蘇同發(fā)，張 樸，2，侯軍濤，姜天杰

(1.華中科技大學(xué)人工智能與自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074 ；2.圖像信息處理與智能控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074；3.中海油田服務(wù)股份有限公司油田技術(shù)研究院，北京 101149)

0 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，常規(guī)的電纜測(cè)井儀器已經(jīng)不能滿足海上油田勘測(cè)開發(fā)的要求。隨鉆測(cè)井系統(tǒng)Drilog是中海油服在2014年研制出的隨鉆測(cè)井平臺(tái)，該系統(tǒng)主要由MWD隨鉆測(cè)井儀、工程參數(shù)測(cè)量?jī)x(DSM)、電阻率伽馬測(cè)井儀(ACPR/NGR)等組成，其中MWD系統(tǒng)包括脈沖器和定向測(cè)量探管部分，主要實(shí)現(xiàn)井眼的井斜、方位和工具面角測(cè)量與上傳[1]。定向探管電路是由信號(hào)采集電路(signal conditioning borad,SCB)、電源管理電路(power borad，PB)和主要控制電路(master board,MB)組成。如圖1所示，SCB主要完成加速度、磁通門和溫度等10路傳感器信號(hào)的采集和解算；MB主要完成獲取SCB參數(shù)輸出以及必要的邏輯控制；PB主要通過供電方式的不同進(jìn)行轉(zhuǎn)換從而完成傳感器、SCB和MB的供電。

圖1 探管電路結(jié)構(gòu)

探管電路在隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中負(fù)責(zé)井眼姿態(tài)參數(shù)的采集和上傳到地面IDEAS系統(tǒng)，通過IDEAS系統(tǒng)的解碼和處理后可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)井眼軌跡，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工程可以實(shí)時(shí)根據(jù)監(jiān)控地層的變化做出判斷，更快定位產(chǎn)油的最佳位置[2]。由于其在隨鉆測(cè)井中的重要作用，在定向探管電路研制和生產(chǎn)過程中，需要對(duì)其進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，避免其在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中出現(xiàn)故障導(dǎo)致人力、財(cái)力以及時(shí)間的損失。

1 測(cè)試原理

電子產(chǎn)品的可靠度通常是指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)和規(guī)定的條件下滿足規(guī)定的功能的能力，對(duì)于探管電路而言是在工況環(huán)境下完成一定次數(shù)的測(cè)井任務(wù)的概率。為縮短早期故障期的時(shí)間，在探管電路投入使用前應(yīng)進(jìn)行可靠性篩選試驗(yàn)以及早發(fā)現(xiàn)電路的缺陷并改正，探管電路使用的是高加速應(yīng)力篩選(highly accelerated stress screening，HASS)技術(shù)。

HASS試驗(yàn)主要用于探管電路生產(chǎn)過程中的篩選以提高現(xiàn)場(chǎng)可靠性，通常分為析出篩選和檢測(cè)篩選。析出篩選的范圍是高于上(或下)工作極限的，以達(dá)到時(shí)間壓縮，將電路產(chǎn)品相關(guān)的潛在缺陷轉(zhuǎn)變成明顯的缺陷;檢測(cè)篩選使用的應(yīng)力通常低于析出篩選，用于檢測(cè)出探管電路的明顯缺陷[3-4]。

由于探管電路系統(tǒng)中PB、SCB和MB任何一個(gè)電路故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)故障，故可以將探管電路系統(tǒng)看作串聯(lián)系統(tǒng)。其中Rs(t)為系統(tǒng)可靠度，R1(t)、R2(t)、R3(t)為PB、SCB和MB電路可靠度，則：

Rs(t)=R1(t)R2(t)R3(t)

(1)

探管電路系統(tǒng)的失效分布為

(2)

對(duì)式(2)求導(dǎo)可得到失效分布密度fs(t)，進(jìn)而求得系統(tǒng)的失效函數(shù)λs(t)為

(3)

由式(3)可知系統(tǒng)的可靠度要低于單個(gè)電路的可靠度，因此建立探管電路強(qiáng)度和外部環(huán)境應(yīng)力的干涉模型，如圖2所示。

圖2 探管電路強(qiáng)度-應(yīng)力干涉模型

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)

