基于GPRS的地质钻探多参量融合监控系统设计＊

刘鸿燕,裴 灵

（重庆工程职业技术学院，重庆 402260）

1 引言

矿产资源是一种十分重要的能源，在矿产资源勘探中常采用地质钻探方法。地质钻探是利用一定的钻探机械和技术，获取地表以下岩心，可靠地评价地质矿产资源参数的一种方法。因为地球上的矿产资源大多分布在自然条件极为恶劣的地区，如山区、沼泽、沙漠和海洋，因此，矿产资源的开采是非常困难的。目前有多种钻井状态监测方法，以收集和管理钻井过程中的各种数据，反映现场钻井的实时工作情况，帮助工作人员安全高效地钻井作业。

但是，目前的监测方法存在一定的不足，为此，针对这种现象，有较多学者开展了监控系统的研究，其中，文献[1]中，周学亮研究了基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统，本系统重新定义了断路器与多个系统集成的工作流程，简化了勘探安全监测系统中多个网络集成和多个系统之间的联动；文献[2]中，马也骋等研究了面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee 系统，该系统将不同类型的传感器数据融合到MAC 负载域中，自定义负载通信协议，通过该协议将监测信息传送到监测网络，最终实现了井下多种传感器数据的显示。外国学者路易斯等人则应用驱动器电流信号分析方法，通过使用离散小波变换从电动机驱动器监视电流，以提供无传感器的方法，揭示了算法的性能。但是上述研究中存在问题，为此设计一种地质钻探多参量融合监控系统，实验结果表明，此次研究的系统较传统系统应用效果更好，满足了监控系统的设计需求。

2 地质钻探多参量融合监控系统硬件设计

使用多参量融合的方法设计地质钻探监控系统，主要包括数据采集与控制模块和通信监控模块。需要采集的参量为：钻压、系统的工作温度、动力头钻速以及扭矩、液压回路压力与流量以及钻机平台的倾角信号等。具体的系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构示意图

2.1 数据采集与控制模块

2.1.1 基于多传感器的数据采集

在钻探过程中，使用SCA128T 型传感器采集钻探平台倾角，并利用伺服电机编码器反馈信号。利用TQ-660扭矩传感器采集动力头的扭矩，利用SIN-P3000 型号的压力变送器测试液压回路的压力信号以及水压。

这些传感器采集信号与数据的过程中，均经过A/D 转换后接入单片机，利用单片机监控各个传感器的运行状况，在降低运行能耗的同时避免数据异常。

2.1.2 采集数据信号的A/D转换

由于单片机无法识别压力、扭矩等信号，故需要利用A/D转换将采集到的信号转化形式后输入传感器，A/D 转换型传感器是传感器当中的一个特别类型，其中A(模拟量)的定义是在时间上和数值上都是连续变化的物理量，如压力、风速、水量、湿度、温度、位移和音量等信息；而D(数字量)是指在时间上和数值上分立的量，如某种东西的个数或者某个东西的状态。将模拟量转化为数字量后再进行处理，将一个现实的模拟量转为一个可以被采集的电压信号，然后通过A/D电路将其转化成为一个数字信号。

为避免采集到的信号或数据由于格式问题或者内存占用较大导致的高能耗甚至无法运行的现象，利用A/D 转换型传感器处理信号，进行数据的融合处理。根据系统采集数据的实际情况，选用PCI总线槽12位的PCI-8319光电隔离模块接口卡作为A/D转换卡。PCI-8319的技术特点：①采用光电隔离技术，实现被测信号与计算机系统的电气隔离；②增益高，可放大不同信号，可直接连接各种传感器；③选用16路或32路单端输入方式；④可测量双极或单极信号；⑤各16 路开关各输入/输出信号通道，切换输出通道可直接驱动继电器。选用单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能。

2.2 控制模块

2.2.1 单片机调控信号

在整体监控系统中，由于所需监测的参量较多，可利用单片机降低采集数据与传输数据的能耗，单片机通过对数据的收集，大致推断当前设备处于较低的负载，从而调整参数降低运行能耗；同时，单片机可以监控周边环境，若参数异常，则发出报警，从而提高整体安全性。

