液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)總體方案設計案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u11235液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)總體方案設計案例概述 1283961.1液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)需求分析 122631.2系統(tǒng)的總體方案設計 27531.2.1系統(tǒng)的總體方案 2108201.2.2測控終端設計方案 3276031.1.3上位機設計方案 4223411.3液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的通信方案 5165151.3.1扭矩控制系統(tǒng)的通信方案 536411.3.2扭矩控制系統(tǒng)的通信協(xié)議 61.1液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)需求分析根據(jù)1.3節(jié)所述的企業(yè)對于液壓動力鉗扭矩測控系統(tǒng)的技術需求，本項目應完成液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的控制儀表和上位機軟件的開發(fā)。本文將技術需求中所述的控制儀表稱為測控終端。液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)由測控終端和上位機組成。本文液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)應用于油田的鉆修井施工，在起下鉆桿、鉆具、油套管的作業(yè)中，對上卸螺紋的扭矩、上扣圈數(shù)進行實時測量、顯示、存儲、報警和控制。根據(jù)液壓動力鉗的作業(yè)性質和環(huán)境，液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)需要滿足以下要求：1.功能需求（1）當液壓動力鉗進行現(xiàn)場作業(yè)時，實時測量和顯示作業(yè)扭矩、上扣圈數(shù)。（2）當液壓動力鉗上扣扭矩達到設定值時能夠聲光報警，并能夠輸出開關量信號用以切斷液壓動力鉗的油路。（3）扭矩設定值能夠根據(jù)油管管徑大小方便的設定。（4）測控終端能夠存儲每一根油管的上扣扭矩值和上扣圈數(shù)，并能方便的導出。（5）測控終端與上位機之間的通信方式可以采用有線或無線通信方式。（6）上位機能夠實時采集液壓動力鉗的上扣扭矩和上扣圈數(shù)，能夠以圖形的方式顯示扭矩-時間曲線或扭矩-圈數(shù)曲線。（7）上位機能夠長期存儲液壓動力鉗的作業(yè)數(shù)據(jù)，包括上扣扭矩、上扣圈數(shù)、作業(yè)時間、井號、油管規(guī)格。（8）上位機應具有檢索功能，能夠根據(jù)作業(yè)時間、井號或油管規(guī)格等信息進行檢索。1.性能需求（1）測控終端能夠方便安裝于液壓動力鉗的適當部位。（2）測控終端應具有隔爆功能，體積小巧，方便安裝。（3）測控終端應采用低功耗技術，以便延長電池的使用壽命。（4）測控終端能夠有效抑制靜電、電磁等干擾，以保證工作可靠性。（5）上位機用戶界面應簡潔美觀。（6）系統(tǒng)要滿足結構簡單、低成本、穩(wěn)定、可靠的設計要求。3.技術指標（1）測控終端工作電源：充電電池或開關電源。（2）測控終端與上位機之間的通信方式：有線通信或無線通信。（3）扭矩測量范圍：0~2T。（4）上位機軟件：運行于win7以上系統(tǒng)。1.2系統(tǒng)的總體方案設計1.2.1系統(tǒng)的總體方案液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的總體實現(xiàn)方案如圖2-1所示。系統(tǒng)包括測控終端、APP和上位機三部分。測控終端由開關電源供電，安裝于液壓動力鉗本體適當位置，實現(xiàn)液壓動力鉗作業(yè)時的上扣扭矩、上扣圈數(shù)的測量，當測量扭矩超過油管所需設定值時，進行超限聲光報警，開關量輸出用于扭矩超限時切斷液壓動力鉗的供油回路或調節(jié)供油回路的壓力，控制扭矩進一步增大而損壞油管。預留開關量輸入接口，用于液壓動力鉗動力系統(tǒng)溢流閥、換向閥等的狀態(tài)采集，以進行液壓動力鉗作業(yè)的全面監(jiān)測和控制?？紤]液壓動力鉗特殊的作業(yè)環(huán)境，采用LED顯示，方便現(xiàn)場作業(yè)人員觀察扭矩數(shù)值、上扣圈數(shù)等信息。