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1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）10 前言当今的社会里，石油是是不可却很少的能源之一，随着国民经济的迅速发展，对地下开采石油量的需求不断增长，现代钻井技术有了新的发展，一个好的测井深系统就必不可少，方便、快捷、准确地测量井深不仅能够保证钻井工作安全顺利的进行，而且也能节约时间、资金，带来巨大的经济效益。在进行石油钻探过程中，由于井下状况复杂且不易预测，需及时掌握钻井的状态，以保证钻探的质量和钻井的安全。在石油钻探现场广泛采用的就是用来检测钻井状态的重要智能设备。传统的测井深设备体积庞大、不易安装、输出信号一般为模拟信号，测量精度不高、实时性差、出现故障也不易排除，因此给钻井工作带来了巨大的隐患
2、；另外一些新上市的测井仪虽然在速度、准确度方面有一定的优越性，但其价格过于昂贵，应用范围受到限制，而且一旦损坏，后果不堪设想。因此从安全性和性价比两个方面综合来考虑，可采用单片机来测井深，利用单片机作为主控元件,能使仪器仪表数字化、智能化，提高他们的测量速度、测量精度、简化仪器仪表硬件结构，便于使用、维修和改进，另外，单片机体积小、价格低廉，结构灵活、便于集成，所以单片机不仅占领了原来使用小型机的各个领域，而且广泛应用于过程控制等场合，此外，还可以用于过去计算机无法深入的方面，如测量仪器、教学装置、医疗设备、家用电器等。本设计就采用双 CPU 测井深，其可靠性有了很大的提高，两个 CPU 有明
3、确的分工，一个 CPU 负责测量，一个 CPU 负责事务处理，仪器中再加上监控电路，就能避免单 CPU 同时响应多个请求时，漏掉检测信号的可能性。同时其测量精度可达 20mm，响应速度也较快，其价格也比较低廉，因此其应用前景将会十分广阔。齐晓苗：基于双 CPU 的井深测量系统设计21 双 CPU 井深测量系统的测量原理和整体框图由于井比较深，不可能像机械加工那样用一根钻头完成钻井工作全过程。图 1-1 是钻井系统结构示意图。实际的钻井动力驱动机构有绞盘、大钩、多节钻杆和钻头组成。在向下钻探的过程中，当钻杆下降到卡座位置时，大钩与钻杆脱离，向上提升到一钻杆的高度，接入一根钻杆，再将大钩与钻杆重新
4、连接，继续向下钻探一根钻杆的深度。如此反复，可完成几百、上千米的钻井任务。因此，钻井深度的测量公式为：钻井深度=钻杆数量单根钻杆长度-大钩距地面高度 (1)1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSize A4 Date:8-Jun-2006 Sheet of File:F: 1.DDBDrawn By:绞盘大钩钻杆卡座钻头图 1-1 是钻井系统结构示意图Fig.1-1 The structure of drilling system当需要向上提升钻头时，有大钩向上提升出一根完整的钻杆，然后由井架底部的卡座加紧地下的其他钻杆和钻头，这时候就可以将地面上的钻杆移去。
5、地面上的钻杆移去后，大钩向下运动，与卡座夹住的钻杆连接，再松开卡座，于是又可向上提升钻头。重复这一过程就可以把地下很深的钻头提升到地面1。从式(1)可以看出，测量井深的关键在于统计井下钻杆的数量。因为工作现场的特殊性，更换钻杆的数量不能由人工输入到计算机，只能由测量仪器自动判断。由于钻井过程复杂，在实际操作过程中会出现多次加钻杆、减钻杆的操作。因此准确判断增加、减少钻杆的操作是确保统计井下钻杆数量的关键。根据上面介绍，可以通过大钩的位置和载荷来判断是否在进行增加、减少钻杆的辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3操作：若大钩的载荷为零，说明钻杆被卡座卡住，要进行增加、减少钻杆的操作。若大钩载荷变为零
6、时大钩的位置在井架的底部，表明要增加一根钻杆；若大钩载荷变为零时大钩的位置在井架的上部，表明要移去一根钻杆。大钩与绞盘上的绞绳相连接，绞盘转动控制绞绳的收放，从而实现大钩的升降。在一台特定的井架中，绞盘的直径 D，绞绳的直径、每层能缠绕的圈数是固定的。因此，通过测绞盘的转动圈数与转动位置，即可测量出大钩的实际高度。根据井深测量系统的原理，我设计完成的双 CPU 井深测量系统，做到了下述技术要求,其总体设计的电路结构框图如图 1-2 所示。图 1-2 双 CPU 井深测量系统框图Fig.1-2 Double-CPU depth measurement system diagram齐晓苗：基于双
7、CPU 的井深测量系统设计42 设计原则2.1 先进性在系统设计中采用目前世界上先进的前端测量备和主控电路。按照国际上成熟的系统结构进行工程安装。2.2 扩展性整个系统的设计满足目前各个所在的需要，同时考虑到以后系统升级扩展的需要，我为系统留有余地。在本设计中，设计已考虑到系统的基本容量，而且系统的输入输出都还可以扩充。2.3 安全性和可靠性系统设备都选用技术先进、性能可靠的成熟产品，所有这些设备的技术参数都符合国家有关标准的规定。控制电路具保护功能，防止非法修改内部参数；主控设备都具有自动诊断系统故障的能力，便于提前发现设备早期出现的故障，最大限度的保障系统长期安全可靠的运行。辽宁工程技术大
8、学毕业设计（论文）53 总体设计技术要求、技术措施3.1 技术要求在进行石油钻探过程中，由于井下状况复杂且不易预测，需及时掌握钻井的状态，以保证钻井的质量与钻井的安全。在石油钻探现场广泛使用的井深仪就是用来监控钻井状态的重要智能。我们经过长期调查研究，从技术上认真分析，认为需满足下列技术要求，方能实现功能完善、操作方便这两个主要目标：1）显示大钩的高度位置。2）时显示钻井深度。能记录钻井过程中的工况数据和操作状态。这些数据可以通过仪器查询、显示，也可以通过仪器打印出来存档，还可以通过通讯接口3）到位管理计算机进行处理和观察。4）现场掉电保护功能，在现场突然停电的情况下，能保存好各种现场数据，在
9、现场恢复供电后能根据保存的数据继续工作。5）校正功能。3.2 技术措施上述要求是一项艰巨的任务但也是必须要达到的目标。为此我经过长期努力，采用以下技术措施，实现了上述目标：在设计的过程中采用了为了实时显示大钩高度选用了 MAX191 型 A/D 转换器，显示钻井深度选用了 TLP521-4 光电隔离器件。为了即使显示和处理突然停电的情况，选用了 MAX813 监控电路。在钻井过程中需要记录各种时间则选用了 W29C040 数据存储芯片。齐晓苗：基于双 CPU 的井深测量系统设计64 系统总体设计为了准确测量大钩的高度和换钻杆的过程，井深测量仪必须一直监视大钩悬重信号和绞盘的编码器信号。编码器信
