牛海峰 蔣世全 童征 李漢興 張新強(qiáng) 陳紅新

【摘要】根據(jù)目前所研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具驅(qū)動總成的矢量位移控制和多機(jī)通訊的要求，結(jié)合當(dāng)今測控技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，提出了基于Modbus通訊協(xié)議的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具驅(qū)動控制器的設(shè)計(jì)方案。該控制器采用ARM7核心架構(gòu)的微控制芯片，能夠在井下高溫高壓工況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、電機(jī)PID調(diào)速和矢量位移閉環(huán)控制的功能。實(shí)驗(yàn)室測試表明，設(shè)計(jì)的驅(qū)動總成控制器通訊穩(wěn)定，運(yùn)行正常，能夠滿足旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具導(dǎo)向控制的要求。

【關(guān)鍵詞】Modbus 旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 驅(qū)動總成 矢量位移控制 閉環(huán)控制

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井技術(shù)是當(dāng)今鉆井自動化的一項(xiàng)前沿技術(shù)，該技術(shù)通過鉆柱旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)向方式，能夠在井下根據(jù)作業(yè)指令，調(diào)整井眼軌跡，從而具有顯著提高鉆井速度和降低鉆井成本的優(yōu)點(diǎn)。隨著油田鉆井作業(yè)對該項(xiàng)技術(shù)需求的增加，國內(nèi)的一些研究院所，已經(jīng)著手開展旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具關(guān)鍵技術(shù)的研究和樣機(jī)的研制。中海油研究總院自2001年就已經(jīng)針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向技術(shù)開展相關(guān)研究工作，現(xiàn)已成功研制出旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具樣機(jī)，并已經(jīng)在陸地油田進(jìn)行了30余井次的現(xiàn)場試驗(yàn)，初步達(dá)到了工程化應(yīng)用的水平。該工具采用旋轉(zhuǎn)芯軸和不旋轉(zhuǎn)外套相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，通過井下微電機(jī)驅(qū)動安裝在不旋轉(zhuǎn)外套上的3個導(dǎo)向滑塊，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏心位移矢量控制。為了實(shí)現(xiàn)在井下對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井工具精確的偏心位移矢量控制，安裝在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具不旋轉(zhuǎn)外套上的驅(qū)動總成是關(guān)鍵部件之一。本文介紹了針對驅(qū)動總成的控制器，以ARM7為核心架構(gòu)搭建處理器，基于MODBUS通訊協(xié)議，通過嵌入式一體化開發(fā)和模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具井下控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通訊的功能。

1 驅(qū)動總成

驅(qū)動總成安裝在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具的不旋轉(zhuǎn)外套上，是一套機(jī)電一體化的液壓執(zhí)行系統(tǒng)。如圖 1所示，其主要結(jié)構(gòu)包括：電機(jī)、柱塞泵、電磁閥、液壓缸、位移傳感器和驅(qū)動控制器。系統(tǒng)工作時(shí)，電機(jī)依靠井下發(fā)電機(jī)提供電源，帶動柱塞泵工作，使得驅(qū)動總成內(nèi)部產(chǎn)生液壓動力；驅(qū)動控制器采集位移傳感器數(shù)據(jù)，得到液壓缸的行程位置，通過控制電磁閥的開合狀態(tài)改變液壓油的流向，控制液壓缸運(yùn)動到設(shè)定的控制位置。

旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具需要軸向安裝3個驅(qū)動總成，相鄰的驅(qū)動總成之間的夾角為120°。為了達(dá)到矢量位移控制的要求，驅(qū)動總成之間需要協(xié)調(diào)控制，同時(shí)，對于驅(qū)動總成上集成的電機(jī)、電磁閥和傳感器也要進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和信息采集，這樣對于控制器的處理性能要求較高，因此，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案上采用分層控制的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，自上而下分為管理層、協(xié)調(diào)層和應(yīng)用層。管理層由地面工控機(jī)負(fù)責(zé)整個旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具驅(qū)動控制系統(tǒng)的監(jiān)控和調(diào)試，在地面調(diào)試時(shí)，地面工控機(jī)通過RS232串行接口與井下中控機(jī)連接，進(jìn)行發(fā)送指令和采集數(shù)據(jù)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具在井下作業(yè)時(shí)，地面工控機(jī)將指令發(fā)送給泥漿分流裝置，通過改變下行泥漿脈沖完成指令發(fā)送，同時(shí)，隨鉆測量工具將井下所采集的數(shù)據(jù)通過上行泥漿脈沖發(fā)送給地面壓力采集模塊，由其將解析出來的數(shù)據(jù)發(fā)送給地面工控機(jī)；協(xié)調(diào)層通過安裝在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具電子腔內(nèi)的井下中控機(jī)，實(shí)現(xiàn)各個控制層之間的數(shù)據(jù)交換；應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)對驅(qū)動總成的控制。對于驅(qū)動總成控制器的設(shè)計(jì)在應(yīng)用層完成。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 微控制單元