采用Cyga8051F020 作为控制主芯片，它具有高集成度、低功耗(电源电压2．7～3．6V)、高处理能力等特点，非常适合于高可靠性、低功耗的监控系统中[3]。兼容Cognac805F：WS-51 核心单片机，内置64＜BFLASH 程序存储器，4352B数据RM，双全型2UART，在功能和性能上都比以前的传统MCU有很大提升。C8051F020的主要特点如下：

1)具有兼容8051 的微型核心，最大速度可达25MIPS(钟速25Mz)；

2)FLASH存储器，6个外部数据存储器接口(可编程为多路或非多路)；

3)8 个8 位0 端口，各端口均耐5V 电压，可灵活配置交叉开关；

4)硬件SMBus、PI和可同时使用的增强UART串口；

5)22种向量中断源；

6)多重复位源；

7)可编程16位计数器/时序阵列，5个捕获/比较模块，6种工作模式；

8)工作温度范围：-40摄氏度以上。

2.2.2 外围接口设计

由于勘探工作现场干扰源多，为提高整体系统运行的安全性与稳定性，设计外围接口，二次验证单片机程序的稳定性与安全性，从而多重保证系统的整体运行效果。看门狗定时器复位技术是用来检测单片机程序是否正常工作，避免检测监控系统受到干扰而失效。如果程序在一定的时间内受到较大干扰而运行异常，则单片机在一定的时间内不接收复位脉冲，则单片机进行复位。

为了提高系统的可靠性[4]，系统采用了一种外部看门狗芯片DS1232，具有上电复位、手动复位、看门狗，电压比较等功能。当程序运行时，ST 针用来触发高低电平“喂狗”。当程序运行时，如果在指定的时间间隔内没有“喂狗”，则输出低电平复位信号，并重新启动。

使用EEPROM 作为数据存储器。首先在EEPROM 中调用前端机数据信息，然后在符合要求的情况下采集监控数据。接口电路由RS-485驱动器SN65LBC184构成，其直接通讯距离高达1200m，在应用中，主要采用RS-485 总线接口进行平衡差分标准。利用RS-485驱动器将TL电平转换为差分信号输出，而接收端的接收器将差分信号还原为TTL信号，因此能够看出RS-485驱动器有很强的抗普通干扰能力。

2.3 通信监控模块设计

在采集多参量信号与数据后，需要进行数据处理与传输，此时设计通信监控模块实现数据的完整传输。

通信监控模块中，通信系统主要选用解调器连接单片机，通过不拨号自动登录GPRS网络以实现自动连接监控中心，依托芯片设备进一步达成数字化自动控制。GPRS-IP DTU 调制解调器是一款嵌入式TCP/IP 协议的DTU 调制解调器，分为IP 模块和GPR 模块。虽然软件接口与命令集是相对独立的，但是可以通过IP 模块透明地传送。一切标准自动测试命令，模组发送AT和AT+I命令连接网络，接收短信。由于MCU 没有TCP/IP 协议栈，因此利用ME99配置RS232 级，直接与单片机相连。设备启动后，自动登录到网络中，长时间挂网。不用拨号就可以上网，实时性很好。在网络繁忙时，它会立即拨号与监控中心的ME99模块相连[5-6]，用于拨号传输，以保证实时信息。ME99 硬件配置如图2所示。

图2 ME99硬件配置

硬件说明：

(1)供电电压：1ADC5V；

(2)实际尺寸：70×42．8毫米；

(3)物理等级：默认RS232等级，可选3．3V COMS等级；

(4)物理接口，主要包含DC 电源输入、SIM 接口、天线电缆15cm与IDC010主接口。

监控系统提供数据显示功能，具体数据传输框架图如图1所示系统结构中的通信监控模块。其中，在处理数据与传输中，首先进行初始化设计，手动输入参数，需要手动输入的参数有进油缸的杆径和缸径等，经过参数修正后，了解实时工况；在数据传输中设计数据采集面板(即数据显示模块)，主要用于输入参数与显示数据以及设置报警线，数据显示的内容包括：钻压、钻台倾角、钻井液温度、液泵压力与流量等。在显示各个数值的基础上，增加报警基线功能，若实时接收到的信号数据超过报警线，则会出现报警提示。

