錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)及其處理方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)及其處理方法，它對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行高速采集、實時數(shù)據(jù)存儲，實時時域頻域數(shù)據(jù)分析，提高了錄井?dāng)?shù)據(jù)精度，為實現(xiàn)鉆井異常和故障及時準(zhǔn)確的預(yù)警和安全高效鉆井奠定了基礎(chǔ)。錄井儀采集大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩的電流信號和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的電壓脈沖信號，三路4～20mA電流信號送入信號分配器，電壓脈沖信號送入光電耦合器；然后分別送入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊按照最高200kHz對三路信號進(jìn)行采樣，按照最高10kHz對電壓脈沖信號進(jìn)行采樣；數(shù)據(jù)采集模塊對采集的三路信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號與采集的電壓脈沖信號送入上位機(jī)；上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；信號分配器和光電耦合器同時還與直流電源連接。
【專利說明】錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)及其處理方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)及其處理方法。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)采集是錄井工作所涉及和應(yīng)用的重要學(xué)科領(lǐng)域，通過對錄井工程參數(shù)的高速采集，分析數(shù)據(jù)所攜帶的鉆井工程頻域和時域方面的信息，達(dá)到預(yù)防鉆井異常的目的。
[0003]目前國內(nèi)工程錄井發(fā)展受到的重視程度不足，技術(shù)單一，數(shù)據(jù)采集的頻率低，沒有完整的時域和頻域的分析處理技術(shù)，錄井參數(shù)的綜合性差。國內(nèi)自主研制的綜合錄井儀所包含的工程錄井服務(wù)判斷模型，其理論多基于80年代法國TDC錄井儀的判識模型，數(shù)據(jù)采集速率依然保持在IHz左右，由此造成大量高頻信息丟失，且數(shù)據(jù)僅在時域記錄，缺乏頻域佐證，綜合分析能力不足，異常信息捕捉不夠。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)及其處理方法，它通過對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速四個鉆井工程參數(shù)進(jìn)行高速采集、實時數(shù)據(jù)存儲，實時時域頻域數(shù)據(jù)分析，提高了錄井?dāng)?shù)據(jù)精度，為實現(xiàn)鉆井異常和故障及時準(zhǔn)確的預(yù)警和安全高效鉆井奠定了基礎(chǔ)。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，
[0007]錄井儀采集大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩各自的電流信號和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的電壓脈沖信號，錄井儀將采集的三路4?20mA電流信號送入信號分配器，將采集的電壓脈沖信號送入光電耦合器；
[0008]信號分配器將三路電流信號轉(zhuǎn)化為三路電壓信號與光電耦合器采集的電壓脈沖信號分別送入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊按照最高200kHz對三路電壓信號進(jìn)行采樣，按照最高IOkHz對電壓脈沖信號進(jìn)行采樣；
[0009]數(shù)據(jù)采集模塊對采集的三路電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號與采集的電壓脈沖信號送入上位機(jī)；
[0010]上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0011]信號分配器和光電耦合器同時還與直流電源連接。
[0012]所述信號分配器為全隔離雙輸出信號分配器，串接錄井儀電流輸出端，在其輸出端跨接高精度電阻，將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入數(shù)據(jù)采集模塊。
[0013]所述光電耦合器并聯(lián)在錄井儀電壓脈沖信號輸出端；當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為高電平時，輸入端管腳間的發(fā)光二級管導(dǎo)通發(fā)光，激勵輸出端管腳之間的光敏原件，使輸出端管腳導(dǎo)通，則輸出低電平；當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為低電平時，輸入端管腳間的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，輸出端管腳關(guān)斷，則輸出高電平，從而將電壓脈沖信號傳遞到數(shù)據(jù)采集模塊采集端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和電平的隔離。[0014]所述信號分配器、光電耦合器和直流電源置于防爆電氣控制箱內(nèi)，信號分配器、光電耦合器通過共地屏蔽的多芯電纜將各自采集的信號送入數(shù)據(jù)采集模塊。
