谢秀飞 / 中国海洋石油集团有限公司计量检测中心

基于PC104总线的综合录井仪设计与开发

谢秀飞 / 中国海洋石油集团有限公司计量检测中心

针对目前综合录井仪小型化、集成化、模块化的趋势以及PC104总线的特点，提出了一种基于PC104总线技术的综合录井仪开发方案。设计了基于PC104总线技术的现场多路模拟量和数字量实时采集系统，并给出了软硬件的开发方案。实验结果表明，文中的设计方案可大大提高录井现场多路信号采集的准确性、可靠性。

PC104总线；串口通信；综合录井仪

0 引言

录井是伴随油气田勘探开发的需求和科技的不断进步而逐步发展起来的为油田提供地质信息的一门井筒技术[1]。综合录井技术包含监测钻井现场的气测、地质、钻井工程各项技术参数，是在泥浆录井技术应用实践中发展其来的。综合录井是石油勘探、开发中必须的重要检测手段，能够实现在钻井过程中连续油气检测、显示及实时评估等功能。

目前，录井现场使用的大型综合录井仪存在成本太高、服务费用相应巨大、不适合开发井等不足[2]。为此，针对生产井所需各项录井参数设计出基于PC104总线的小型综合录井仪。更有利于实现综合录井仪的小型化、集成化、模块化。尤其可使现场录井人员避免以往综合录井仪结构复杂，安装调试连接繁杂等缺点，还可以方便简捷地扩展综合录井仪的功能，使其能够更好地适应录井现场数据采集的各种特殊要求。

1 系统总体设计与实现

根据项目所需开发周期短、可靠性强、准确性高等要求，放弃了开发周期较长的单片机研发方式，而选用了基于PC104总线开发综合录井仪。

PC104是一种工业计算机总线标准。它具有以下主要特点：

1）小尺寸结构：标准模块尺寸是3.6×3.8英寸，即96×90 mm。

2）堆栈式连接：去掉总线背板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性。

3）总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4 mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1～2 W能耗。

基于PC104总线的各种特点，以PC104总线为核心的录井信号多路采集系统在理论和实际两方面都是可行的。

在生产井的实际录井中，所需采集的现场参数有以下几种：泵冲1、2、转盘转速、液位1、2、3、4、5、进出口电导、进出口温度、进出口密度、出口流量、立压、套压、扭矩、绞车等。这些信号大体上可分为模拟量和数字量两种（还包括一些类似于绞车的特殊信号）。为了缩短开发周期，采用多路模数转换采集卡PM525和多路计数采集卡PM539实现现场模拟量和数字量信号的采集。

然而，绞车类特殊信号需要经过鉴相倍频后，才可接入PM539计数采集卡进行计数和判断方向等操作。另外，在现场的传感器全部由信号采集系统供电，模拟量信号需要变成PM525所需的电压信号，数字量信号也要经过比较整形后才可供PM539使用。基于此，设计了鉴相倍频电路板和现场信号与PC104采集卡之间接口的电路板，综合录井仪总体结构如图1所示。绞车信号经过鉴相倍频电路后，与其他六路数字量信号一起送到PM539计数采集卡，通过PC104总线传输到PC104主板上；16路模拟量信号经过接口电路的调理由PM525采集卡A/D转换后通过PC104总线传输到PC104主板上。

图1 硬件机械结构图

所有录井数据采集到下位机后，经过自定义的一套通信协议无线传输到上位机软件中，最后对每种信号量具体换算，在上位机界面还原成具有实际意义的各路录井数据信息，以图像和数字的方式呈现在录井人员的面前。其中，下位机到上位机使用无线电台的方式进行数据传输，可大大减少录井人员的现场布线工作量。采用了美国MaxStream公司的XStreamRS-232/485无线数传电台，其电台工作频率为2.4 GHz，该频段同时全球开放、使用简单、传输距离远、工作可靠。完全符合小型综合录井仪在现场数据传输的需要。

2 系统硬件

数据采集使用采集卡PM525和PM539。根据现场录井信号的不同特点，设计相应的绞车鉴相倍频电路和信号接口电路，辅助针对两种采集卡的程序控制，可完成小型录井仪的采集传输功能。

2.1 绞车鉴相电路

绞车传感器内装有两只光电开关相位差为90°，当遮光片随绞车轴转动时，分别阻断、导通的光电开关间隙的红外线，两个光电开关随着铁片的插入和离去，而送出相差90°的信号，发出两组电脉冲信号。所以必须对其两组信号进行鉴相倍频后才能正常地计数并判断绞车转动的方向，设计电路如图2所示。