3 地质钻探多参量融合监控系统软件设计

多参数信息融合实质上是多源信息自底向上整合、分析、综合的过程，主要过程如图3所示。

图3 信息融合模型

由于在钻探过程中，其运行状态会通过各种物理参量进行显示，并且会随着时间的变化呈现出一定的规律，这些信号会通过监测系统硬件中的传感器以及采集装置等转化为数字信号。监控设备运行状态，需监测运行时的总电压、电流、功率及各支路的电压、电流、功率并据此计算出有效功率等参量数据，通过转换器转换成数字信号由计算机加以分析，进而得到多参量融合分析诊断结果。

为此对这些信号提出在线故障诊断方法，将信号若干时间区间内的均值分析公式表示如下：

公式(1)中，n代表信号动态分量，ti代表某一时间间隔内信号的均值，代表物理量数值。

由于不同物理量的数值大小差别可能较大，因此采用下述公式反应信号的最大波动情况：

公式(2)中，μ代表相对波幅参数。

基于上述计算能够对地质钻探一定时间段内的测量信号进行分析[7-10]，为地质钻探故障分析提供判断依据，以此完成地质钻探多参量融合监控系统的设计。

4 实验对比

为验证此次研究的地质钻探多参量融合监控系统的有效性，进行实验对比，并为了保证实验的严谨性，将文献[1]中的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与文献[2]中面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统与此次研究的系统做对比。主要对比三种系统对于勘探异常信号发现的时间、钻探效率与钻探成本。

4.1 异常信号发现时间对比

此次研究的地质钻探多参量融合监控系统与传统的两种系统对于异常信号的发现时间对比结果如图4所示。

图4 异常信号发现时间对比

分析图4可知，在勘探发生异常时，此次设计的地质钻探多参量融合监控系统在3 分钟之内就能够及时发现异常信号，而传统的两种系统在异常情况发生后，对于异常信号发现的时间较长，从而会直接影响到地质钻探的钻探效果。

4.2 钻探效率对比

传统的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统与此次研究的地质钻探多参量融合监控系统的勘探效率对比结果如图5所示。

图5 钻探效率对比

由图5可知，此次研究的地质钻探多参量融合监控系统的勘探效率远高于传统的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统，因为此次研究的系统能够及时获得监控信息，并能够及时发现异常情况，从而直接提高了地质钻探效率。

4.3 钻探成本对比

此次研究的地质钻探多参量融合监控系统与传统的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统的勘探储成本对比结果如图6所示。

图6 钻探成本对比

基于图6能够看出，此次研究的系统的勘探成本低于传统的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统两种系统。原因是，此次研究的地质钻探多参量融合监控系统提高了与监控终端联系的速度，同时，设计了异常信号检测方法，及时监测到异常情况，以做出相应的处理，在很大程度上能够避免故障情况的发生，因此在很大程度上减少了钻探成本。

5 结束语

综上所述，此次研究的地质钻探多参量融合监控系统较传统的基于多网融合及联动的煤矿安全监控系统与面向井下安全监测的多传感器数据融合ZigBee系统异常信号发现时间少，钻探效率高，并且钻探成本低。原因是，此次研究的系统重点应用了GPRS技术对系统的通信模块进行了设计，从而提高了监控系统监控效果。通过此次研究的监控系统能够及时发现钻探过程中的问题，并能够及时发送到监控终端，及时通知工作人员进行解决。能够有效提高工作人员的工作效率，一定程度上降低了工作成本，满足了地质钻探多参量融合监控系统的设计需求。

但是由于研究时间的限制，此次研究的地质钻探多参量融合监控系统还有需要完善的地方，在后续研究中，将不断优化此次研究的地质钻探多参量融合监控系统，为地质钻探提供一定的帮助。