地层测试评价仪液压泵驱动电机在线监控系统

0 引 言

　　海洋石油钻井平台要对海底石油进行探测取样，所用的探测器是一个长达数十米的管型探测装置，即地层测试评价仪(Formation EvaluationTool，FET)[1]。在探测装置中装有油泵、吸油咀、取样筒、单向电磁阀等机械执行机构，以及电机及其驱动器、电磁阀及其控制器、供电电源、传感器、信号变换器等多种电气部件。其中液压泵驱动电机是石油探测器的关键性部件，用于驱动仪器液压泵，提供液压动力完成仪器的各项机械动作。液压泵驱动电机的可靠性是非常重要的，它的良好运行是确保石油探测器装置正常运行的重要保证。目前，国内外对液压泵驱动电机的功能测试多采用分立组件来完成，每个组件只能对电机的单一参数进行评价，组件之间相互独立，无法实现综合功能的检测，且检测效率和自动化水平均较低，更重要的是很难保证在井下 150 ℃环境下可靠工作。该系统是基于石油勘测的实际应用背景和需求而进行立项开发的，可以在井下 150 ℃环境下对液压泵驱动电机的运行状态实时监控，有效保证仪器的可靠运行。

　　1 液压泵驱动电机在线监控需求

　　为了保证电机的正常、可靠运行，必须对电机的温度、转速、驱动电压、驱动电流等参数实时监测，保持各参数始终在规定的范围内。检测到参数要通过 CAN 总线与上位计算机通信，当参数超限后，立即报警，并进行相应保护。概括起来系统应具有如下功能和特点:(1)电机运行参数自动检测功能。包括电机温度检测、电机转速检测、电机驱动电压检测和电机驱动电流检测等;(2)具有输入过压、欠压，输出过流、过载、短路，过热，超速等多项保护功能; (3)具有 4 路直流电磁阀开通与关断的功能，用于电机保护控制。短时驱动电流大于 3 A(100 ms)，持续驱动电流不小于 2A。驱动电流响应速度快，不大于 0. 3 ms;(4) 具有 CAN 通信功能，实现监测系统与主控制系统的通信，实监测系统接收主控制系统的各种命令，并将各种状态信息和故障信息反馈给主控制系统;(5)具有人机界面功能，实现控制与状态显示;(6)监控系统高温可靠性，确保系统在高温150 ℃ 井下环境可靠工作。

　　2 液压泵驱动电机在线监控系统技术方案和特点

　　2. 1 系统特点

　　测试系统采用全数字化测控设计，以DSPIC30F6010A 高速微型计算机为核心，通过工业现场总线实现数据通信和共享，能够实时检测和传递数据，实现多 CPU 之间的互通互联与数据共享，检测、控制、显示的实时性好，可靠性高。

　　测试系统具有极高的高温可靠性，确保系统在高温 150 ℃ 井下环境可靠工作。单片机采用Microchip 公司最先进的 16 位 ( 数据 ) 单片机DSPIC30F6010A;CAN 驱动器采用 TI 公司生产的一款低功耗串行 CAN 控制器 SN65HVD1040D;运放及其他电子元件均选择 150 ℃温度等级;此外系统还设计有风扇、散热器等;

　　2. 2 技术方案

　　液压泵驱动电机监控系统结构图，如图 1 所示。整个系统由三大部分组成:上位机监控系统、监控模块和被测电机系统组成。上位机监控系统由 PC 机和 CAN 通信卡组成，实现与底层监控模块的通信与控制，状态参数显示。上位机软件采用 VC6. 0 高级语言设计，CAN 通信卡采用研华的PCI1680U。监控模块负责根据上位机以 CAN 通信形式传来的指令控制电机的起动/停止，同时检测液压泵驱动电机的运行状态，并将参数，如电压、电流、温度、转速及故障信息通过 CAN 通信传给上位机进行显示。电磁阀驱动控制模块负责根据 CAN 指令控制 4 只电磁阀的开通/关断，实现电机保护控制输出，并将电磁阀状态信息通过CAN 通信传给上位机进行显示。

　　3 硬件电路设计

　　3. 1 电磁阀驱动电路

　　(1) FET 电磁阀特性分析。FET 中油路控制采用了一种特殊电磁阀，该电磁阀开通需要较大的起动电流，短时驱动电流大于3A(100ms)，电磁阀开通持续驱动电流不小于 2 A。电磁阀闭合需要不小于 2 A(100 ms)的反向维持电流。驱动电流响应速度快，不大于 0. 3 ms。电磁阀开通、闭合所需要的电流特性曲线如图 2 所示。

　　(2) 驱动电路设计与说明。根据上面电磁阀特性的分析，设计如图 3 所示的电磁阀驱动电路。

　　微处理器按照电流特性曲线的时序控制 T8A，T8B，T8C 的状态，从而实现起动电源 P3A，开通维持电源 + P2A 和闭合电源 - P2A 的控制，实现电磁阀的开通和闭合控制。

　　3. 2 电机温度检测电路

　　系统中，电机温度的检测采用 PT100 温度传感器来完成。检测电路如图 4 所示。PT100 与电机表面充分接触，当电机温度发生变化时，PT100的阻值也随之变化，利用图 4 所示的电路可以测得阻值的变化，从而测得电机温度。电路分析:IC6A，R97，R98组成一个200mA恒流源电路;利用恒流源将 PT100 的阻值转换为电压信号;再利用 IC7 采集并将信号送给单片机;最后单片机再根据温度曲线计算电机温度。

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　　3. 3 电机转速检测电路

　　系统中，电机转速的检测采用霍尔测速传感器来完成[2]。检测电路如图5 所示。霍尔传感器与电机转轴垂直安装，与转轴的间距保持约 2mm。利用图 5 所示的电路可以测得电机转速。

　　4 软件设计

　　系统 CAN 节点流程图如图 6 所示。上位机向监控模块发帧号为 0x11 的指令帧，控制电机起停和 4 个电磁阀通断。监控模块向上位机发帧号为 0x21 的状态帧，反馈电机状态信息。

　　指令帧(帧号为 0x11) 和状态帧(帧号为0x21)定义分别如表 1、2 所示。软件流程图如图 7 所示。

　　5 结 语

　　本文提出的 FET 液压泵驱动电机在线监控系统，集微型计算机控制技术、现场总线网络技术、现代传感器技术于一体，很好地解决了液压泵驱动电机的在线监测问题。系统可在高温150 ℃环境下可靠运行，极大提高了 FET 关键设备的检修效率，为现场测井作业，提供了方便。系统已成功应用于油田测井现场，并得到了客户一致好评。