一种基于单片机的井下电源参数采集系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于石油、天然气钻井设备技术领域，特别是涉及一种基于单片机的井下电源参数采集系统及控制方法。
【背景技术】
[0002]智能钻井工具的供电电源负责为电子控制单元、驱动单元等提供符合用电需求的稳定直流电能，是整个智能钻井工具运行的动力来源，其工作状况的好坏直接影响到智能钻井工具能否安全、正常、稳定地工作。
[0003]井下电源系统通常采用交流-直流-直流变换的供电策略，以满足在井下恶劣工作条件下不同用电负载需求，这种供电方法是由泥浆涡轮发电机产生低频三相交流电能，经整流滤波后，采用稳压电源技术进行直流-直流变换，缺点是结构复杂，中间环节多，任何一个环节出现问题都可能造成输出电压异常，若没有对井下电源关键节点参数的实时监测和记录，必然会导致故障排查困难，安全隐患难以完全消除，而对于设置了节点监测、记录功能的井下电源系统，参数采集部分在结构设计、检测方法上的好坏将直接影响其在高温、振动、冲击环境下工作的稳定性和测量精度，若测量数据误差大，地面工作人员将无法根据测量数据对井下电源系统工作状况做出正确的分析决策，甚至会得出完全错误的结论，从而严重影响智能钻井工具的维修保养周期、安全性、稳定性及使用寿命。
[0004]因此，设计一种基于单片机的井下电源参数采集系统，在井底恶劣工作条件下，实现对井下电源的关键节点处的电压、电流以及发电机转速等参数的测量，用于监控智能钻井工具供电系统的工作状况，为智能钻井工具的故障分析提供客观、真实的测量数据，具有重要的价值和意义。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于单片机的井下电源参数采集系统及控制方法。
[0006]为了达到上述目的，本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统包括:井下参数采集单元和地面参数显示单元，其中:井下参数采集单元为设置在智能钻井工具探管中的数据采集装置，其与井下电源系统相连接，用于实时采集井下电源系统的相关信息；井下参数采集单元包括:处理器、参数测量单元、系统复位单元、参数存储单元、串口通信单元和时钟同步单元；处理器分别与参数测量单元、系统复位单元、参数存储单元、串口通信单元和时钟同步单元相连接；地面参数显示单元包括:计算机、参数显示单元、远程控制单元、内存管理单元和状态显示单元；其中:计算机分别与参数显示单元、远程控制单元、内存管理单元和状态显示单元连接，计算机通过RS-485串行通信接口与参数采集单元中的串口通信单元相连接。
[0007]所述的参数测量单元包括:发电机转速测量单元、整流电压测量单元、均流电流测量单元和输出电压测量单元，其中:发电机转速测量单元与泥浆发电机的三相交流电能输出端的某一相连接，发电机转速测量单元对泥浆发电机的相电压进行半波整流后转换成方波信号进行测量；整流电压测量单元的输入端与整流滤波电路的输出端连接，用于采集整流滤波电路的输出电压信号；均流电流测量单元的多个输入端分别与多个直流-直流变换电路的输出端连接，用于采集各直流-直流变换电路的输出电流信号；输出电压测量单元的输入端同时与各直流-直流变换电路的输出端连接，用于采集井下电源系统的输出电压信息；发电机转速测量单元、整流电压测量单元、均流电流测量单元和输出电压测量单元的输出端均与处理器连接。
[0008]所述的处理器采用飞思卡尔公司的HC9S12系列单片机。
[0009]本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统中井下电源参数采集单元所采用的控制方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0010]步骤S201、初始设置:测量前，对处理器自身参数进行设置，包括I/O 口、定时器、中断，并根据测量需求和参数存储单元中存储芯片的大小设置参数采样的时间间隔；
[0011]步骤S202、读取测量参数:在规定的采样时间到来时，处理器通过参数测量单元接收包括发电机转速、整流电压、输出电压、多路均流电流在内的测量参数信息；
[0012]步骤S203、测量参数转换:发电机转速参数为直流方波信号，处理器设置为输入/输出端口下降沿计数，处理器对上述直流方波信号进行滤波后统计采样时间间隔内下降沿数目，由此计算出发电机转速值，并对包括整流电压、输出电压、多路均流电流在内的模拟参数进行A/D转换；