測控終端與上位機之間采用RS485通信方式，滿足通信距離的要求，也能保證液壓動力鉗作業(yè)特殊環(huán)境下的通信可靠性。測控終端與APP之間采用藍牙通信方式，實現(xiàn)測控終端的人機交互功能。APP一方面用于上扣扭矩設定值、井號、油管規(guī)格等參數(shù)的設置，另一方面實現(xiàn)扭矩、上扣圈數(shù)實時測量值、扭矩-時間曲線或扭矩-圈數(shù)曲線的顯示，還實現(xiàn)液壓動力鉗作業(yè)數(shù)據(jù)的存儲和導出功能。上位機除了具有APP的所有功能外，還具有長期存儲和檢索液壓動力鉗作業(yè)數(shù)據(jù)的功能。圖2-1系統(tǒng)總體方案框圖1.2.2測控終端設計方案測控終端主要采集液壓動力鉗扭矩數(shù)據(jù)、上扣圈數(shù)數(shù)據(jù)并將其顯示在LED顯示屏上，通過有線+無線通信的方式與上位機和手機APP進行數(shù)據(jù)交換，測控終端的硬件結構如圖2-1虛線框內所示。測控終端由開關電源、MSP430F5438A主控電路、聲光報警電路、LED屏接口電路、日歷時鐘電路、RS485通信電路和預留的開關量輸入輸出電路組成。開關電源為測控終端提供工作電壓，RS485通信電路上掛載了Bluetooth藍牙無線通信模塊以及RS485-USB轉換器，負責與上位機和手機APP進行通信。存儲模塊負責存儲不同工作時間段所測得的扭矩和上扣圈數(shù)歷史數(shù)據(jù)。上扣圈數(shù)檢測可檢測液壓動力鉗工作時的上扣圈數(shù)并以數(shù)字量的形式傳輸至主控芯片中。扭矩檢測可獲取當前的扭矩大小，以模擬量的形式通過放大電路放大后輸入至主控芯片中，主控芯片經過運算得到扭矩值的數(shù)字量。時鐘日歷電路負責計算當前的日歷時間，主控芯片可對其進行讀寫獲取時間標簽。主控芯片負責將傳感數(shù)據(jù)和時間標簽按規(guī)定的通信協(xié)議格式進行打包并將其轉發(fā)RS485通信電路，同時控制安裝在LED接口電路上的LED屏幕同步顯示扭矩大小、上扣圈數(shù)和當前日歷時間，當扭矩和上扣圈數(shù)超出預先設定的報警閾值時，主控電路控制聲光報警電路動作發(fā)出報警。根據(jù)上述方案設計的測控終端硬件電路如圖2-2所示。1.1.3上位機設計方案根據(jù)技術需求，上位機應能夠實時監(jiān)測液壓動力鉗的上扣扭矩和上扣圈數(shù)，并以圖形的方式顯示扭矩-時間曲線或扭矩-圈數(shù)曲線。上位機能夠長期存儲液壓動力鉗的作業(yè)數(shù)據(jù)，包括上扣扭矩、上扣圈數(shù)、作業(yè)時間、井號、油管規(guī)格。上位機還應具有檢索功能，能夠根據(jù)作業(yè)時間、井號或油管規(guī)格等信息進行檢索。根據(jù)企業(yè)的技術需求，設計上位機軟件功能架構，如圖2-3所示。軟件采用C++語言開發(fā)，采用VisualStudio開發(fā)環(huán)境，采用Qt5進行界面設計。在實時監(jiān)控頁面中，可向工作人員展示當前監(jiān)控的井號、油管號、當前設備的參數(shù)信息，工作人員可手動關閉和打開監(jiān)控開關；在歷史數(shù)據(jù)頁面中，工作人員可自行輸入井號、油管號、時間來查詢歷史扭矩和圈數(shù)；數(shù)據(jù)分析頁面中，輸入對應的井號和油管號，軟件將自動生成扭矩與上扣圈數(shù)兩者之間的關系曲線；在參數(shù)配置的頁面中，輸入對應的井號和油管號，可下行設置測控終端報警閾值，液壓動力鉗的壓力值和上扣速度。圖2-2測控終端硬件原理圖圖2-3上位機軟件功能架構1.3液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的通信方案1.3.1扭矩控制系統(tǒng)的通信方案液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的三個組成部分中，測控終端測量液壓動力鉗的作業(yè)扭矩和上扣圈數(shù)，當測量到的扭矩值超過報警閾值時，進行報警，同時將測量的扭矩、上扣圈數(shù)、作業(yè)時間等信息上傳給上位機和APP，在上位機和APP顯示界面顯示液壓動力鉗的作業(yè)數(shù)據(jù)。扭矩報警閾值、作業(yè)井號、作業(yè)油管號等信息可以通過APP、上位機軟件的操作下發(fā)至測控終端。因此，測控終端、APP和上位機三部分之間的應有可靠的通信方式。1.測控終端與上位機之間的通信測控終端與上位機之間采用有線通信，以太網(wǎng)、RS232和RS485等是用的有線通信方式，其中以太網(wǎng)通信需移植TCP/IP協(xié)議棧至測控終端內，加大了程序的復雜性，進而降低了測控終端的魯棒性。