摘要：针对油田修井运用的多种液压动力钳体系没有运用扭矩力限制设备，简略因人为因素发生过大转矩，对油管螺纹形成永久性的损坏;过小转矩，对油管密封欠好或掉落的问题，本文选用单片机规划液压管钳检测体系，体系包含液压动力钳扭矩检测传感器、数据收集通讯外表及检测上位机软件，可以实时记载及检测扭矩力值，并供给多点力矩超限声光报警。成功的削减施工和运转维护费用，进步作业安全和作业效率。
要害词：液压动力钳;实时曲线;数据收集;扭矩传感器
在油田钻修作业中起下钻杆、钻具、油套管时，上卸螺纹的专用工具是液压动力钳。液压动力钳在钳口卡紧组织动作夹紧后，外供的压力油操控液压马达滚动，液压马达经过内部组织带动钳口滚动，液压马达可以正转或许回转，然后完结油管的上紧或卸下。
上扣时须严格操控扭矩，上扣扭矩直接影响螺纹上扣质量。运用液压动力钳上紧螺纹时，扭矩过大会形成螺纹无法拆开，严峻时，会发生裂纹，然后下降整个管柱的强度，一起会形成液压动力钳因负荷过重而损坏乃至作废;扭矩过小会形成管柱密封欠好或掉落，导至整个作业工程的返工，并且往往难以追查责任。
针对上述问题，解决计划现在主要有：对液压动力钳添加扭矩保护设备或扭矩检测设备，文中规划根据AT89C55WD的扭矩检测体系，不需求对原有动力钳做改造，只需装置扭矩检测传感器，便可便利快捷的完结实时监控动力钳力矩值、上下限报警点设置、超限报警、作业前史数据查询等功用。
1 体系结构组成
根据单片机的液压管钳智能检测体系规划思维：液压动力钳扭矩信号由扭矩传感器获得，经模仿信号调度、信号处理，经过无线或有线USB串口通讯，送PC机上位机软件，上位机实时记载液压动力钳扭矩数据，并对扭矩超限宣布声光报警。
液压动力钳智能检测体系由硬件和软件两部分构成，硬件部分包含液压扭矩传感器、数据收集外表。液压扭矩传感器对套管过程中的实时扭矩力值进行收集;数据收集外表担任读取液压扭矩传感器扭矩力值，对超出设定扭矩力值限制时报警，并实时与上位机软件通讯。软件部分为液压管钳上位机智能检测软件，用于实时显现、多方法记载扭矩力值、制作扭矩力值实时曲线图，设定数据收集外表报警及通讯参数。
各部分衔接通讯方法如下：液压扭矩传感器与数据收集外表之间电缆衔接，数据收集外表与上位机软件选用USB串口有线或无线通讯方法。数据收集外表以AT89C55WD为中心处理部件，下降了开发本钱，便于推行。
2 硬件部分
2.1 液压管钳扭矩传感器规划
液压管钳扭矩力传感器是整个规划的重要部件，担任对动力钳扭矩力值的输出，结构图如图1。传感器的两头衔接内四方和弹性应变区，弹性应变区外装外壳，外壳一端与弹性元件固定，另一端与弹性元件间留有缝隙，以防止对应变部位发生搅扰。为了使传感器杰出防潮，外壳与弹性应变区的缝隙间涂有硅胶。传感器经过七芯航空插件输出丈量信号。
传感器的资料为40CrNiMoA，并作调制处理。规划时，将传感器的中心部位规划为应变敏感区，而其他受力部位的机械强度是应变区的数倍。因为其他部位的机械强度较高，在承载所发生的机械变形较小或不变形，故对扭矩力的损耗较小，而将扭矩力直接传递给机械强度最低的应变区域，使满量程时应变区将发生约1 000 με的机械变形量。在应变敏感区的中心部位张贴有4片电阻应变计和相关补偿元件，4片电阻应变计组成一个完好的慧斯顿电桥。
液压管钳扭矩传感器经上海704所国防科技工业大扭矩检测中心检测精度等级为1.0级，到达实践运用精度要求。
2.2 数据收集外表
数据收集外表是传感器与PC上位机通讯的中心部件，担任对传感器的丈量信号的收集和A/D转化，与PC上位机软件通讯功用。为应对恶劣的油井作业环境，数据收集外表能脱离上位机独立作业，供给显现实时丈量值、力矩超限报警功用。数据收集外表由传感器信号调度电路、24位A/D转化电路、单片机处理电路、显现电路、报警输出电路、RS232通讯接口电路等相关电路组成。数据收集外表原理如图2所示。
扭矩传感器丈量所发生的微电压信号输入到信号调度电路，完结信号的正负切换、搅扰消除后输入到24位A/D转化器，A/D转化器将送来的微电压信号转化成数字信号后输入到单片机数据处理体系，对丈量信号进行量纲转化后送入显现电路进行丈量显现;一起将收集到的丈量值与用户设定报警点实时进行比照，当超出设定报警点时，宣布报警指令，发动报警操控。一起操控RS232通讯操控电路与PC机通讯。数据收集外表作业流程如图3所示。
单片机数据处理体系：选用8位单片机AT89C55WD，完结数据收集处理、超限报警、通讯操控等。并配数据存储器24LC02、看门狗电路DS1232等电路。
信号调度电路：传感器的弱小电压信号进行正负切换、滤波，使其合适A/D转化器输入。由信号正负切换电路、信号滤波电路、传感器精细供电电路组成。