[0015]一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，它采用多線程方式，對采集的大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩的信號分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和讀取線程、數(shù)據(jù)存儲線程、數(shù)據(jù)顯示線程和數(shù)據(jù)時域頻域處理線程中；其中，
[0016]數(shù)據(jù)采集和讀取線程，上位機(jī)采用中斷方式讀取數(shù)據(jù)采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以及脈沖電壓的計數(shù)信號；
[0017]數(shù)據(jù)存儲線程，根據(jù)時間參數(shù)設(shè)定不同的數(shù)據(jù)存儲周期，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和查詢；
[0018]數(shù)據(jù)顯示線程，利用iplot控件通過讀取緩存數(shù)據(jù)以及讀取顯示時間參數(shù)，按照設(shè)定的時間參數(shù)顯示大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左右拖動、上下滑動、細(xì)節(jié)分析、數(shù)據(jù)標(biāo)注中的至少一種；
[0019]數(shù)據(jù)時域頻域處理線程，時域處理包括前期濾波，數(shù)據(jù)緩變檢測，數(shù)據(jù)突變檢測，數(shù)據(jù)閾值檢測；頻域處理首先應(yīng)通過快速傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域，針對快速傅里葉變換的結(jié)果進(jìn)行分析和處理，針對直流分量和高頻分量進(jìn)行監(jiān)測以提取信號頻域特征，如果直流部分出現(xiàn)較大差異則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，如果某高頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了高頻信號，如果某低頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了緩變信號，根據(jù)具體信號與實際工況和故障的對應(yīng)在后續(xù)的工作中進(jìn)行處理。
[0020]所述數(shù)據(jù)采集和讀取線程中，數(shù)據(jù)采集模塊初始化后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別將采集的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后存入存儲器內(nèi)的至少一個指定區(qū)域同時將電壓脈沖信號進(jìn)行計數(shù)后存入計數(shù)器，待某一指定區(qū)域存滿后，產(chǎn)生中斷信號，停止向該區(qū)域的存儲；然后給該區(qū)域內(nèi)的每一條數(shù)據(jù)附上接收時間點，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式與計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)一并存入緩存；之后清空該區(qū)域后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，等待下一中斷的產(chǎn)生。
[0021]所述數(shù)據(jù)存儲線程中，數(shù)據(jù)入庫存儲操作首先在初始化后啟動數(shù)據(jù)讀取流程，此時檢查緩存中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則進(jìn)行讀取，根據(jù)時間參數(shù)的不同設(shè)定不同的數(shù)據(jù)存儲周期；當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)滿足時間參數(shù)時，則將此數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)入庫鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；之后繼續(xù)讀取緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存中無數(shù)據(jù)時則進(jìn)行等待。
[0022]所述數(shù)據(jù)存儲線程中，查詢是根據(jù)時間對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并且能夠?qū)v史數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel或者繪制歷史曲線。
[0023]所述時域處理中的濾波過程為根據(jù)不同工作條件下的數(shù)據(jù)采集，選擇不同的濾波器，消除變異常數(shù)據(jù)，以免有用數(shù)據(jù)被濾掉；
[0024]數(shù)據(jù)緩變檢測根據(jù)所設(shè)定的緩變時間檢測時長，對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；如果超過緩變閾值則認(rèn)為在一定時間內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩變現(xiàn)象，則在主界面通知用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩變檢測；
[0025]數(shù)據(jù)突變檢測針對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若數(shù)毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)之差超過了突變閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，同樣在主界面提示用戶，某項參數(shù)可能出現(xiàn)了突變，請用戶注意觀察數(shù)據(jù)；