RS232的最大傳輸距離不足20米，僅支持點對點通信，顯然并不適合用于液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)中。RS485的傳輸距離可達到1200m，支持一對多的通信，僅需兩根信號線便可進行通信，傳輸速率最大可達10Mbps，非常適合用于液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)中，因此選擇其作為測控終端與上位機之間的通信方式。測控終端與上位機之間通過RS485串行通信有線連接。測控終端CPU有RS485串行通信接口，通過雙絞線與上位機筆記本電腦進行連接，筆記本電腦沒有RS485接口，因此在電腦端經RS485/USB轉換器接入電腦的USB口，實現(xiàn)測控終端與上位機之間的有線通信。1.測控終端與APP之間的通信測控終端與手機APP之間采用近距離無線通信，常用的近距離無線通信包括有24L01射頻通信，WIFI通信、Zigbee、Bluetooth藍牙通信和GPRS/4G通信，其中24L01射頻通信和Zigbee需要收發(fā)雙方同時配置相應通信芯片，考慮到液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的接收端是APP與上位機，那么可供選擇的只有WIFI、Bluetooth和GPRS/4G，這三種通信技術的對比如表2-1所示。表2-1WIFI、Bluetooth、GPRS/4G技術對比技術WIFIBluetoothGPRS/4G通信距離1~50m1~10m1km以上通信速率≥11000kbps≥720kbps≥1.7kbps/50Mbps工作頻段1.4GHz/5GHz1.4GHz運營商頻段應用領域辦公、家庭小范圍設備通信公網(wǎng)傳輸從表2-1對比中可以看到，GPRS/4G可無視通信距離的限制，但需要額外的芯片與SIM卡，測控終端工作環(huán)境惡劣，金屬遮擋物較多，這會讓GPRS/4G網(wǎng)絡信號衰減劇烈，若工作地點附近無通信基站，會喪失通信能力。WIFI的通訊距離和通信速率比較高，也無需依靠通信基站，但其穿墻能力并不強，測控終端所處的工作環(huán)境有較多的遮擋物，WIFI信號在經過遮擋物后其強度會下降很多，導致通信穩(wěn)定性下降。Bluetooth使用1.4GHz的ISM頻段，采用跳頻技術，通過79個1MHz頻寬的無線信道分別傳輸數(shù)據(jù)。藍牙通信與上述兩個通信方式相比，無論從通信速率、通信距離和通信的穩(wěn)定性上，均滿足液壓動力鉗扭矩控制系統(tǒng)的要求，因此選擇其作為測控終端與手機APP之間的通信方式。1.3.2扭矩控制系統(tǒng)的通信協(xié)議測控終端與APP和上位機之間的通信本質是串口通信，且傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息相同，采用相同的通信協(xié)議。數(shù)據(jù)經過測控終端內的MAX13085串口轉RS485芯片后被送至RS485總線中，通過RS485總線分別傳輸至藍牙模塊與和RS485-USB轉接器中，最終到達APP與上位機處。串口通信的幀格式如表2-2所示，其中數(shù)據(jù)內容的格式規(guī)定如表2-3所示。8字節(jié)協(xié)議頭詳細說明如表2-4所示，協(xié)議頭中的命令和操作詳細說明如表2-5所示。幀格式中各類數(shù)據(jù)均為十六進制。表2-2串行通信幀格式開頭標志頭部標記數(shù)據(jù)長度頭部標記數(shù)據(jù)內容校驗和尾部標記0xFEFE0x684Byte0x6828Byte2Byte0x16表2-3數(shù)據(jù)內容格式協(xié)議頭上報數(shù)據(jù)協(xié)議版本號命令操作時間井號油管扭矩圈數(shù)2Byte2Byte2Byte2Byte8Byte2Byte2Byte4Byte4Byte表2-4協(xié)議頭說明數(shù)據(jù)意義說明0x0001協(xié)議數(shù)據(jù)采集字節(jié)協(xié)議0x0001版本號液壓動力鉗扭矩采集0x00xx命令不同的命令對應不同的操作數(shù)據(jù)例如上報數(shù)據(jù)0x00xx操作例如上報扭矩圈數(shù)數(shù)據(jù)表2-5命令和操作代碼及說明命令操作代碼功能代碼意義說明0x0001控制命令0x0001啟動0x0002停止0x0002下發(fā)參數(shù)0x0001扭矩設定值0x0002扭矩告警值0x0003速度設定值0x0003上報數(shù)據(jù)0x0001上報日期時間、上扣扭矩、上扣圈數(shù)測控終端與APP和上位機之間的通信采用自定義通信協(xié)議，通信幀格式為16進制不定長數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包均包括開頭標志