DHI综合录井仪CAN总线传感器采集系统设计

王林涛，马继兵，苑洪伟，李炎峰

(中国电子科技集团公司第二十二研究所 河南 新乡 453000)

0 引 言

DHI 综合录井仪(以下简称：DHI)是美国船舶局(ABS)认证的能工作于一类二区的海上和陆上，并通过了DNV安全认证的仪器[1]。由于DHI具有的高安全认证以及稳定可靠的软件系统等特点，能够解决在复杂钻井工况下的施工作业问题，已经进口到国内使用。但是其传感器系统都是国外进口，更换维护困难，成本高，给现场使用带来了困难。为了提高其传感器传输信号的质量，提升现场布线方便性，采用了国内成熟的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)总线采集系统替代原来的多总线传感器采集系统，以便更好满足用户使用需求。

升级DHI的传感器采集系统有两种方案。一种方案是替代其传感器采集设备提供的软件OPC(OLE for Process Control，用于过程控制的OLE)接口,实现其传感器原始值的输入[2-3]。另一种方案是采用其录井软件提供的WITS(Wellsite Information Transfer Specification，井场信息传输规范)接口方式，实现传感器工程值的输入。OPC软件接口方案对使用者有较高要求，为此采用了录井行业普遍使用的WITS接口方式。

本文首先介绍DHI传感器系统及其软件WITS接口，然后对CAN总线传感器系统设计进行说明，最后通过现场作业说明CAN总线传感器系统和WITS接口的结合使用。

1 DHI传感器采集系统介绍

DHI传感器采集系统是一个基于小型工业化以太网网络的数据采集系统，系统的核心是基于NI公司的小型现场办公产品，典型配置包括下面的小型现场I/O模块：CFP-QUAD-510(大钩高度测量)，CFP-CTR-500(泵冲转盘计数)，CFP-AI-110(模拟量采集)。还有一些倍加福的本征安全的隔离栅和现场的I/O模块一起安装。其前端传感器连接方式是多总线方式，即通过从仪器房引出多根粗重的电缆，连接到传感器接线箱。计算机通过小型现场I/O模块采集电缆上传输模拟量信号进行数据处理，进行录井作业。

在DHI系统软件中支持两个串口WITS 0级的数据接收，可以发送所有通道基于时间或者深度数据。接收数据包括基于时间数据：BDepth，MDepth，BlockHeight，HookLoad，WOB，RTorque，RotaryFreq，SPP，Pump_ToHole_Counts，Pump_1_Freq，Pump_2_Freq，Pump_3_Freq，Pit_Active_Volume，MFOut，TempIn，TempOut，Pump_1，Pump_2，Pump_3，TotalGas，Spare1，Spare2，Spare3；基于泥浆体积数据：PVT， Pit_1_Volume，Pit_2_Volume，Pit_3_Volume，Pit_4_Volume，Pit_5_Volume，Pit_6_Volume；色谱数据：C1，C2，C3，iC4，nC4，iC5，nC5；以及MWD地质评价和随钻压力数据。

2 CAN总线传感器采集系统

2.1 CAN总线传感器采集系统介绍

CAN总线是国际上应用最广泛的现场总线之一，与其他现场总线相比,具有通信速率高、容易实现、性价比高等诸多特点[4]。

CAN总线传感器采集系统组成如图1所示,它包括上位计算机(内插PCI CAN采集卡)、采集单元、通信电缆、终端电阻、井台、入口、出口3个接线箱等部分[5]。

图1 系统组成图

每个接线箱内可以安装不同类型的CAN模块，不同类型的CAN模块采集不同类型的传感器信号，采集的传感器类型有绞车计数型、泵冲测频型、通用4～20 mA模拟传感器3种。PCI(Peripheral Component Interconnect,外设部件互连)采集卡作为CAN的主节点，CAN模块作为子节点。上位机软件通过配置控制主节点采集子节点上传感器的频率，满足仪器对采集数据的要求。

CAN总线传感器采集系统有如下特点：

1)采用CAN总线技术的传感器系统可以使传感器信号传输线仅为1根，极大地简化现场传感器的安装调试及维护工作。

2)在CAN总线上可以联接常规录井仪的通用传感器，方便了用户传感器的相互通用，减少了用户的成本投入。

3)所测量信号数字化传输，减少了信号干扰，故障率低，数据传输安全可靠。

4)扩充方便，只需增加接线箱，可增加至60多个采集通道。

2.2 CAN总线传感器采集系统软件设计

CAN总线传感器采集系统软件从功能上可以划分为主程序、参数管理、通道管理、数据采集、数据处理、WITS输出6个部分，除主程序是可执行程序外，其余5个都是动态库，它们之间通过接口调度，使用数据库和配置文件进行数据交换。系统各功能模块的关系如图2所示。