[0026]數(shù)據(jù)閾值檢測針對濾波后的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行，如果某個數(shù)據(jù)出現(xiàn)了高出或低于設(shè)定閾值的情況，則提示用戶出現(xiàn)了閾值報警。[0027]所述頻域處理中，在時域數(shù)據(jù)中進(jìn)行二次數(shù)據(jù)抽取后進(jìn)行快速傅里葉變換；二次抽取是指按照時間順序，每間隔一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，即抽取一個數(shù)據(jù)，直至取64或128或256或512或1024個數(shù)據(jù)后進(jìn)行快速傅里葉變換，將數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。
[0028]本發(fā)明的有益效果是:建立了針對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速四個工程錄井參數(shù)的高速數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、高速數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)。重點解決了以下技術(shù)問題:首先，傳感器輸出問題，即選擇的參數(shù)測量傳感器輸出的靈敏度能夠滿足數(shù)據(jù)采集的要求，并根據(jù)傳感器輸出類型設(shè)計出不同的數(shù)據(jù)采集方案；其次，根據(jù)錄井工程參數(shù)分析所需頻率確定了數(shù)據(jù)采集頻率；再次，根據(jù)所采集數(shù)據(jù)開發(fā)出時域和頻域處理程序，通過實際現(xiàn)場應(yīng)用驗證了處理程序的有效性、實用性；最后，解決了工程錄井?dāng)?shù)據(jù)的通用數(shù)據(jù)庫高速存儲問題。本發(fā)明為錄井四參數(shù)快速數(shù)據(jù)采集和瞬態(tài)信息提取、時頻域信號分析和特征捕捉、為鉆井故障和異常工況及時預(yù)報奠定了基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明硬件系統(tǒng)圖；
[0030]圖2為數(shù)據(jù)采集和讀取流程圖；
[0031]圖3為數(shù)據(jù)存儲流程圖；
[0032]圖4為數(shù)據(jù)查詢流程圖；
[0033]圖5為數(shù)據(jù)顯示流程圖；
[0034]圖6為電流分配器功能框圖；
[0035]圖7為信號分配器的連接圖；
[0036]圖8為光電耦合器的接線方式；
[0037]圖9為信號頻域表示界面；
[0038]圖10實驗室測試方法圖；
[0039]圖1la錄井四參數(shù)快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)起下鉆精確描述圖；
[0040]圖1lbSL-ADVANTAGE綜合錄井儀中起下鉆描述；
[0041]圖12a錄井四參數(shù)快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)瞬間信號捕捉圖；
[0042]圖12bSL_ADVANTAGE綜合錄井儀中記錄的數(shù)據(jù)圖；
[0043]圖13aSL_ADVANTAGE綜合錄井儀中記錄的數(shù)據(jù)圖；
[0044]圖13bSL_ADVANTAGE綜合錄井儀中記錄的數(shù)據(jù)圖；
[0045]其中，圖1la中，a為上提鉆具段，b為座卡段，c為卸扣段，d為松剎把段，e為合離合器段，f為放立柱段，g為剎車段，h為下方大鉤(自由落體)段，i為下方大鉤(點剎車)段，j為解卡段；
[0046]圖1lb中，k為起鉆狀態(tài)下的懸重曲線；
[0047]圖12a中，I為瞬間轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號；
[0048]圖12b中，m為未捕捉到轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號段；
[0049]圖13a中，η為起鉆過程大鉤超拉段；
[0050]圖13b中，ο為未捕捉到大鉤超拉信號段。
【具體實施方式】[0051]下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0052]本發(fā)明針對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速四參數(shù)進(jìn)行高速采集，其中大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩信號在現(xiàn)役錄井儀中一般采用變送器采集，變送器供電電壓為24V，輸出為4?20mA的電流信號。轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號通過接近開關(guān)進(jìn)行數(shù)字脈沖計數(shù)，其正常工作的電源電壓為24V，輸出為數(shù)字脈沖信號。
[0053]現(xiàn)役錄井儀針對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩等信號采用輸出為4?20mA電流信號的變送器采集，其靈敏度較高，可以準(zhǔn)確反映鉆井參數(shù)的實時變化情況，本發(fā)明的高速數(shù)據(jù)采集可以現(xiàn)役錄井儀中的傳感器作為模擬輸入的數(shù)據(jù)源?，F(xiàn)役錄井儀中的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號采用數(shù)字脈沖計數(shù)采集，由于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號是數(shù)字脈沖累計計數(shù)，且正常鉆進(jìn)時最高轉(zhuǎn)速不超過200轉(zhuǎn)/min?，F(xiàn)役錄井儀中的接近開關(guān)靈敏度滿足本發(fā)明中的脈沖計數(shù)精度要求，故可采用現(xiàn)役錄井儀中的接近開關(guān)的輸出作為數(shù)字輸入的數(shù)據(jù)源。