[0013]步骤S204、误差补偿:在泥浆发电机转速范围内计算参数测量值与真实值之间的误差，并利用最小二乘法进行误差补偿；
[0014]步骤S205、保存测量参数:处理器读取时钟同步单元的时间信息，将其作为存储参数和处理器处理后的测量参数一起保存至参数存储单元中。
[0015]本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统中地面参数显示单元所采用的控制方法包括按顺序进行的下列步骤:
[0016]步骤S301、串口参数设置:在地面参数显示单元中设置串口参数，并进行串口通?目;
[0017]步骤S302、读取系统状态信息:利用内存管理单元读取参数存储单元中包括版本、工具编号、文件保存日期、采样时间间隔、数据帧数在内的状态信息，显示于状态显示单元35中；
[0018]步骤S303、系统工作状态判断:判断系统是否处于地面测试阶段，若处于地面测试状态，转步骤S304，否则，转步骤S306 ；
[0019]步骤S304、井下参数采集单元初始化:对智能钻井工具进行地面测试时，通过串口通信单元实现井下参数采集单元和地面参数显示单元的信息交互，测试前利用远程控制单元进行系统初始化和时钟同步操作，擦除参数存储单元中存储芯片内的原有数据，保持井下参数采集单元的时钟与计算机的时钟一致；
[0020]步骤S305、实时显示测量参数:对智能钻井工具进行地面测试时，参数显示单元实时显示井下参数采集单元测量得到的参数值；
[0021]步骤S306、参数回放、存储:利用内存管理单元通过串口通信单元获得井下参数采集单元中参数存储单元内的数据，并对数据进行回放，最后保存为EXCEL表格形式。
[0022]本发明的有益效果是:在智能钻井工具的供电电源中，通过增设参数采集电路，可监测、记录井下电源系统的工作状态以及电源系统出现故障时各环节的电压、电流值变化情况，为智能钻井工具电源系统的故障分析、维修保养提供了客观、真实的测量数据，避免了仅依靠地面检测造成的故障误判、风险失察的隐患，缩短了智能钻井工具的维修保养周期，提高了智能钻井工具井下工作的安全性、稳定性和使用寿命。
【附图说明】
[0023]图1为本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统的结构示意图。
[0024]图2为本系统中井下参数采集单元所采用的参数采集控制方法流程图。
[0025]图3为本系统中地面参数显示单元所采用的控制方法流程图。
[0026]图4为本发明一实施例的地面参数显示单元软件运行界面。
[0027]图5为本发明一实施例的井下电源参数采集系统测试数据回放界面。
【具体实施方式】
[0028]下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统及控制方法进行详细说明。
[0029]如图1所示，本发明提供的基于单片机的井下电源参数采集系统包括:
[0030]井下参数采集单元2和地面参数显示单元3，其中:井下参数采集单元2为设置在智能钻井工具探管中的数据采集装置，其与井下电源系统1相连接，用于实时采集井下电源系统1的相关信息；
[0031]井下电源系统1为安装在智能钻井工具中的直流供电设备，用于为智能钻井工具的电子测量、控制单元14供电，其包括:泥浆发电机11、整流滤波电路12、多个直流-直流变换电路13，其中:整流滤波电路12的输入端与泥浆发电机11连接、输出端与多个直流-直流变换电路13的输入端连接，多个直流-直流变换电路13的输出端均与电子测量、控制单元14连接。
[0032]井下参数采集单元2包括:处理器21、参数测量单元22、系统复位单元23、参数存储单元24、串口通信单元25和时钟同步单元26 ;处理器21分别与参数测量单元22、系统复位单元23、参数存储单元24、串口通信单元25和时钟同步单元26相连接；
[0033]参数测量单元22包括:发电机转速测量单元221、整流电压测量单元222、均流电流测量单元223和输出电压测量单元224，其中:发电机转速测量单元221与泥浆发电机11的三相交流电能输出端的某一相连接，发电机转速测量单元对泥浆发电机11的相电压进行半波整流后转换成方波信号进行测量；整流电压测量单元222的输入端与整流滤波电路12的输出端连接，用于采集整流滤波电路12的输出电压信号；均流电流测量单元223的多个输入端分别与多个直