摘  要： 針對(duì)目前鉆井泵的沖數(shù)測(cè)量方法中測(cè)量周期長(zhǎng),、無(wú)法及時(shí)掌控工況的問(wèn)題,，提出了一種通過(guò)測(cè)量鉆井泵沖數(shù)的脈沖周期變化實(shí)現(xiàn)鉆井泵沖數(shù)檢測(cè)的方法，利用單片機(jī)及C語(yǔ)言實(shí)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(chǎng)人員及時(shí)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(cè)量,；單片機(jī),；C語(yǔ)言

    鉆井泵是石油鉆機(jī)的三大工作機(jī)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(shí)反映鉆井工程的鉆進(jìn)情況,，如果鉆井泵出現(xiàn)超壓力或超負(fù)載工作時(shí)，將直接通過(guò)沖數(shù)變化反映出來(lái),，鉆井泵沖數(shù)的測(cè)量在鉆井多參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中是必須記錄的參數(shù)之一,。
    當(dāng)前常用的沖數(shù)測(cè)量方法是通過(guò)接近開關(guān)檢測(cè)動(dòng)力端輸入軸的轉(zhuǎn)速，再除以鉆井泵的減速比,，便可得到實(shí)際的沖數(shù),，由于現(xiàn)有計(jì)量方法采用的是單位時(shí)間內(nèi)接近開關(guān)的脈沖數(shù)，如果測(cè)量時(shí)間太短(如1 s),，則計(jì)算出來(lái)的沖數(shù)與實(shí)際沖數(shù)相差較大,，故測(cè)量時(shí)間一般選得較長(zhǎng)(如5 s)，沖數(shù)測(cè)量較準(zhǔn)確但無(wú)法及時(shí)反應(yīng)鉆井泵沖數(shù)改變,，不利于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鉆井工程的鉆進(jìn)情況及時(shí)掌握,。
    采用單片機(jī)測(cè)量鉆井泵脈沖周期的方法，可以使鉆井泵的沖數(shù)測(cè)量在一個(gè)周期內(nèi)便能實(shí)現(xiàn)測(cè)量,提高了鉆井泵沖數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性,。
1 測(cè)量原理
    采用周期測(cè)量的方法在鉆井泵的動(dòng)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(cè)隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)的磁鋼，當(dāng)磁鋼通過(guò)霍耳傳感器時(shí),，便產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào),，如圖1(a)所示。圖1(b)所示是單片機(jī)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(shí)鐘周期的時(shí)間確定不變，通過(guò)計(jì)量動(dòng)力端轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的兩脈沖周期下降沿間的時(shí)鐘信號(hào)的個(gè)數(shù),，便可測(cè)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(cè)到磁鋼一周內(nèi)的計(jì)數(shù)值,，通過(guò)計(jì)算可以算出一周的周期，泵沖計(jì)算公式為:
 

式中i為鉆井泵的傳動(dòng)比,，tn為一周的時(shí)間,。
    該方法測(cè)量出的轉(zhuǎn)速變化只是在動(dòng)力端轉(zhuǎn)動(dòng)一周便能反應(yīng)出轉(zhuǎn)速的變化，如果增加動(dòng)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(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器工作原理如圖2所示,，51單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2有三種工作模式：捕獲、自動(dòng)重新裝載（遞增或遞減計(jì)數(shù)）和波特率發(fā)生器[2],。自動(dòng)新裝載模式用于正反向計(jì)數(shù)時(shí)遞增計(jì)數(shù)和遞減計(jì)數(shù),，波特率發(fā)生器用于串行通信。周期測(cè)量采用捕獲方式來(lái)準(zhǔn)確獲取每個(gè)周期的準(zhǔn)確時(shí)間,。該方式使用內(nèi)部的時(shí)鐘周期來(lái)測(cè)量外部脈沖的周期[3],，如圖2所示，當(dāng)C/T2=0時(shí),，使用內(nèi)部晶體通過(guò)分頻器來(lái)的時(shí)鐘脈沖信號(hào),，TR2=1時(shí)，將自動(dòng)對(duì)OSC來(lái)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù),，當(dāng)EXEN2=1時(shí),，且T2EX引腳上出現(xiàn)負(fù)跳變而引起捕獲或重裝時(shí)置位[3]，這樣,，T2EX上的負(fù)跳變就可以用于硬件計(jì)數(shù)器T2的同步控制信號(hào),，在負(fù)跳變同步控制信號(hào)作用下，將TL2和TH2中的瞬時(shí)計(jì)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(jì)數(shù)值,。由于讀取的是RCAP2中的計(jì)數(shù)值，因此將不會(huì)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(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)中鉆井泵的減速比為4.16：1，其動(dòng)力端的轉(zhuǎn)速約為500 r/min,，霍耳傳感器檢測(cè)到的脈沖周期約為0.12 s,，每個(gè)周期的T2的計(jì)數(shù)值約為120 000個(gè)，計(jì)數(shù)周期的誤差為±1個(gè)脈沖,，相應(yīng)的計(jì)時(shí)誤差最大為2 μs,，其計(jì)數(shù)誤差所引起的轉(zhuǎn)速變化可以忽略不計(jì)。
2 脈沖測(cè)量硬件電路
    脈沖測(cè)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(jī)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(hào)的指示燈，當(dāng)磁鋼片通過(guò)霍耳傳感器檢測(cè)端時(shí),，霍耳傳感器便輸出低電平,，發(fā)光二極管L1點(diǎn)亮，P1.1/T2EX腳也由低電平變?yōu)楦唠娖?；?dāng)磁鋼通過(guò)霍耳傳感器后,，其輸出信號(hào)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(guò)檢測(cè)P11上的脈沖信號(hào)的周期,，便能測(cè)量出鉆井泵的沖數(shù)，由于動(dòng)力端每轉(zhuǎn)1周將在P11上產(chǎn)生1個(gè)脈沖周期,，在采集到一個(gè)脈沖周期時(shí),，便可對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出的轉(zhuǎn)速通過(guò)8字LED顯示出來(lái),，還通過(guò)RS485通信接入鉆井多參數(shù)測(cè)試系統(tǒng),。

