而損壞甚至報廢;扭矩過小會造成管柱密封不好或脫落，導至整個作業(yè)工程的返工，而且往往難以追查責任。

針對上述問題，解決方案目前主要有：對液壓動力鉗增加扭矩保護裝置或扭矩檢測裝置，文中設計基于AT89C55WD的扭矩檢測系統，不需要對原有動力鉗做改造，只需安裝扭矩檢測傳感器，便可方便快捷的實現實時監(jiān)控動力鉗力矩值、上下限報警點設置、超限報警、作業(yè)歷史數據查詢等功能。

1 系統結構組成

基于單片機的液壓管鉗智能檢測系統設計思想：液壓動力鉗扭矩信號由扭矩傳感器獲得，經模擬信號調理、信號處理，通過無線或有線USB串口通信，送PC機上位機軟件，上位機實時記錄液壓動力鉗扭矩數據，并對扭矩超限發(fā)出聲光報警。

液壓動力鉗智能檢測系統由硬件和軟件兩部分構成，硬件部分包括液壓扭矩傳感器、數據采集儀表。液壓扭矩傳感器對套管過程中的實時扭矩力值進行采集;數據采集儀表負責讀取液壓扭矩傳感器扭矩力值，對超出設定扭矩力值限定時報警，并實時與上位機軟件通信。軟件部分為液壓管鉗上位機智能檢測軟件，用于實時顯示、多方式記錄扭矩力值、繪制扭矩力值實時曲線圖，設定數據采集儀表報警及通信參數。

各部分連接通信方式如下：液壓扭矩傳感器與數據采集儀表之間電纜連接，數據采集儀表與上位機軟件采用USB串口有線或無線通信方式。數據采集儀表以AT89C55WD為核心處理部件，降低了開發(fā)成本，便于推廣。

2 硬件部分

2.1 液壓管鉗扭矩傳感器設計

液壓管鉗扭矩力傳感器是整個設計的重要部件，負責對動力鉗扭矩力值的輸出，結構圖如圖1。傳感器的兩端連接內四方和彈性應變區(qū)，彈性應變區(qū)外裝外殼，外殼一端與彈性元件固定，另一端與彈性元件間留有縫隙，以防止對應變部位產生干擾。為了使傳感器良好防潮，外殼與彈性應變區(qū)的縫隙間涂有硅膠。傳感器通過七芯航空插件輸出測量信號。

傳感器的材料為40CrNiMoA，并作調制處理。設計時，將傳感器的中心部位設計為應變敏感區(qū)，而其他受力部位的機械強度是應變區(qū)的數倍。由于其他部位的機械強度較高，在承載所產生的機械變形較小或不變形，故對扭矩力的損耗較小，而將扭矩力直接傳遞給機械強度最低的應變區(qū)域，使?jié)M量程時應變區(qū)將產生約1 000 με的機械變形量。在應變敏感區(qū)的中心部位粘貼有4片電阻應變計和相關補償元件，4片電阻應變計組成一個完整的慧斯頓電橋。

液壓管鉗扭矩傳感器經上海704所國防科技工業(yè)大扭矩檢測中心檢測精度等級為1.0級，達到實際使用精度要求。

2.2 數據采集儀表

數據采集儀表是傳感器與PC上位機通信的核心部件，負責對傳感器的測量信號的采集和A/D轉換，與PC上位機軟件通信功能。為應對惡劣的油井作業(yè)環(huán)境，數據采集儀表能脫離上位機獨立工作，提供顯示實時測量值、力矩超限報警功能。數據采集儀表由傳感器信號調理電路、24位A/D轉換電路、單片機處理電路、顯示電路、報警輸出電路、RS232通訊接口電路等相關電路組成。數據采集儀表原理如圖2所示。

扭矩傳感器測量所產生的微電壓信號輸入到信號調理電路，完成信號的正負切換、干擾消除后輸入到24位A/D轉換器，A/D轉換器將送來的微電壓信號轉化成數字信號后輸入到單片機數據處理系統，對測量信號進行量綱轉換后送入顯示電路進行測量顯示;同時將采集到的測量值與用戶設定報警點實時進行對比，當超出設定報警點時，發(fā)出報警指令，啟動報警控制。同時控制RS232通訊控制電路與PC機通訊。數據采集儀表工作流程如圖3所示。

單片機數據處理系統：采用8位單片機AT89C55WD，完成數據采集處理、超限報警、通訊控制等。并配數據存儲器24LC02、看門狗電路DS1232等電路。

信號調理電路：傳感器的微弱電壓信號進行正負切換、濾波，使其適合A/D轉換器輸入。由信號正負切換電路、信號濾波電路、傳感器精密供電電路組成。

A/D轉換電路：傳感器輸出的模擬電壓信號轉換為單片機能夠識別的數字信號，以供單片機處理。A/D轉換電路選用Cirrus Logic公司的高精度24位串行A/D轉換芯片CS5532。該芯片的數據吞吐量為7～3 840 Sps、積分線性度為±0.001 5%F.S。芯片內部有高精度的儀表放大器，擴大了信號輸入范圍，允許小信號的輸入，提高了系統的動態(tài)特性。本系統讓CS5532工作在連續(xù)轉換模式，儀表開機上電后，單片機向A/D轉換器發(fā)出連續(xù)轉換指令后，CS5532不斷將傳感器輸出的模擬信號進行轉化后輸入單片機。