[0054]采用現(xiàn)役錄井儀的傳感器信號輸出作為數(shù)據(jù)源可以避免重新架設(shè)數(shù)據(jù)采集傳感器所造成的干擾以及安全問題，能夠減少鉆臺中安裝的傳感器的數(shù)目和布線的復(fù)雜度。使用現(xiàn)役錄井儀中的傳感器信號，需要注意保證原信號的準(zhǔn)確性和安全性。
[0055]本發(fā)明中現(xiàn)場傳感器信號的連接采用電壓并采和電流分流的方式進(jìn)行。針對大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩三個模擬信號的采集采用電流分配器復(fù)制原始電流信號；針對轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的電壓脈沖信號，采用電壓并聯(lián)采樣方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。
[0056]為不影響錄井儀的正常工作，本發(fā)明采用電流分配器實現(xiàn)4?20mA電流信號的采集。本發(fā)明中的電流分配器米用WS15242B全隔離雙輸出信號分配器，可以將輸入信號變換為二路相互隔離的信號，并且輸入、輸出1、輸出2、電源四者為相互隔離，具有低功耗、低熱量、低溫漂、安裝方便的特點。WS15242B輸入阻抗為100Ω，工作范圍在-20°C?55°C，隔離阻抗>100ΜΩ，完全滿足電流分配及隔離的需求，在正常使用的過程中不會影響到錄井儀的正常工作。WS15242B的功能框圖如圖6所示。
[0057]由于WS15242B為四端隔離的信號分配器且輸入阻抗為100 Ω，將其串聯(lián)到錄井儀采集電路中相當(dāng)于串接一個100Ω的電阻。變送器帶負(fù)載的能力較強(qiáng)，串接100 Ω的負(fù)載對原始電路不會產(chǎn)生影響，故直接將WS15242B串接到原始采集電路中，不會影響錄井儀的正常工作。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集僅需要在5、6端或者7、8端進(jìn)行電流信號檢測即可，相對于其它接線方式，此方法具有接線簡便，穩(wěn)定性高的特點。由于信號分配器WS15242B為4?20mA電流輸出，并不能直接對其進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在此我們使用了 250Ω高精度電阻，將4?20mA電流信號轉(zhuǎn)換為I?5V的電壓信號，后續(xù)針對電壓值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化即可完成模擬信號的采集。信號分配器的連接如圖7所示。
[0058]轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為電壓脈沖計數(shù)信號，通過24V電壓供電，錄井儀接收到的為高低電平脈沖信號。為采集到此脈沖信號，本發(fā)明采用并聯(lián)電壓采樣的方式實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的采集。為防止數(shù)據(jù)端和采集端電壓不匹配問題的出現(xiàn)，本發(fā)明采用PC817光電耦合器來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和電平的隔離。
[0059]如圖8所示，電壓脈沖信號為接近開關(guān)采集到的轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速信號，此信號由PC817和錄井儀電路并聯(lián)采集，由于接近開關(guān)帶負(fù)載能力較強(qiáng)，并聯(lián)電壓采樣不會對錄井儀采集電路造成影響。由于PC817可以承擔(dān)最高50mA的導(dǎo)通電流，故將電壓脈沖信號經(jīng)3ΚΩ電阻分壓限流后接入PC817，在PC817內(nèi)部由發(fā)光二極管激勵光敏原件，在3和4端產(chǎn)生相應(yīng)的電路通斷信號。輸出端采用24V電壓供電，串接3.6ΚΩ的限流電阻。當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為高電平時，I和2腳間的發(fā)光二級管導(dǎo)通發(fā)光，激勵3和4腳之間的光敏原件，使3和4腳導(dǎo)通，則輸出低電平；當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為低電平時，I和2腳間的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，3和4腳關(guān)斷，則輸出高電平。通過PC817將電壓脈沖信號傳遞到數(shù)據(jù)采集端，并且將二者電平嚴(yán)格隔離，防止電擊穿事故。
[0060]本發(fā)明采用USB-4716快速數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)的快速采集。USB-4716是一款具有16位分辨率，200KS/s采樣速率的多功能數(shù)據(jù)快速采集模塊。其具有16個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道和16個數(shù)字輸入/輸出通道，適用于單極和雙極輸入，脈沖輸出。具有體積小、易安裝性的優(yōu)點。USB-4716采用了研華自動化獨特設(shè)計的可鎖緊式USB接口，保證了 USB裝置與上位機(jī)系統(tǒng)的通信，同時防止USB采集模塊中的電路被意外移動。USB-4716采用USB電源供電模式，不需要額外的電源電路。數(shù)據(jù)采集電路的供電系統(tǒng)采用交直流穩(wěn)壓電源提供24V的直流電壓，分別給信號分配器WS15242B、光電耦合器PC817進(jìn)行供電。USB-4716模塊采用計算機(jī)的USB接口進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸。