驅(qū)動總成控制器的微控制單元選用ADI公司的ADuC7128處理器芯片。ADuC7128具有一個128kB內(nèi)存的32位ARM7RISC微控制器核，一個10 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），一個12 bit 1 MSPS ADC，一個16 bit脈寬調(diào)制器（PWM）和正交編碼器，輸入通道達(dá)14路，集成2階低通濾波器（LPF）和可編邏輯陣列（PLA），有一個32 bit，21 MHz的直接數(shù)字頻率合成器（DDS）連接到DAC輸入端，其中該DAC還包含一個10Ω線路驅(qū)動器，可工作在差分和單端輸入模式下，具有溫度傳感器和電壓比較器，以LFCSP形式封裝，可以通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)編程和調(diào)試。

2.2 電源轉(zhuǎn)換單元

外部輸入的直流電壓范圍為：43V～53V，根據(jù)系統(tǒng)中電子元器件對電壓的需求，需要通過降壓的方式產(chǎn)生5V、3.3V和2.5V的電壓，具體的實(shí)現(xiàn)方法如下：選用DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片LM5010AMH，將外部直流電壓轉(zhuǎn)換為驅(qū)動控制板的供電電壓5V；MCU芯片ADuC7128需要3.3V的數(shù)字和模擬電源進(jìn)行供電，因此，通過LDO芯片AP122_33將對驅(qū)動控制板供電的5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓，同時(shí)，將此數(shù)字電源經(jīng)過一個30μH的電感進(jìn)行隔離，可以得到所需的3.3V模擬電源；另外，與驅(qū)動控制板連接的位移傳感器所需的工作電壓為2.5V，可以采用LDO電壓轉(zhuǎn)換芯片ADR441B-R，將3.3V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換而得到。

2.3 位移監(jiān)測單元

選用霍尼韋爾公司生產(chǎn)的MLT系列線性位移傳感器，對驅(qū)動總成的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，該傳感器電氣行程達(dá)101.6mm，線性度達(dá)1%。位移傳感器所采集的位移信號通過由運(yùn)算放大器AD8603所構(gòu)成的電壓跟隨器，進(jìn)入ADC采樣。

2.4 電機(jī)驅(qū)動控制單元

BLDC驅(qū)動器選用A3930，該控制IC集成了整流邏輯控制功能，僅需要少量的外部MOSFET便可工作，既能夠減少微處理器的負(fù)載，提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，又能夠減少電路板面積，有利于安裝。在驅(qū)動電機(jī)時(shí)，通過MCU芯片ADuC7128驅(qū)動BLDC驅(qū)動控制器A3930，A3930經(jīng)過MOSFET橋式電路驅(qū)動直流電機(jī)，同時(shí)，A3930芯片監(jiān)測直流電機(jī)上面的霍爾傳感器信號，最后，經(jīng)過PID控制算法修正，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值。

2.5 電磁閥控制單元

根據(jù)驅(qū)動總成的液壓控制系統(tǒng)的具體要求，MCU芯片ADuC7128設(shè)計(jì)提供3路電磁閥控制信號輸出，其所發(fā)出的電磁閥控制信號，經(jīng)過2片并聯(lián)的UCC27424驅(qū)動芯片，對電磁閥進(jìn)行驅(qū)動。UCC27424是一款高速雙同相MOSFET驅(qū)動器，工作電壓范圍為4.5V～15V，電流驅(qū)動范圍可達(dá)-4A～4A，通過2個芯片并聯(lián)，可以得到更高的驅(qū)動電流輸出。