A/D转化电路：传感器输出的模仿电压信号转化为单片机可以辨认的数字信号，以供单片机处理。A/D转化电路选用Cirrus Logic公司的高精度24位串行A/D转化芯片CS5532。该芯片的数据吞吐量为7～3 840 Sps、积分线性度为±0.001 5%F.S。芯片内部有高精度的外表扩大器，扩展了信号输入规模，答应小信号的输入，进步了体系的动态特性。本体系让CS5532作业在接连转化形式，外表开机上电后，单片机向A/D转化器宣布接连转化指令后，CS5532不断将传感器输出的模仿信号进行转化后输入单片机。
RS232通讯电路：选用MAX232转化芯片，将单片机输出的TTL电平信号转化为与计算机兼容的RS232信号，使外表能和计算机通讯，选用无线与有线通讯两种形式。无线通讯根据FSK调制方法，作业在433.926 MHz，选用高效前向纠错编码技能，有较强的抗搅扰才能。外表切换为无线通讯状况后，在开阔地200 m内，合作无线接收器可完结外表与PC机无线通讯。封闭无线发射功用后，选用有线通讯。
报警操控电路：当丈量值超出设定的报警点时，操控相应报警点光电耦合器导通，衔接于光电耦合器的继电器也导通，然后发动报警。报警操控电路由4个光电耦合器、4个报警操控继电器、报警蜂鸣器、报警免除开关等相关元件组成。
显现驱动电路：用于显现外表的丈量值，丈量状况、参数及符号。由3片8位移位寄存器74HC595H和5位LED数码管、9个发光二极管等元件组成。
3 上位机软件
检测体系上位机软件对修井作业的长途的监管，能进行外表参数设置、实时丈量值显现及存储、前史数据查询、超限报警。软件选用Visual Basic言语开发完结，相对于工业组态软件能更高效运转，开发难度较大。
3.1 串口通讯设置
对串口通讯MSCOM控件初始化，装备串标语、传输速率、校验位、数据位位数、中止位位数及校验位设置，使其能与数据收集外表串口通讯。为便利运用，将串口装备信息保存到set.ini文件中，软件运转直接读取set.ini获得串口通讯参数。
3.2 实时丈量值显现
实时丈量值显现模块是上位机软件的要害模块，可实时显现丈量值、峰谷值、制作实时曲线，并存储丈量数据，监控力矩超报警。实时曲线的制作选用Iocomp组件中的iPlot控件完结。IocompPlot Pack是一套受保管的图形组件，它选用GDI+技能，画出的图画美丽，是一个用于实时制作曲线和图表的组件，合适开发需求高速显现数据的工程和科学类型的使用组件。
针对无线和有线两种通讯形式，规划了多形式兼容通讯算法。无线信号受间隔和搅扰的影响简略犯错，在数据通讯过程中选用“#数据#”数据传输格局，数据位数固定为10位，用线程监控输入缓冲区字符数和每次通讯最大时刻花费两种计划来操控通讯。监控输入缓冲区接收到的字符数，假如到达10个，程序提取缓存数据，并剖析接收到的数据合法性，数据正确就做显现及曲线制作，数据过错阐明无线通讯有搅扰。设定每次通讯最大时刻花费，可以防止因外围设备未发动或无线通讯超出有用通间隔，上位机软件不能正常运转的问题。因为选用高速采样通讯，采样数据在通讯过程中犯错，直接丢掉，持续新采样数据通讯。经测验本算法有线通讯形式下均匀数据通讯时刻花费为6～10ms，无线通讯形式下均匀数据通讯时刻花费为15～30 ms。采样流程如图4所示。软件界面如图5所示。
3.3 检查前史记载
为便利对丈量数据的剖析及回放，检查前史数据模块包含翻开数据、前史曲线制作和显现报表及导出打印功用。翻开数据将实时收集保存的数据文件翻开，读取文件数据送入iPlot控件，完结前史曲线制作。用户可根据需求对曲线进行扩大、缩小、保存、数据值检查等多项功用。显现报表将数据文件读出，在Data Grid表格控件显现，也可单击导出按钮将表格的数据导出到EXCEL表格中。
3.4 外表报警参数设置
便利用户对数据收集外表的报警上限和报警下限的读取和设置。用户可设置ALO1、ALO2正向加载报警和ALO3、ALO4反向加载报警，完结多点报警。
4 功用特色
1)规划应变式弹性体扭矩传感器，零点安稳，检测精度高，抗搅扰才能强。
2)可正向和反向两个方向检测标定扭矩。
3)扭矩传感器与数据收集外表合作，可完结扭矩实时显现、报警。
4)可设置2个上限报警点，2个下限报警点，完结多点报警。
5)数据收集外表实时性好，每秒读取传感器数据多达100个数据，单次采样时刻10 ms。
6)数据收集外表与PC机选用无线和有线两种通讯形式。
7)数据收集外表可以独立作业。
8)上位机软件功用彻底、界面漂亮、操作简略，可以对数据收集外表进行报警点设置、实时丈量值、峰谷值曲线的制作及数据的存储。
5 定论
笔者规划根据AT89C55WD为处理中心的数据收集外表可独立作业，完结实时超限报警、数据收集、实时显现、与PC机无线或有线通讯功用，结合上位机软件能实时监控、记载丈量数据，选用实时曲线图反响丈量值、峰谷值的改变，界面漂亮、操作简略。整个体系装置运用便利、灵敏度高、抗搅扰功用好、实时功用好、体系精度高，进步作业效率，具有推行使用价值。整套体系软硬结合功用彻底，彻底到达实践作业需求，并为惯例检定设备的技能改造供给了参阅计划。其中大扭矩传感器经上海704所国防科技工业大扭矩检测中心检测精度等级到达1.0级。
