摘 要： 針對目前鉆井泵的沖數(shù)測量方法中測量周期長、無法及時掌控工況的問題，提出了一種通過測量鉆井泵沖數(shù)的脈沖周期變化實現(xiàn)鉆井泵沖數(shù)檢測的方法，利用單片機及C語言實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。該方法可迅速反應(yīng)出沖數(shù)的變化情況，使現(xiàn)場人員及時掌握鉆井泵的工作情況，提高了鉆井工程的安全性。
關(guān)鍵詞： 鉆井泵；沖數(shù)；周期測量；單片機；C語言
鉆井泵是石油鉆機的三大工作機組之一，是鉆井液循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。鉆井泵沖數(shù)的變化能夠及時反映鉆井工程的鉆進情況，如果鉆井泵出現(xiàn)超壓力或超負載工作時，將直接通過沖數(shù)變化反映出來，鉆井泵沖數(shù)的測量在鉆井多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)中是必須記錄的參數(shù)之一。
當前常用的沖數(shù)測量方法是通過接近開關(guān)檢測動力端輸入軸的轉(zhuǎn)速，再除以鉆井泵的減速比，便可得到實際的沖數(shù)，由于現(xiàn)有計量方法采用的是單位時間內(nèi)接近開關(guān)的脈沖數(shù)，如果測量時間太短(如1 s)，則計算出來的沖數(shù)與實際沖數(shù)相差較大，故測量時間一般選得較長(如5 s)，沖數(shù)測量較準確但無法及時反應(yīng)鉆井泵沖數(shù)改變，不利于現(xiàn)場對鉆井工程的鉆進情況及時掌握。
采用單片機測量鉆井泵脈沖周期的方法，可以使鉆井泵的沖數(shù)測量在一個周期內(nèi)便能實現(xiàn)測量,提高了鉆井泵沖數(shù)測量的實時性。
1 測量原理
采用周期測量的方法在鉆井泵的動力輸入軸圓周上布置1片磁鋼，再安裝一只霍耳傳感器檢測隨軸轉(zhuǎn)動的磁鋼，當磁鋼通過霍耳傳感器時，便產(chǎn)生一個脈沖信號，如圖1(a)所示。圖1(b)所示是單片機晶體振蕩器所產(chǎn)生的脈沖，在晶體頻率選定的情況下，其時鐘周期的時間確定不變，通過計量動力端轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的兩脈沖周期下降沿間的時鐘信號的個數(shù)，便可測量出轉(zhuǎn)速。兩脈沖之間的關(guān)系與圖1中一致：tn=Nn×t0，式中，Nn為霍耳傳感器檢測到磁鋼一周內(nèi)的計數(shù)值，通過計算可以算出一周的周期，泵沖計算公式為:
式中i為鉆井泵的傳動比，tn為一周的時間。
該方法測量出的轉(zhuǎn)速變化只是在動力端轉(zhuǎn)動一周便能反應(yīng)出轉(zhuǎn)速的變化，如果增加動力端輸入軸上磁鋼的數(shù)量，還能夠更快地反應(yīng)沖數(shù)的變化情況。
單片機定時計數(shù)器工作原理如圖2所示，51單片機的定時器/計數(shù)器2有三種工作模式：捕獲、自動重新裝載（遞增或遞減計數(shù)）和波特率發(fā)生器[2]。自動新裝載模式用于正反向計數(shù)時遞增計數(shù)和遞減計數(shù)，波特率發(fā)生器用于串行通信。周期測量采用捕獲方式來準確獲取每個周期的準確時間。該方式使用內(nèi)部的時鐘周期來測量外部脈沖的周期[3]，如圖2所示，當C/T2=0時，使用內(nèi)部晶體通過分頻器來的時鐘脈沖信號，TR2=1時，將自動對OSC來的時鐘脈沖進行計數(shù)，當EXEN2=1時，且T2EX引腳上出現(xiàn)負跳變而引起捕獲或重裝時置位[3]，這樣，T2EX上的負跳變就可以用于硬件計數(shù)器T2的同步控制信號，在負跳變同步控制信號作用下，將TL2和TH2中的瞬時計數(shù)值就傳送到了RCAP2L和RCAP2H中，讀取RCAP2中的值將能夠得到脈沖下降沿的計數(shù)值。由于讀取的是RCAP2中的計數(shù)值，因此將不會受TL2和TH2寄存器中值的變化而使讀出的數(shù)據(jù)差異較大。
由于單片機的OSC是確定的，如果選擇OSC的晶體為12 MHz，經(jīng)12分頻后，送到定時器中的脈沖頻率為1 MHz，其周期為1 μs，式(1)中的t0=1 μs。
鉆井泵的額定沖數(shù)為120沖，實驗中鉆井泵的減速比為4.16：1，其動力端的轉(zhuǎn)速約為500 r/min，霍耳傳感器檢測到的脈沖周期約為0.12 s，每個周期的T2的計數(shù)值約為120 000個，計數(shù)周期的誤差為±1個脈沖，相應(yīng)的計時誤差最大為2 μs，其計數(shù)誤差所引起的轉(zhuǎn)速變化可以忽略不計。