[0061]如圖1所述，數(shù)據(jù)采集模塊、信號分配器、光耦隔離電路、24V電源等設(shè)備安裝在防爆電氣控制箱中。該防爆電氣控制箱由勝利地質(zhì)錄井公司生產(chǎn)，防護(hù)等級為IP66，在接線過程中嚴(yán)格按照電氣規(guī)程進(jìn)行。
[0062]防爆電氣控制箱安裝在鉆井架上，與錄井集線箱相鄰。模擬傳感器輸出信號線經(jīng)防爆電氣控制箱串聯(lián)信號分配器后進(jìn)入錄井集線箱，實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的采集；脈沖電壓信號通過電壓并聯(lián)采樣的方式采集到防爆電氣控制箱中，實現(xiàn)脈沖電壓數(shù)據(jù)的采集。防爆電氣控制箱通過多芯電纜與錄井儀器房中的USB-4716連接，USB-4716通過USB與上位機(jī)連接。數(shù)據(jù)采集模塊由USB-4716與相應(yīng)的接口電路組成，在應(yīng)用中將其封裝在一個數(shù)據(jù)采集盒中。多芯電纜連接防爆電氣控制箱和數(shù)據(jù)采集模塊，將三路模擬信號和一路數(shù)字脈沖信號由防爆電氣控制箱傳遞到數(shù)據(jù)采集模塊。其中多芯線纜采用共地屏蔽線纜，防止井場中的各類設(shè)備對信號的干擾。數(shù)據(jù)采集模塊采用密封鎖緊設(shè)計，可防塵防水，以避免線纜的移動造成信號線脫落導(dǎo)致短路或丟失信號現(xiàn)象的產(chǎn)生。
[0063]在系統(tǒng)的工作過程中，只需要在上位機(jī)中將USB-4716進(jìn)行配置，即可完成最高200KS/S的模擬信號采集和脈沖信號采集。至此，數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)已完成，設(shè)計指標(biāo)滿足數(shù)據(jù)快速采集的要求。
[0064]本發(fā)明的工作過程分為四個線程:數(shù)據(jù)采集和讀取線程、數(shù)據(jù)存儲線程、數(shù)據(jù)顯示線程和數(shù)據(jù)時域頻域處理線程。
[0065]①數(shù)據(jù)采集和讀取線程
[0066]數(shù)據(jù)采集和讀取主要針對USB-4716內(nèi)部進(jìn)行。USB-4716可以采用多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，效率較高的為DMA (Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取)方式和中斷方式。由于本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集速率較高，直接內(nèi)存讀取有可能產(chǎn)生讀取時內(nèi)存復(fù)寫問題，為避免此類問題造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，本發(fā)明中采用中斷方式讀取USB-4716所采集數(shù)據(jù)。
[0067]數(shù)據(jù)采集和讀取線程在四個線程中首先被啟用。需要對設(shè)備和上位機(jī)進(jìn)行初始化，設(shè)定USB-4716的數(shù)據(jù)采集端口、數(shù)據(jù)采集頻率、中斷傳輸數(shù)量和工程數(shù)值轉(zhuǎn)換等參數(shù)，之后啟動USB-4716的數(shù)據(jù)采集，分別將采集的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后存入存儲器內(nèi)的一個指定區(qū)域(也可是多個，輪流工作)同時將電壓脈沖信號進(jìn)行計數(shù)后存入計數(shù)器，待該指定區(qū)域存滿后，產(chǎn)生中斷信號，停止向該區(qū)域的存儲；然后給該區(qū)域內(nèi)的每一條數(shù)據(jù)附上接收時間點，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式與計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)一并存入緩存；之后清空該區(qū)域后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，等待下一中斷的產(chǎn)生。
[0068]②數(shù)據(jù)存儲線程
[0069]數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)上位機(jī)的數(shù)據(jù)存儲采用SQL Server2005數(shù)據(jù)庫，采用Delphi7開發(fā)環(huán)境中的ADO鏈接數(shù)據(jù)庫。
[0070]在Delphi7的Object Pascal語言環(huán)境下,通過內(nèi)嵌SQL語句的形式完成數(shù)據(jù)的入庫、查詢、排序等操作。數(shù)據(jù)入庫存儲操作首先在初始化后啟動數(shù)據(jù)讀取流程，此時檢查緩存中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則進(jìn)行讀取，根據(jù)時間參數(shù)的不同設(shè)定不同的數(shù)據(jù)存儲周期。當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)滿足時間參數(shù)時，則將此數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)入庫鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲。之后繼續(xù)讀取緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存中無數(shù)據(jù)時則進(jìn)行等待。數(shù)據(jù)存儲流程如圖3所示。
[0071]當(dāng)數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫后，為了跟蹤歷史數(shù)據(jù)，特設(shè)定了歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可以根據(jù)時間對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并且能夠?qū)v史數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel或者繪制歷史曲線。歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖4所示。