10、号是数字信号，可以采用中断方式接收，但悬重信号是模拟信号，必须由 CPU 一直采样测量并监视。在仪器运行过程中，还有一些信号需要 CPU 及时相应，如何打印机送数据、LCD 显示状态的查询、键盘的处理、管理计算机通信的响应等。显然，当 CPU 结构响应其他工作请求时，就有可能漏掉对悬重信号的监测。为此，本设计采用了双 CPU 结构，一个 CPU 负责测量，一个 CPU 负责事物处理，仪器的内部结构如图 4-1所示。打印机LCD 显示器键盘接口串行通信接口事务处理 CPU实时时钟运行记录芯片信息交换接口Up 监控电路大钩号悬 重信接口测量处理 CPU绞盘编码器信 号接口运行状态指令图 4-1 井
11、深系统内部结构Fig.4-1 Depth system internal structure4.1 事物处理 CPU 设计在本设计中事物处理 CPU 和测量 CPU 都采用的是 ATMEL 公司生产的AT89S52 单片机作为下位机节点的微处理器。AT89S52 是一个 8k 字节可编程EEPROM 的高性能微控制器。具有内存较大，功能强，抗干扰能力强、软硬件资源都比较丰富等特点，其外围接口电路简单，具有很高的性价比，成本低，其价格仅是 DSP 的五分之一，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。它辽宁工程技术大学毕业设计（论文）7与工业标准 MCS-51 的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大
12、的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。AT89S52 的引脚如图 4-2 所示：图 4-2 AT89S52 引脚图Fig.4-2 Pin of AT89S52AT89S52 性能简介：1) 主电源引脚 VCC接电源端。 GND 是接地端。2) XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时4）ALE/：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出电平用于P锁存地址的低位字节。在 FLASH 编程期间，引脚用于输入编程脉冲。在平时，A
13、LE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在（SFR）8EH地址置 0。此时，LE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，齐晓苗：基于双 CPU 的井深测量系统设计8引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行外部程序时，该设定禁止 ALE 位无效。5）：外部程序存储器的读选通信号。由外部程序存储器取指期间，WR/RD每个机器周期两次 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。6）/VP：外部访
14、问允许端。当保持低电平时，则在此期间外部程序存EA储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， 将内部锁 RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在 FLASH 编程期间，此引脚用于施加 12V 编程电源（VPP）。7）P0 端口(P0.0P0.7)：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每个引脚吸收 8 个 TTL 门电流。当 P0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入端。P0 能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。8）P1 端口(P1.0P1.7)：P1 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1
15、 口的缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P1 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P1 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。9）P2 端口(P2.0P2.7)：P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 口缓冲器可接收，输出 4 个 TTL 门电流，当 P2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部电阻上拉的缘故。P2 口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时，P2 口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它
16、利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2 口输出其特殊功能寄存器的内容。P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。10） P3 端口(P3.0P3.7)：P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。当 P3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于有内部上拉电阻，那些被外部信号下拉低的引脚将输出电流（ILL）。 P3 口也可作为 AT89S52 的一些特殊功能口，管脚功能表 4-1 所示：辽宁工程技术大学毕业设计（论文）9表 4-1 各口线的第二功能表Tab.4-1 The second fuction of each tableP3 口第二功能P3.0RXD (串行口输入口)P3.1TXD（串行口输出口）P3.2INT0 (外部中断 0 输入)P3.3 INT1（外部中断 1 输入）P3.4T0（定时器 0 的外部输入）P3.5T1（定时器