2 脈沖測量硬件電路
脈沖測量硬件電路如圖3所示，霍耳傳感器H1為NPN型，其“+”接24 V電源，“-”接GND地，“輸出”接發(fā)光二極管L1，TL521光電耦合器與單片機的P1.1/T2EX腳相連。發(fā)光二極管L1作為霍耳傳感器脈沖信號的指示燈，當磁鋼片通過霍耳傳感器檢測端時，霍耳傳感器便輸出低電平，發(fā)光二極管L1點亮，P1.1/T2EX腳也由低電平變?yōu)楦唠娖?；當磁鋼通過霍耳傳感器后，其輸出信號斷開，發(fā)光二極管L1熄滅，在P1.1/T2EX上則為低電平，在該腳上的波形如圖1(a)所示。通過檢測P11上的脈沖信號的周期，便能測量出鉆井泵的沖數(shù)，由于動力端每轉(zhuǎn)1周將在P11上產(chǎn)生1個脈沖周期，在采集到一個脈沖周期時，便可對轉(zhuǎn)速進行計算，計算出的轉(zhuǎn)速通過8字LED顯示出來，還通過RS485通信接入鉆井多參數(shù)測試系統(tǒng)。
3 軟件設(shè)計
軟件采用C語言對單片機程序進行開發(fā)，由于C語言具有功能豐富的庫函數(shù)、運算速度快、編譯效率高等優(yōu)點，提高了軟件的開發(fā)速度。
單片機中斷程序流程圖如圖４所示，在軟件編寫過程中，采用了定時/計數(shù)器2測量主軸脈沖周期的變化。由于定時/計數(shù)器T2為16 bit，其最大計數(shù)值為65 535，當計數(shù)器的值超過65 535時，這將使定時/計數(shù)器T2在計數(shù)中產(chǎn)生溢出中斷，標志位TF2置1，由軟件清除。在測量中，檢測TF2置位時計數(shù)值n+1，當脈沖下降沿到來時，讀取RCAP2中的計數(shù)值，脈沖數(shù)的值應(yīng)該為：n×65 536+RACP2H×256+RACP2L。顯示屏的刷新時間為1 s，只要鉆井泵沖數(shù)在大于15沖/min的情況下，均能夠?qū)崿F(xiàn)每秒鐘刷新一次轉(zhuǎn)速的變化情況。鉆井泵的工作沖數(shù)一般在90沖/min~130沖/min，完全能夠滿足其沖數(shù)測量要求，通過RS485通信，可以更快速地檢測到轉(zhuǎn)速的變化情況。
定時/計數(shù)器2周期測量的初始化程序如下：
void initT2(void)
{
T2CON=0x0D; //初始化定時器2
T2MOD=0x00; //設(shè)置為加計數(shù)
TH2=0; //TH賦初值
TL2=0;
ET2=1; //T2中斷允許
EA=1; //打開中斷
}
中斷程序如下：
void timer2() interrupt 5
{
unsigned long ts;
unsigned char n;
TH2=0;
TL2=0;
EXF2=0; //軟件清除外部標志
if(TF2==0) //計數(shù)器未溢出,計算周期的時間長度
{
ts=65 536×n+RCAP2H×256+RCAP2L;
//沖數(shù)的脈沖周期的計數(shù)值，如果時鐘為12 MHz,
該值除以1 000 000，便為時間值秒,沖數(shù)則為時間的倒數(shù)。
n=0;
}
else //計數(shù)器溢出
{
n++;
TF2=0;
}
}
采用定時器/計數(shù)器2實現(xiàn)變周期方式來測量鉆井泵沖數(shù)的方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國二重集團公司的鉆井泵性能測試平臺上，沖數(shù)測量準確可靠，能夠及時反映出鉆井泵的沖數(shù)的變化，提高了鉆井泵的工作性能。采用變周期法測量轉(zhuǎn)速，可以及時檢測到鉆井泵沖數(shù)的變化，測量周期短。應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場，可及時反映出鉆井過程中鉆進工況的變化情況，提高了鉆井工程的安全性。
參考文獻
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[2] 宏晶公司．STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊[M].2009：67-77.
[3] 馬忠梅，馬巖，張凱，等．單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M]．北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1997：113-122.
(收稿日期：2010-07-22)