[0072]根據(jù)數(shù)據(jù)存儲格式和數(shù)據(jù)存儲頻率計算，每秒鐘存儲100條數(shù)據(jù)的情況下，可以連續(xù)存儲10年以上的數(shù)據(jù)。
[0073]③數(shù)據(jù)顯示線程
[0074]圖形化界面顯示通過iplot控件完成，設(shè)計顯示最長一個月的歷史數(shù)據(jù)，支持放大、縮小、回放、數(shù)據(jù)標(biāo)注等功能。由于本項目中數(shù)據(jù)采集速率非常快，每個數(shù)據(jù)都在界面上顯示是不現(xiàn)實的，所以需要用數(shù)據(jù)顯示流程來控制數(shù)據(jù)顯示的數(shù)量。數(shù)據(jù)顯示流程如圖5所示。
[0075]大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，并且可以實現(xiàn)左右拖動、上下滑動、細(xì)節(jié)分析、數(shù)據(jù)標(biāo)注等功能。
[0076]④數(shù)據(jù)時域頻域處理線程
[0077]時域處理包括前期濾波，數(shù)據(jù)緩變檢測，數(shù)據(jù)突變檢測，數(shù)據(jù)閾值檢測等功能。頻域處理首先應(yīng)通過快速傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域，由于快速傅里葉變換計算量巨大，需要在時域數(shù)據(jù)中進(jìn)行二次數(shù)據(jù)抽取后進(jìn)行快速傅里葉變換。針對快速傅里葉變換的結(jié)果進(jìn)行分析和處理，針對直流分量和高頻分量進(jìn)行監(jiān)測以提取信號頻域特征。
[0078]由于數(shù)據(jù)采集的速率非?？?，有可能產(chǎn)生毛刺等現(xiàn)象。為了防止高速數(shù)據(jù)采集時異常數(shù)據(jù)對判別結(jié)果的影響，對數(shù)據(jù)流處理之前需要對其進(jìn)行濾波處理，消除掉毛刺突變等異常數(shù)據(jù)。根據(jù)不同工作條件下的數(shù)據(jù)采集，選擇不同的濾波器，以免有用數(shù)據(jù)被濾掉。
[0079]數(shù)據(jù)閾值檢測針對濾波后的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行，如果某個數(shù)據(jù)出現(xiàn)了高出或低于設(shè)定閾值的情況，則在主界面提示用戶出現(xiàn)了閾值報警。
[0080]數(shù)據(jù)緩變檢測根據(jù)所設(shè)定的緩變時間檢測時長，對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對。如果超過緩變閾值則認(rèn)為在一定時間內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩變現(xiàn)象，則在主界面通知用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩變檢測。
[0081 ] 數(shù)據(jù)突變檢測針對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若數(shù)毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)之差超過了突變閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，同樣在主界面提示用戶，某項參數(shù)可能出現(xiàn)了突變，請用戶注意觀察數(shù)據(jù)。[0082]數(shù)據(jù)的時域檢測僅僅針對時域數(shù)據(jù)的閾值、緩變時間等對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測和約束，對于信號變化的快慢、所含頻率成分的大小等信息則無能為力。為此我們添加了頻域處理模塊對數(shù)據(jù)的頻域信息進(jìn)行檢測，本項目中使用的頻域檢測方法為FFT(Fast FourierTransformation,快速傅里葉變換)。
[0083]由于快速數(shù)據(jù)采集所得的數(shù)據(jù)較多，若都進(jìn)行FFT則運算量太大，計算機(jī)處理速度無法實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的FFT處理，所以要進(jìn)行二次抽取，如果設(shè)定為每100個數(shù)據(jù)點抽取一個數(shù)據(jù)那就是按照時間順序每隔100個數(shù)據(jù)取一個點，直至取128/256/512/1024個數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，將數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。本項目中設(shè)定的二次抽取結(jié)果可實現(xiàn)每秒64、128、256、512、1024個點的快速傅里葉變換。
[0084]根據(jù)快速傅里葉變換的結(jié)果對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果直流部分出現(xiàn)較大差異則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象。如果某高頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了高頻信號，如果某低頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了緩變信號，具體信號與實際工況和故障的對應(yīng)在后續(xù)的工作中將通過實驗和故障信號分析的方式來解決。
