羅光強(qiáng)， 周 策， 李 揚(yáng)， 陳文俊

(1. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心,四川 成都 611734)

鉆探是地質(zhì)調(diào)查和礦產(chǎn)勘查工作最直接的技術(shù)手段[1]。鉆探行業(yè)與很多其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)不同，鉆井工程在井底，看不見摸不著[2]，缺少很多數(shù)據(jù)支撐，很難用完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)表達(dá)[3]。智能化、自動(dòng)化、信息化是鉆井工程的發(fā)展方向[4]。隨著國(guó)家對(duì)重要資源能源的需求不斷增加，加上找礦難度的不斷加大，鉆井深度的不斷加深，為減少鉆井工程的盲目性[5]，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地完成鉆井參數(shù)的傳輸十分重要。目前，設(shè)計(jì)完善、使用可靠廣泛的無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)都只應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外石油行業(yè)[6]，然而，對(duì)于巖心鉆探行業(yè)來說，研制還處于調(diào)試階段，還未大范圍的推廣應(yīng)用，應(yīng)用也較少[7]，都存在或多或少的問題。因此，在鉆井工程中，對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)、安全、準(zhǔn)確、高效傳輸就顯得十分重要。擬研究一套由無線發(fā)送接收模塊、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復(fù)雜鉆進(jìn)工況識(shí)別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成的深孔智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)智能傳輸、分許存儲(chǔ)、三維顯示、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，解決復(fù)雜、深孔、智能化鉆井參數(shù)傳感器信號(hào)無線傳輸難題。

1 智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)構(gòu)成

智能化鉆井參數(shù)無線傳輸可以通過多種方式組合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸，將現(xiàn)場(chǎng)的多路鉆井參數(shù)通過無線模塊、無線電臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷喾N傳輸方式共同實(shí)現(xiàn)，不需要所有人都在鉆井平臺(tái)上，也可以實(shí)時(shí)了解鉆井現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)參數(shù)，分析現(xiàn)場(chǎng)情況，給出實(shí)時(shí)建議。

智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)可以分為下面幾種方式：基于工控機(jī)的無線傳輸系統(tǒng)、基于單片機(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)、基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)無線傳輸，可以通過這3種無線傳輸系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)近程基地和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控[8]。智能化鉆井參數(shù)無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 智能化鉆井參數(shù)無線傳輸系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Composition of the wireless transmission system for intelligent drilling parameters

2 基于工控機(jī)的無線傳輸系統(tǒng)

基于工控機(jī)的無線傳輸系統(tǒng)是通過虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)編程實(shí)現(xiàn)的，主要功能是實(shí)現(xiàn)20 km范圍內(nèi)的高速無間斷的實(shí)時(shí)傳輸?？梢赃x用2個(gè)E90-DTU(433L37)無線數(shù)傳電臺(tái)即可實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)電臺(tái)發(fā)送，另外一個(gè)電臺(tái)接收。其主要功能是：可以20 km范圍內(nèi)之間的連續(xù)傳輸，高增益吸盤天線，傳輸距離遠(yuǎn)；高速不間斷的實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)；標(biāo)準(zhǔn)的Modbus串口協(xié)議，通信方便；可以通過RS485或者RS232串口連接；遠(yuǎn)距離抗干擾能力強(qiáng)；可以在-40～+85 ℃溫度范圍內(nèi)正常傳輸工作；自動(dòng)適應(yīng)波特率，雙向選擇，收發(fā)一體。無線數(shù)傳電臺(tái)工作原理如圖2所示[9]。

圖2 無線數(shù)傳電臺(tái)工作原理Fig.2 Working principle of wireless digital radio

野外鉆井現(xiàn)場(chǎng)將采集到的傳感器數(shù)據(jù)通過帶有高增益天線的無線發(fā)送電臺(tái)傳輸至20 km范圍內(nèi)的基地，然后基地工控機(jī)進(jìn)行采集、分析、計(jì)算、顯示、存儲(chǔ)，其無線傳輸流程如圖3所示。