RS232通訊電路：采用MAX232轉換芯片，將單片機輸出的TTL電平信號轉換為與計算機兼容的RS232信號，使儀表能和計算機通訊，采用無線與有線通信兩種模式。無線通訊基于FSK調制方式，工作在433.926 MHz，采用高效前向糾錯編碼技術，有較強的抗干擾能力。儀表切換為無線通訊狀態(tài)后，在開闊地200 m內，配合無線接收器可實現儀表與PC機無線通訊。關閉無線發(fā)射功能后，采用有線通訊。

報警控制電路：當測量值超出設定的報警點時，控制相應報警點光電耦合器導通，連接于光電耦合器的繼電器也導通，從而啟動報警。報警控制電路由4個光電耦合器、4個報警控制繼電器、報警蜂鳴器、報警解除開關等相關元件組成。

顯示驅動電路：用于顯示儀表的測量值，測量狀態(tài)、參數及符號。由3片8位移位寄存器74HC595H和5位LED數碼管、9個發(fā)光二極管等元件組成。

3 上位機軟件

檢測系統上位機軟件對修井作業(yè)的遠程的監(jiān)管，能進行儀表參數設置、實時測量值顯示及存儲、歷史數據查詢、超限報警。軟件采用Visual Basic語言開發(fā)實現，相對于工業(yè)組態(tài)軟件能更高效運行，開發(fā)難度較大。

3.1 串口通信設置

對串口通信MSCOM控件初始化，配置串口號、傳輸速率、校驗位、數據位位數、停止位位數及校驗位設置，使其能與數據采集儀表串口通信。為方便使用，將串口配置信息保存到set.ini文件中，軟件運行直接讀取set.ini取得串口通信參數。

3.2 實時測量值顯示

實時測量值顯示模塊是上位機軟件的關鍵模塊，可實時顯示測量值、峰谷值、繪制實時曲線，并存儲測量數據，監(jiān)控力矩超報警。實時曲線的繪制采用Iocomp組件中的iPlot控件實現。IocompPlot Pack是一套受托管的圖形組件，它采用GDI+技術，畫出的圖像漂亮，是一個用于實時繪制曲線和圖表的組件，適合開發(fā)需要高速顯示數據的工程和科學類型的應用組件。

針對無線和有線兩種通信模式，設計了多模式兼容通信算法。無線信號受距離和干擾的影響容易出錯，在數據通信過程中采用“#數據#”數據傳輸格式，數據位數固定為10位，用線程監(jiān)控輸入緩沖區(qū)字符數和每次通信最大時間花費兩種方案來控制通信。監(jiān)控輸入緩沖區(qū)接收到的字符數，如果達到10個，程序提取緩存數據，并分析接收到的數據合法性，數據正確就做顯示及曲線繪制，數據錯誤說明無線通信有干擾。設定每次通信最大時間花費，可以避免因外圍設備未啟動或無線通信超出有效通距離，上位機軟件不能正常運行的問題。由于采用高速采樣通信，采樣數據在通信過程中出錯，直接丟棄，繼續(xù)新采樣數據通信。經測試本算法有線通信模式下平均數據通信時間花費為6～10ms，無線通信模式下平均數據通信時間花費為15～30 ms。采樣流程如圖4所示。軟件界面如圖5所示。

3.3 查看歷史記錄

為方便對測量數據的分析及回放，查看歷史數據模塊包括打開數據、歷史曲線繪制和顯示報表及導出打印功能。打開數據將實時采集保存的數據文件打開，讀取文件數據送入iPlot控件，實現歷史曲線繪制。用戶可根據需求對曲線進行放大、縮小、保存、數據值查看等多項功能。顯示報表將數據文件讀出，在Data Grid表格控件顯示，也可單擊導出按鈕將表格的數據導出到EXCEL表格中。

3.4 儀表報警參數設置

方便用戶對數據采集儀表的報警上限和報警下限的讀取和設置。用戶可設置ALO1、ALO2正向加載報警和ALO3、ALO4反向加載報警，實現多點報警。

4 性能特點

1)設計應變式彈性體扭矩傳感器，零點穩(wěn)定，檢測精度高，抗干擾能力強。

2)可正向和反向兩個方向檢測標定扭矩。

3)扭矩傳感器與數據采集儀表配合，可實現扭矩實時顯示、報警。

4)可設置2個上限報警點，2個下限報警點，實現多點報警。

5)數據采集儀表實時性好，每秒讀取傳感器數據多達100個數據，單次采樣時間10 ms。

6)數據采集儀表與PC機采用無線和有線兩種通信模式。

7)數據采集儀表能夠獨立工作。

8)上位機軟件功能齊全、界面美觀、操作簡單，能夠對數據采集儀表進行報警點設置、實時測量值、峰谷值曲線的繪制及數據的存儲。

5 結論

筆者設計基于AT89C55WD為處理核心的數據采集儀表可獨立工作，實現實時超限報警、數據采集、實時顯示、與PC機無線或有線通信功能，結合上位機軟件能實時監(jiān)控、記錄測量數據，采用實時曲線圖反應測量值、峰谷值的變化，界面美觀、操作簡單。整個系統安裝使用方便、靈敏度高、抗干擾性能好、實時性能好、系統精度高，提高工作效率，具有推廣應用價值。整套系統軟硬結合功能齊全，完全達到實際作業(yè)需求，并為常規(guī)檢定設備的技術改造提供了參考方案。其中大扭矩傳感器經上海704所國防科技工業(yè)大扭矩檢測中心檢測精度等級達到1.0級。