[0085]圖9所示為信號的頻域表示界面，信號的頻域表示可以從能量的角度來反映信號的特征及其變化情況。
[0086]本發(fā)明可以實現(xiàn)200KHZ的數(shù)據(jù)處理速度，保證硬件系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確的傳輸至上位機(jī)中，并進(jìn)行時域頻域的分析處理和操作。
[0087]為驗證本發(fā)明的方法，首先進(jìn)行了實驗室測試。采用函數(shù)信號發(fā)生器模擬信號源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通過正弦波、方波、三角波、鋸齒波和任意波形來模擬現(xiàn)場鉆井?dāng)?shù)據(jù)的模擬輸入，通過方波來產(chǎn)生脈沖信號。通過不同頻率信號來模擬錄井工程參數(shù)的緩變、突變、異常、超閾值等現(xiàn)象，進(jìn)而檢測軟件處理程序的有效性和可靠性。實驗室測試的方式如圖10所示。
[0088]實驗室測試針對不同的測試對象設(shè)計相應(yīng)的實驗。首先是判定數(shù)據(jù)采集精度，根據(jù)不同采集頻率進(jìn)行精度的判別。實驗采用函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的方波，通過設(shè)定不同的采集頻率，對比理論高電平點和采集到的高電平點來測試本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度。實驗結(jié)果如表1所示。
[0089]表1數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)采集精度測試(一)
[0090]
【權(quán)利要求】
1.一種錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，其特征是， 錄井儀采集大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩各自的電流信號和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的電壓脈沖信號，錄井儀將采集的三路4~20mA電流信號送入信號分配器，將采集的電壓脈沖信號送入光電耦合器； 信號分配器將三路電流信號轉(zhuǎn)化為三路電壓信號與光電耦合器采集的電壓脈沖信號分別送入數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊按照最高200kHz對三路電壓信號進(jìn)行采樣，按照最高IOkHz對電壓脈沖信號進(jìn)行米樣； 數(shù)據(jù)采集模塊對采集的三路電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號與采集的電壓脈沖信號送入上位機(jī)； 上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； 信號分配器和光電耦合器同時還與直流電源連接。
2.如權(quán)利要求1所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，其特征是，所述信號分配器為全隔離雙輸出信號分配器，串接錄井儀電流輸出端，在其輸出端跨接高精度電阻，將輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入數(shù)據(jù)采集模塊。
3.如權(quán)利要求1所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，其特征是，所述光電耦合器并聯(lián)在錄井儀電壓脈沖信號輸出端；當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為高電平時，輸入端管腳間的發(fā)光二級管導(dǎo)通發(fā)光，激勵輸出端管腳之間的光敏原件，使輸出端管腳導(dǎo)通，則輸出低電平；當(dāng)輸入的電壓脈沖信號為低電平時，輸入端管腳間的發(fā)光二極管不導(dǎo)通，輸出端管腳關(guān)斷，則輸出高電平，從而將電壓脈沖信號傳遞到數(shù)據(jù)采集模塊采集端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和電平的隔離。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)，其特征是，所述信號分配器、光電稱合器和直流電源置于防爆電氣控制箱內(nèi)，信號分配器、光電稱合器通過共地屏蔽的多芯電纜將各自采集的信號送入數(shù)據(jù)采集模塊。
5.一種權(quán)利要求1所述錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征是，它采用多線程方式，對采集的大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩的信號分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和讀取線程、數(shù)據(jù)存儲線程、數(shù)據(jù)顯示線程和數(shù)據(jù)時域頻域處理線程中；其中， 數(shù)據(jù)采集和讀取線程，上位機(jī)采用中斷方式讀取數(shù)據(jù)采集模塊的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以及脈沖電壓的計數(shù)信號； 數(shù)據(jù)存儲線程，根據(jù)時間參數(shù)設(shè)定不同的數(shù)據(jù)存儲周期，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和查詢； 數(shù)據(jù)顯示線程，利用iplot控件通過讀取緩存數(shù)據(jù)以及讀取顯示時間參數(shù)，按照設(shè)定的時間參數(shù)顯示大鉤負(fù)荷、立壓、扭矩、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左右拖動、上下滑動、細(xì)節(jié)分析、數(shù)據(jù)標(biāo)注中的至少一種； 數(shù)據(jù)時域頻域處理線程，時域處理包括前期濾波，數(shù)據(jù)緩變檢測，數(shù)據(jù)突變檢測，數(shù)據(jù)閾值檢測；頻域處理首先應(yīng)通過快速傅里葉變換將時域信號轉(zhuǎn)換到頻域，針對快速傅里葉變換的結(jié)果進(jìn)行分析和處理，針對直流分量和高頻分量進(jìn)行監(jiān)測以提取信號頻域特征，如果直流部分出現(xiàn)較大差異則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，如果某高頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了高頻信號，如果某低頻段超過了設(shè)定閾值則認(rèn)為出現(xiàn)了緩變信號，根據(jù)具體信號與實際工況和故障的對應(yīng)在后續(xù)的工作中進(jìn)行處理。