圖3 基于工控機(jī)的無線傳輸系統(tǒng)原理Fig.3 Principle of the wireless transmission system based on the industrial computer

發(fā)送接收端都通過LabVIEW軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，即是通過LabVIEW軟件與無線發(fā)送接收電臺(tái)相連，實(shí)現(xiàn)無線傳輸[10]。操作流程：(1)LabVIEW軟件中設(shè)置無線發(fā)送電臺(tái)的串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位等，下一步如果接收到開關(guān)按鈕的數(shù)字信號(hào)，就將數(shù)據(jù)放在一組數(shù)據(jù)中，傳輸至無線發(fā)送電臺(tái)中；(2)通過無線接收電臺(tái)，將20 km范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸至電臺(tái)中，再通過USB串口，讀入LabVIEW軟中；(3)在工控機(jī)端打開“數(shù)據(jù)接收”開關(guān)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。另外，還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)基地采集傳輸多個(gè)野外現(xiàn)場(chǎng)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)。

3 基于單片機(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)

基于單片機(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)主要是應(yīng)用CC2530模塊，運(yùn)用51單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送接收功能。將其中一個(gè)CC2530模塊作為發(fā)送模塊，與傳感器組裝構(gòu)架為一個(gè)整體，將另外一個(gè)CC2530模塊作為接收模塊，通過485或者232轉(zhuǎn)換接頭即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?；趩纹瑱C(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)操作靈活[11]，可以不用電纜線，特別適合深孔或條件復(fù)雜的鉆井現(xiàn)場(chǎng)。

無線傳輸系統(tǒng)的硬件組成有2件CC2530模塊、2件STC12C5A602S單時(shí)鐘周期單片機(jī)、2件最小模塊單片機(jī)、2個(gè)大晶振及數(shù)據(jù)線若干。

基于單片機(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)實(shí)施流程：(1)單片機(jī)模塊設(shè)置，將EA接高電阻20000 Ω，與高電平接通；替換2個(gè)22.1184 Hz晶振；接線串聯(lián)，將單片機(jī)模塊分別與CC2530模塊相連，通電后各自的指示燈亮[12]；(2)單片機(jī)軟件編程，在keil軟件中用C++編程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)；(3)單片機(jī)軟件下載植入，單片機(jī)與PC機(jī)相連通信，在keil軟件中編譯、連接、重新建立，通過STC-ISP軟件，將單片機(jī)的采集存儲(chǔ)軟件下載植入到STC12C5A602S單片機(jī)模塊中。需要說明的是單片機(jī)模塊是TTL接頭，采用TTL轉(zhuǎn)232的轉(zhuǎn)換接頭來連接單片機(jī)，TTL模塊需要單獨(dú)供電，中間2個(gè)接口分別與不帶盆的輸入輸出端口連接[13]；(4)無線發(fā)送接收模塊CC2530設(shè)置，設(shè)置《2530組網(wǎng)透?jìng)骱?jiǎn)易版》，將2個(gè)模塊的波特率都設(shè)置為19200，一個(gè)模塊用EP下載，另外一個(gè)CC2530用PE下載，就可實(shí)現(xiàn)2個(gè)模塊的發(fā)送、接收；(5)再用單時(shí)鐘的單片機(jī)模塊與CC2530模塊通信聯(lián)調(diào)，將其中一個(gè)CC2530模塊作為發(fā)送模塊，與傳感器組裝構(gòu)架為一個(gè)整體，將另外一個(gè)CC2530模塊作為接收模塊，通過485或者232轉(zhuǎn)換接頭與PC機(jī)相連，即可實(shí)現(xiàn)二者之間的通信[14]；(6)無線傳輸通信，利用串口調(diào)試助手或者其他專用軟件即可完成無線傳輸通信。

