丁红军+++刘志强
摘 要：基于修井机的安全监测要求，设计的监控系统采用能够满足要求的AT89C51单片机作为核心单片机，应用监测信号无线传输来取代原有的有线传输，同时无线发射接收部分采用模块化设计；改变原有的对绞车盘进行监测的方式，提高了系统的检测准确度，也简化了监测系统的线路，使设备更简洁、更小型化、便于安装及调试。
关键词：修井机；防碰仪；监控系统
引言
由于科学技术的发展和前进，工业上的各种机电产品在智能化、在线实时监控性以及人机交互界面友好性上有了更高的要求。对于石油机械的修井机，对在线实时监控监测性能上提出了更高的要求。
在现有的应用情况来看，对修井机的可监测性有以下的几个要求。（1）要去能够对修井机工作头的位置进行适时监测，并同步显示给操作人员，并能实现自动蜂鸣器报警。（2）监测设备在结构和线路排布上应尽可能的简单，以提高其可靠性和安全性，监测系统所用的传感器应能在较为恶劣的自然环境下进行工作，不易受到外界环境的影响。（3）监测监控系统安全可靠，使用寿命长，便于安装和维修，使用成本经济等特点。
1 修井机监控系统总体设计
为达到技术指标，将传感器直接装在天棚的飞轮上，通过对飞轮的转数监测转换成工作头的位置信号，信号采集监测收集头采用两个霍尔传感器与单片机直接连接，把磁钢安装在修井机天棚的钢制飞轮上面。当飞轮正转的时候带着磁钢首先通过霍尔传感器A，单片机关闭所有外部中断以保证磁钢再次通过霍尔传感器B时的信号不会对单片机的计数造成影响，同时单片机开始对飞轮转数开始计数增加；当飞轮处在反转的状态时候，磁钢首先通过霍尔传感器并被感知，单片机开始计数并减少。采用这种监测方法也很容易实现飞轮正反转方向的识别计数。
当单片机完成转数的计数后，数据就被用串行口发送到无线发射模块PTR2000，然后发送给控制室的接收模块，接收模块也是由单片机和无线接收PTR2000组成。最后把转化后的值在四位七段数码管上进行显示。
1.1 通井机监测系统的设计框图
修井机监测系统的工作原理框图如图1、图2所示。
1.2 系统硬件设计
系统采用的单片机是AT89C51，它具有价格低廉、性能良好等特性，综合了实际情况以及本设计所需的性能及各种要求，选用AT89C51作为主控单片机[1]。系统的无线传输模块PTR2000：无线收发一体数传MODEM模块PTR2000芯片性能优异，它的显著特点是所需外围元件少，设计方便。该模板块在内部需成了频道切换、功率放大、高频接收、FSK调制/解调等功能，因而是目前集成度较高的无线数据传输的产品。信号采集传感器NJK-5002C霍尔传感器特点：它具有结构简单坚固、小巧、质量轻、使用寿命长、安装方便、消耗功率小、抗震动、不怕各种环境的污染和腐蚀，例如灰尘、油污、水汽及雾等。霍尔传感器还具有精度高、线性度好的特点；若能进一步取用了各种补偿和保护措施，会使得霍尔器件的工作温度范围达到-55℃～150℃。
1.3 仪器的监测监控信号采集的设计
本系统的监测监控系统采用两个NJK-5002C接近式霍尔传感器作为检测磁性信号的输入，以感应天棚飞轮上的磁钢的运动和转数，两个霍尔传感器的设计安装距离为在15mm左右，这样既可以保证磁钢通过时候不会产生误判，又能够保证感知磁钢都输出信号。（因为霍尔传感器作用距离一般小于10mm）[2]。
1.4 无线接收和无线发射电路的设计
无线接收与无线发射模块中，两种PTR2000与单片机的连接口方式是一样的，主要是由于PTR2000为无线发射接收一体化得集成模块，其究竟处于发射形式还是接收形式，是由其TXEN口是接高电平还是低电平，所以在电路的无线接收和发射模块中，两者的硬件连接方式是一样的，只是软件的设计有些不同。
2 系统安装设计
把两个NJK5002C为接近式霍尔传感器安装在飞轮支架上，两个传感器之间的距离为15mm；磁钢安装在飞轮上，根据测量的精度要求可以安装多个磁钢，均匀分布在飞轮上。这样传感器通过感知磁钢来测定飞轮转的圈数，在通过系统转换成钢丝绳的长度，从而测量出深度[3]。
3 仪器显示电路的设计
修井机的作业深度一般在五千米左右，所以采用四位七段数码管可以满足显示的需要。根据不同型号的修井机的需要，也可采用有小数点的八段数码管，如果要求精度达到一米以下，可选用五位八段数码管。综合考虑了修井机的精度及常用型号，选用四位七段数码管，精度为一米[4]。
4 软件工作程序模块设计
本系统设计的程序分为发射模块和接收模块这两个主要的部分：
其中無线发射模块的程序有：（1）系统初始化程序；（2）系统主程序；（3）系统发送程序。
无线接收模块程序：（1）初始化程序；（2）主程序；（3）PTR2000数据接收程序；（4）循环/深度转换程序；（5）报警子程序；（6）键盘输入设定的工作深度程序；（7）循环次数记录子程序。
5 操作面板设计
右侧上端为四位数码管，可显示总深度和循环次数。数码管左侧为两个LED，分别指示数码管显示的为工作头深度和循环次数。最下侧为复位键，终止蜂鸣键，深度/循环转换键，总电源开关。
6 结束语
由于采油修井机的要求，修井机自动监测监控的系统采用价格低廉且能够满足要求的AT89C51单片机作为设计的核心单片机，应用监测信号无线传输来取代原有的有线传输，从而简化了监测系统的线路，使得设备更简洁，更小型化。同时改变原有监测的方式，使检测的准确度提高。同时无线发射接收部分采用模块化设计，是机构更加简洁，也更便于安装及调试。
参考文献
[1]宋江平.钻机防碰天车监控系统设计[J].石油机械，1996，24（1）：48-50.
[2]陈砺，谭盈科.单片机原理和应用[M].北京：电子工业出版社，1997：5-24.
[3]王如竹，等.新型防碰天车研制[J].中国设备工程，2005（4）：28-30.
[4]章立标，张诗针.修井机主滚筒绳、乱绳现象探讨[J].石油机械，1995（1）：79-82.
作者简介：丁红军（1975，12-），男，湖南省武冈市，职称：讲师，学历：博士，研究方向：机械设计制造。
