地层测试评价仪液压泵驱动电机在线监控系统

2012-11-27 14:26:03来源: 21ic

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。

地层测试评价仪液压泵驱动电机在线监控系统


  (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。

地层测试评价仪液压泵驱动电机在线监控系统

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关键字:地层测试评价仪  液压泵驱动电机  在线监控系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2012/1127/article_6424.html
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