3 軟件設(shè)計(jì)
　 軟件采用C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)程序進(jìn)行開發(fā)，由于C語(yǔ)言具有功能豐富的庫(kù)函數(shù),、運(yùn)算速度快,、編譯效率高等優(yōu)點(diǎn)，提高了軟件的開發(fā)速度,。
    單片機(jī)中斷程序流程圖如圖４所示,，在軟件編寫過(guò)程中，采用了定時(shí)/計(jì)數(shù)器2測(cè)量主軸脈沖周期的變化,。由于定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2為16 bit,，其最大計(jì)數(shù)值為65 535，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值超過(guò)65 535時(shí),，這將使定時(shí)/計(jì)數(shù)器T2在計(jì)數(shù)中產(chǎn)生溢出中斷,，標(biāo)志位TF2置1，由軟件清除,。在測(cè)量中,，檢測(cè)TF2置位時(shí)計(jì)數(shù)值n+1，當(dāng)脈沖下降沿到來(lái)時(shí),，讀取RCAP2中的計(jì)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(shí)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(cè)量要求,，通過(guò)RS485通信,，可以更快速地檢測(cè)到轉(zhuǎn)速的變化情況。

    定時(shí)/計(jì)數(shù)器2周期測(cè)量的初始化程序如下：
    void initT2(void)
    {
      T2CON=0x0D;    //初始化定時(shí)器2
      T2MOD=0x00;    //設(shè)置為加計(jì)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(biāo)志
        if(TF2==0)    //計(jì)數(shù)器未溢出,計(jì)算周期的時(shí)間長(zhǎng)度
        {
          ts=65 536×n+RCAP2H×256+RCAP2L;
//沖數(shù)的脈沖周期的計(jì)數(shù)值,，如果時(shí)鐘為12 MHz,
該值除以1 000 000,，便為時(shí)間值秒,沖數(shù)則為時(shí)間的倒數(shù)。
          n=0;
        }
        else    //計(jì)數(shù)器溢出
        {
          n++;
          TF2=0;
        }
    }
    采用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2實(shí)現(xiàn)變周期方式來(lái)測(cè)量鉆井泵沖數(shù)的方法已經(jīng)成功應(yīng)用在中國(guó)二重集團(tuán)公司的鉆井泵性能測(cè)試平臺(tái)上,，沖數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確可靠,，能夠及時(shí)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(cè)量轉(zhuǎn)速,，可以及時(shí)檢測(cè)到鉆井泵沖數(shù)的變化，測(cè)量周期短,。應(yīng)用到鉆井現(xiàn)場(chǎng),，可及時(shí)反映出鉆井過(guò)程中鉆進(jìn)工況的變化情況，提高了鉆井工程的安全性,。
參考文獻(xiàn)
[1] 周明高,，李相方，隋秀香,，等．鉆井泵工況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)新方法[J]．中國(guó)海上油氣(工程),，2002(10)：25-27.
[2] 宏晶公司．STC89C51RC/RD+系列單片機(jī)器件手冊(cè)[M].2009：67-77.
[3] 馬忠梅，馬巖,，張凱,，等．單片機(jī)的C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[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)