图2 鉴相倍频电路

其中绞车鉴相倍频电路中的绞车信号由接口电路上经过比较整形后引出。由接口板电路提供+5 V鉴相倍频电路电源。A、B信号进入施密特触发器与非门CD40106进行整形反相，分别产生整形后信号A、B、、然后进入双精密单稳态触发器CD4538产生出相应的下降沿触发信号A-、B-，上升沿触发信号A+、B+信号，将产生的信号接入到PLD器件中，通过VHDL硬件描述语言编写达到四倍频、鉴相、计数的效果（仿真如图3所示，其中AA表示，BB表示，AU、BU分别表示A、B的上升沿信号，AD、BD分别表示A、B的下降沿信号，Z表示正向四倍频信号，F表示反向四倍频信号）。

图3 鉴相倍频仿真

2.2 信号接口板电路

由于现场模拟量信号输出全部是0～20 mA电流信号，而PM525采集卡所需输入采集信号是0～10 V的电压信号。所以信号接口板应对其进行相应的信号变换；并且信号接口板还包括数字量信号的整形以及外部开关电源与内部电路和各路传感器的连接功能。具体设计如图4所示。

图4 接口板电路

其中，各路传感器的电流信号通过精密电阻转化为可供PM525使用的1～5 V标准电压信号，再通过PM525采集卡对16路模拟量进行A/D采集。由于现场信号干扰较大，波形不稳定，不能为PM539提供可计数的标准脉冲信号，所以在信号接口板上使用LM358芯片来达到脉冲整形的作用。两路特殊信号（绞车A、B信号）经过整形后接入鉴相倍频电路，后经鉴相倍频电路输出正翻转两路信号再接回信号接口板电路，由信号接口板电路将计数信号汇总后一起送到PM539进行处理。最后，通过对两种采集卡进行相应的编程控制，将采集到的模拟量和数字量信号以PC104总线的方式传输到PC104主机中。

3 系统软件

无线录井监控软件是综合录井仪的重要组成部分。本项目的软件设计包括下位机通信协议的研究和上位机数据接收软件的开发两个部分。

下位机使用Borland C编译环境，在DOS下运行。采用查询方式不断判断线路状态寄存器（LSR）的状态，当其0位为1时，有数据到达串口。开始通过自定义的通信协议采集数据。当接收到上位机发送命令‘F’时，下位机通过上位机发送的字符串分解为需要采集的通道号和通道数，即开始采集数据。在每个采集的数字量或模拟量后面人为添加字符位‘E’，以便上位机软件对传输数据进行校验。当下位机收到复位信号‘Z’时，重新等待上位机发送命令。最后收到结束信号‘S’后，结束程序，关机。简要流程见图5。

图5 下位机软件流程图

下位机每次采样，都将采样数据存入到一个数组中，等待这一轮多路通道采样结束后，将采样数据一起发送到上位机进行处理，大大提高了电台的使用效率。上位机软件通过电台接收到下位机传送的数据后。对每路通道的数据进行分解，根据每路模拟量或数字量的具体实际意义进行计算。最后，将上位机数据接收和计算程序嵌入到油田广泛使用的现场录井软件中，以实时曲线的方式显示到用户面前。

4 结语

实验结果表明，本文所设计的基于PC104总线综合录井仪并辅以无线电台的数据传输方式在准确性和可靠性上完全符合录井现场的需要。与其他录井仪相比，它具有以下明显的优势：（1）小型化、集成化、模块化；（2）可靠性高，功耗低，产生热量少。（3）数据传输速度高、传输距离远、实时性强；（4）功能可扩展性强、现场接线方便。对于目前国内录井行业有着非常良好的应用前景。

[1]李联玮. 录井技术现状与发展方向[J].当代石油石化，2006，9（14）：41-44.

[2]张卫，姜浩，戴永寿. 综合录井仪的研制[J].微计算机信息，2003，19（7）：64-65.

[3]黄佑德. 石油录井设备发展与展望[J].中国石油和化工标准与质量，2012，33（16）：83-84.

[4]戴永寿，马西庚，张卫. 基于现场总线的生产井录井仪及其专家系统[J].仪器仪表学报，2004，25（1）：5-9.

[5]胡莉，黄玉清，刘德建. PC/104总线的应用技术[J].兵工自动化，2004 ，23（2）：15-15 .

Design and development of integrated logging instrument based on PC104 bus

Xie Xiufei
（China National Offshore Oil Corporation）

Specific to the modern development trend of Integrated Logging Instrument (such as miniaturization, integration, modularization and so on), a solution based on PC104 bus is introduced. Multi-channel analog and digital of Real-Time Data Acquisition System at the scene base on PC104 bus, the hardware circuits and the software programs are put forward. According to experiment results, those designs have high veracity and reliability for Multi-channel Data Acquisition at Logging site.

PC104 bus; serial communication; integrated logging instruments