图2 系统功能架构图

1)主程序 主程序通过接口的方式调度参数管理、通道管理、数据采集、数据处理、WITS输出这些模块。主程序提供一个界面显示用户最关心的信息，包括通道管理模块的软硬通道号、参数配置模块的单位、数据采集模块的传感器原始值和传感器采集系统状态、数据处理模块的工程值、WITS输出模块的传输状态等。

2)参数管理模块 参数管理模块是对传感器名称和传感器分类进行管理，对应数据表为传感器名称数据表和传感器分类单位数据表。该模块对传感器按分类进行管理，用户可以对传感器自定义分类，同一类的传感器可以统一设置和更改。

传感器名称数据表可以让用户自定义传感器名称，数据表结构如图3所示。

图3 传感器名称数据表

图3界面中ID和CDAName是唯一标识传感器的对应关系，是不可更改的。AliasName是显示名称，UnitClass是单位类别缩写，AliasName和UnitClass都给用户提供了更改界面。ParaType是传感器工程值类型，1为实时计算，0位模拟替代，用户也可以设置。

单位类别管理表是对所分类的单位统一管理的数据表，其结构如图4所示。

图4 传感器单位类别数据表

图4界面中UnitClass是所有单位类别;BaseUnit为内部运算所需的单位，此项由于跟内部算法有关故不可更改；UserUnit为用户所需单位，模块中提供有更改接口；BaseUnit和UserUnit为线性关系，fa为乘因子，fb为加因子；dataInt为整数部分有效位数；dataDecim为小数点后的有效位数，采用四舍五入规则。

3)通道配置模块 通道配置模块是对CAN采集系统的通道配置，用来存储传感器通道的配置信息等。配置结果保存在数据库中，结构如图5所示。

图5 CAN采集系统通道设置数据表

图5界面中channel为通道；CADName为传感器名称；state为当前通道是否启用，on为启用，off为禁用；CADType为传感器归类；delay为帧延迟时间，以ms为单位；bitrate为误码率。该模块会对通道、传感器名称、是否使用等字段提供可视化配置。

4)数据采集模块 数据采集模块是对CAN传感器系统进行原始数据采集，把采集的原始值、帧延迟时间和误码率，实时传递给主程序。

5)数据处理模块 数据处理模块是对上传的原始数据进行工程值转换，主要包括刻度标定、模拟替代和实时计算。

(1)刻度标定。刻度标定根据传感器类型的不同，采用不同的刻度标定方式。对泵冲转盘采用系数刻度标定，大钩高度采用滚筒法和多点进行刻度标定，模拟量传感器采用多点进行标定刻度。

(2)模拟替代。在传感器不能正常工作的情况下，提供人为的数据替代。

(3)实时计算。根据刻度标定的结果，进行原始数据到工程值的实时转换。

6)WITS输出模块 WITS输出模块为工程值提供标准的WITS0级配置和输出。配置WITS标准输出数据，采用xml文件存储配置信息，xml文件格式如下：

0102

…………

根据功能需求，开发了采集系统软件，主界面如图6所示。

图6 CAN总线传感器采集系统软件主界面

在图6界面中将显示原始采集值，实时计算或者模拟替代的传感器工程值等信息。

3 现场应用

在DHI系统软件的主界面上，点击“Settings”按钮，在弹出的窗口继续点击“Settings”Tab项，进入DHI系统软件LocalSetting设置“SecWitsPortName”的名称。配置WitsTimeIntvlSec参数，单位为s，此参数为DHI处理WitsIn数据流的时间间隔，缺省或建议设置为2 s。在同一配置窗口，后点击“WITS/Pulse”Tab项，在选中“WitsIn”Tab项，配置WitsIn的数据流，如图7所示。

图7 WITS IN配置

在图7界面中，根据接入情况，进行配置，如：0120，转盘转速；0123，1#泵冲；0124，2#泵冲；0125，3#泵冲。

在图6的界面中对应图7的配置进行相应配置，如图8所示。

图8 CAN传感器采集系统WITS配置

通过打开图7中“Activate WITS”端口，再打开图6中“采集”，“发送”，就可以进行WITS接收，这样DHI系统软件可以正常接收采集软件数据。通过在四川DHI现场应用，DHI系统软件可以稳定工作，满足现场作业需要。

4 结束语

针对用户需求，对DHI综合录井仪系统架构进行分析，采用了其系统软件提供的WITS接口数据输入的方式，设计开发和实现了CAN总线传感器采集系统。通过现场应用，使用1根5芯电缆替换原来多总线需要布设的3根30芯电缆，减少了现场布线的强度和时间。传感器信号采用数字量传输替换了多总线的模拟量传输，能够有效减少现场干扰。CAN总线传感器系统在满足系统指标要求的同时，实现了设备的国产化，减少了设备维修时间和成本。

DHI综合录井仪CAN总线传感器采集系统实现了国内外仪器设备的优势互补，使该仪器能够更好地服务油田勘探作业。DHI系统软件中的基于WITS的数据输入输出接口设计，值得油田勘探上应用软件接口设计和设备单元配套设计借鉴。