6.如權(quán)利要求5所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)采集和讀取線程中，數(shù)據(jù)采集模塊初始化后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，分別將采集的模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后存入存儲器內(nèi)的至少一個指定區(qū)域同時將電壓脈沖信號進(jìn)行計數(shù)后存入計數(shù)器，待某一指定區(qū)域存滿后，產(chǎn)生中斷信號，停止向該區(qū)域的存儲；然后給該區(qū)域內(nèi)的每一條數(shù)據(jù)附上接收時間點，按照設(shè)定的數(shù)據(jù)格式與計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)一并存入緩存；之后清空該區(qū)域后繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，等待下一中斷的產(chǎn)生。
7.如權(quán)利要求5所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)存儲線程中，數(shù)據(jù)入庫存儲操作首先在初始化后啟動數(shù)據(jù)讀取流程，此時檢查緩存中是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)則進(jìn)行讀取，根據(jù)時間參數(shù)的不同設(shè)定不同的數(shù)據(jù)存儲周期；當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)個數(shù)滿足時間參數(shù)時，則將此數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)入庫鏈表進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；之后繼續(xù)讀取緩存數(shù)據(jù)，當(dāng)緩存中無數(shù)據(jù)時則進(jìn)行等待。
8.如權(quán)利要求5所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征是，所述數(shù)據(jù)存儲線程中，查詢是根據(jù)時間對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，并且能夠?qū)v史數(shù)據(jù)導(dǎo)出為Excel或者繪制歷史曲線。
9.如權(quán)利要求5所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征是，所述時域處理中的濾波過程為根據(jù)不同工作條件下的數(shù)據(jù)采集，選擇不同的濾波器，消除變異常數(shù)據(jù)，以免有用數(shù)據(jù)被濾掉； 數(shù)據(jù)緩變檢測根據(jù)所設(shè)定的緩變時間檢測時長，對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對；如果超過緩變閾值則認(rèn)為在一定時間內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)據(jù)緩變現(xiàn)象，則在主界面通知用戶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩變檢測； 數(shù)據(jù)突變檢測針對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若數(shù)毫秒內(nèi)的數(shù)據(jù)之差超過了突變閾值，則認(rèn)為出現(xiàn)了突變現(xiàn)象，同樣在主界面提示用戶，某項參數(shù)可能出現(xiàn)了突變，請用戶注意觀察數(shù)據(jù)； 數(shù)據(jù)閾值檢測針對濾 波后的每一個數(shù)據(jù)進(jìn)行，如果某個數(shù)據(jù)出現(xiàn)了高出或低于設(shè)定閾值的情況，則提示用戶出現(xiàn)了閾值報警。
10.如權(quán)利要求5所述的錄井工程參數(shù)數(shù)據(jù)快速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理方法，其特征是，所述頻域處理中，在時域數(shù)據(jù)中進(jìn)行二次數(shù)據(jù)抽取后進(jìn)行快速傅里葉變換；二次抽取是指按照時間順序，每間隔一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，即抽取一個數(shù)據(jù)，直至取64或128或256或512或1024個數(shù)據(jù)后進(jìn)行快速傅里葉變換，將數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。
【文檔編號】E21B44/00GK103939081SQ201410190585
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】張亞南, 孫偉峰, 孫洪濤, 李立剛 申請人:中國石油大學(xué)(華東)