2.6 通訊單元

由于驅(qū)動總成控制器與上層協(xié)調(diào)層的井下中控機(jī)之間的通訊為多機(jī)通訊，其中，驅(qū)動總成控制器為從機(jī)，井下中控機(jī)為主句，因此，為了確保數(shù)據(jù)通訊的可靠性，通訊方案采用RS485物理接口。RS485采用差分方式傳輸數(shù)據(jù)信號，具有抗噪聲干擾、傳輸距離長、可以連接多臺從機(jī)的優(yōu)點(diǎn)。采用SN65HVD1781作為RS485的接口芯片，工作電壓為3.3V，傳輸速率可達(dá)10 Mbps，SOIC封裝，具有功耗低，傳輸速率高，集成度高的特點(diǎn)。

3 軟件設(shè)計(jì)

驅(qū)動總成控制器的軟件程序采用C語言編寫，主要由3個子程序模塊構(gòu)成：電機(jī)閉環(huán)控制模塊、液壓缸行程閉環(huán)控制模塊、Modbus數(shù)據(jù)解析模塊。

3.1 電機(jī)閉環(huán)控制模塊

該模塊控制直流電機(jī)的運(yùn)行，以確保驅(qū)動總成能夠具有充足的動力。軟件會根據(jù)井下中控機(jī)所發(fā)送的電機(jī)速度設(shè)定值與當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算出二者之間的速度差值；如果速度差值大于閾值，電機(jī)會根據(jù)PID算法進(jìn)行加速或減速，直至當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值。

所謂PID控制是根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際輸出值c（t）所構(gòu)成的控制偏差： e（t）=r（t）-c（t），將該偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。PID調(diào)節(jié)的控制規(guī)律如下：

式中：

K_P——比例系數(shù)；

T_I——積分時(shí)間常數(shù)；

T_D——微分時(shí)間常數(shù)。

3.2 液壓缸行程閉環(huán)控制模塊

該模塊通過檢測位移傳感器的數(shù)值，獲知當(dāng)前液壓缸的行程數(shù)據(jù)，通過與井下中控機(jī)所發(fā)送的液壓缸目標(biāo)位移設(shè)定值進(jìn)行對比，對當(dāng)前驅(qū)動總成中的電磁閥開合進(jìn)行控制，從而改變液壓油的流向，使液壓缸能夠運(yùn)行到設(shè)定的位置。

3.3 Modbus數(shù)據(jù)解析模塊

該模塊用來處理驅(qū)動總成控制器與井下中控機(jī)之間基于Modbus協(xié)議的數(shù)據(jù)通訊。Modbus協(xié)議最初是由Modicon公司于1978年開發(fā)的一種通信協(xié)議，現(xiàn)已成為適用于電子控制器上的一種通用語言，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域，具有開放、簡單的優(yōu)點(diǎn)。Modbus協(xié)議是具有主從結(jié)構(gòu)的通訊協(xié)議，能夠設(shè)置1個主機(jī)和最多247個從機(jī)，從機(jī)需要接收到主機(jī)所發(fā)出的請求，才能夠與主機(jī)通訊，并且不能主動發(fā)起通訊請求，另外，從機(jī)之間不能進(jìn)行通訊。Modbus協(xié)議規(guī)定，主機(jī)可以向多個從機(jī)發(fā)送請求，每個從機(jī)都具有自己的一個8位地址編碼（地址編碼范圍1-247），每個從機(jī)的地址碼是唯一的。Modbus具有兩種信息傳送模式，RTU（Remote Terminal Unit）模式和ASCII模式。由于，在相同通訊速率條件下，RTU模式比ASCII模式能夠傳輸更多數(shù)據(jù)，因此，在控制系統(tǒng)中，選用RTU模式。使用RTU模式，所發(fā)送的信息幀之間的時(shí)間間隔至少應(yīng)為3.5個字符時(shí)間，波特率為19200bps，信息幀包括4個部分，分別為：從機(jī)地址、功能代碼、數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測試驅(qū)動總成控制器的工作性能，試驗(yàn)樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了功能測試試驗(yàn)，重點(diǎn)考察驅(qū)動總成控制器的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊和閉環(huán)控制性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，驅(qū)動總成控制器能夠完成對各執(zhí)行元件的控制，通訊接口工作正常。

5 結(jié)論

針對旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具驅(qū)動總成井下控制和數(shù)據(jù)采集需要，本文提出了基于ARM7核心架構(gòu)和Modbus通訊協(xié)議的控制器技術(shù)解決方案，該方案結(jié)構(gòu)簡單，集成度高、通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，能夠適用于現(xiàn)場旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井作業(yè)的需要。

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