4 基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸

無線網(wǎng)絡(luò)傳輸可以通過無線衛(wèi)星通信、GPRS/CDMA、無線光纖網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行傳輸，其中，無線光纖網(wǎng)絡(luò)借助虛擬儀器軟件平臺(tái)是最便捷、最快速、最具性價(jià)比的方式[15]。借助虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)可以快速高效的完成測(cè)試、控制，同時(shí)利用LabVIEW軟件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊插件，即可實(shí)現(xiàn)基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸功能[16]。

LabVIEW軟件平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸流程：(1)前期準(zhǔn)備，在有光纖網(wǎng)絡(luò)的野外現(xiàn)場(chǎng)基地，借助虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)，同時(shí)安裝好網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊插件[17]；(2)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，在軟件平臺(tái)中設(shè)置好“Web發(fā)布工具”，輸入VI名稱(傳輸軟件的名稱)及頁眉頁腳等相關(guān)參數(shù)；選擇“顯示器”的查看模式，同時(shí)“啟動(dòng)Web服務(wù)器”按鈕；然后將網(wǎng)頁保存在本地的磁盤中，再生成軟件的HTML(超文本鏈接標(biāo)示語言)鏈接；(3)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)，野外現(xiàn)場(chǎng)基地打開可行性文件或安裝軟件，運(yùn)行Web服務(wù)器，在客戶端按照規(guī)定輸入相應(yīng)的網(wǎng)站，可以查看，同時(shí)也可以控制修改軟件界面，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸[18]，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)牧鞒蘁ig.4 Network remote wireless transmission process

5 科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

深孔智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)多次應(yīng)用于不同的科學(xué)鉆探鉆井現(xiàn)場(chǎng)，并且應(yīng)用在不同類型的鉆探設(shè)備中，經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)均能實(shí)時(shí)傳輸、準(zhǔn)確顯示，滿足科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)需求，提高鉆進(jìn)效率、保障鉆進(jìn)安全，得到現(xiàn)場(chǎng)的好評(píng)。本系統(tǒng)應(yīng)用于山東萊州4000 m科學(xué)鉆探、甘肅金川JCSD-1鉆孔科學(xué)鉆探、安徽銅陵3000 m科學(xué)鉆探等鉆井現(xiàn)場(chǎng)，均取得了良好的應(yīng)用效果。經(jīng)過多次室內(nèi)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，解決了傳輸過程中的bug問題，也使系統(tǒng)逐步完善。甘肅金川JCSD-1鉆孔科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸軟件界面如圖5所示。

圖5鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸
Fig.5Wireless real-time network transmission of drilling parameters

通過無線實(shí)時(shí)傳輸，在網(wǎng)頁中輸入固定的網(wǎng)址，即可訪問鉆井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，了解現(xiàn)場(chǎng)鉆進(jìn)工況，還可以不同地方專家同時(shí)會(huì)診，提出建議意見，優(yōu)化鉆進(jìn)參數(shù)，調(diào)整鉆井工藝?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果達(dá)到設(shè)計(jì)目的，可以滿足不同科學(xué)鉆探現(xiàn)場(chǎng)的需求。

6 總結(jié)

(1)智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)主要由基于工控機(jī)的無線傳輸系統(tǒng)、基于單片機(jī)控制的無線傳輸系統(tǒng)、基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)無線傳輸組成。

(2)采用模塊化編程，主要由無線發(fā)送接收模塊、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、復(fù)雜鉆進(jìn)工況識(shí)別模塊、事故診斷模塊等5大模塊組成。

(3)通過山東萊州4000 m科學(xué)鉆探、甘肅金川JCSD-1鉆孔科學(xué)鉆探、安徽銅陵3000 m科學(xué)鉆探及多次應(yīng)用測(cè)試實(shí)驗(yàn)，證明深孔智能化鉆井參數(shù)無線實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)滿足科學(xué)鉆探野外現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸要求，實(shí)時(shí)便捷，現(xiàn)場(chǎng)適用性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于復(fù)雜、深孔、智能化鉆井現(xiàn)場(chǎng)，滿足深部資源探礦工程的需要，支持國(guó)家重要能源資源勘探工程。