在HASS測(cè)試過程中，需要時(shí)刻監(jiān)控板間信號(hào)用來衡量電路板的功能有沒有失效。現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案是將探管電路放入HASS試驗(yàn)環(huán)境箱，通過示波器、探管分析儀、直流電源和數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行環(huán)境搭建，針對(duì)PB、SCB和MB不同電路進(jìn)行不同環(huán)境搭建。同時(shí)試驗(yàn)過程中需要人工計(jì)時(shí)并記錄信號(hào)波形，整個(gè)過程需要觀察測(cè)試是否出現(xiàn)異常，在多輪測(cè)試時(shí)耗時(shí)耗力。定向探管電路產(chǎn)品功能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)能夠使得HASS試驗(yàn)自動(dòng)化，減少電路長(zhǎng)時(shí)間在高應(yīng)力環(huán)境下的損傷。

由于HASS試驗(yàn)采取的是循環(huán)應(yīng)力的方式施加，在每個(gè)應(yīng)力作用下都需要進(jìn)行一輪完整的電路測(cè)試，故系統(tǒng)需要具備自動(dòng)循環(huán)測(cè)試PB、SCB和MB電路的能力。PB需要提供可控的直流電源和交流電源并對(duì)板上電源信號(hào)15、-15、5、3.3 V等進(jìn)行采集存儲(chǔ)；SCB需要提供3路加速度、3路磁通門和4路溫度等10路傳感器的模擬信號(hào)輸出和SCB采集后的獲?。籑B需要對(duì)其實(shí)現(xiàn)的邏輯控制進(jìn)行測(cè)試并記錄。此外，如表1所示，系統(tǒng)在軟件交互上需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試、歷史數(shù)據(jù)查看、用戶管理和報(bào)表導(dǎo)出等功能以及最大可同時(shí)測(cè)試3套探管電路的能力。

表1 探管電路功能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)內(nèi)容

探管電路HASS試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)主要由HASS測(cè)試環(huán)境臺(tái)、測(cè)試連接線纜和定向探管電路產(chǎn)品功能自檢測(cè)系統(tǒng)組成，系統(tǒng)包括電路測(cè)試所必要的硬件設(shè)備和良好的人機(jī)交互界面。由于Drilog隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中的多個(gè)電路系統(tǒng)采用自定義的儀器總線(TBus)進(jìn)行通訊，因此為保證測(cè)試系統(tǒng)在電路上的通用性及可擴(kuò)展性，采用測(cè)試柜的形式封裝并使用模塊化的設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

檢測(cè)系統(tǒng)中參數(shù)測(cè)量模塊和模擬輸出模塊由數(shù)據(jù)采集卡組成，其中A/D部分實(shí)現(xiàn)探管電路上的信號(hào)采集，D/A部分實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的模擬輸出。由于采集信號(hào)的幅值差異需要選擇不同采集信號(hào)范圍的采集卡，具體采集卡的型號(hào)及參數(shù)如表2所示。

表2 數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)

數(shù)據(jù)采集卡與上位機(jī)的通信需要的機(jī)箱選用CompactDAQ機(jī)箱——cDAQ-9189，此款機(jī)箱擁有8槽接口，具有體積小、功能齊全、擴(kuò)展性強(qiáng)、以太網(wǎng)通訊等特點(diǎn)。程控電源模塊中直流電源采用KR-100-02型號(hào)電源，利用RS232端口的SCPI協(xié)議與上位機(jī)通信；交流電源使用ANB13-1KVA型號(hào)電源，采用RS485接口的MODBUS通訊協(xié)議與上位及通信。工業(yè)計(jì)算機(jī)使用IPC-710型號(hào)并搭配FPM-7211W型號(hào)工業(yè)顯示器作為中央控制模塊。為保證良好的人機(jī)交互，采用程控繼電器、多色LED顯示燈、自鎖開關(guān)、蜂鳴器等硬件進(jìn)行狀態(tài)提示和報(bào)警監(jiān)控。

3 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

定向探管電路產(chǎn)品功能自動(dòng)檢測(cè)軟件系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)，它具有操作簡(jiǎn)單、即搭即用、功能完善和對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的控制庫(kù)齊全等特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)持久化方面采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)，其具有體積小、操作簡(jiǎn)易和穩(wěn)定等特點(diǎn)，另外對(duì)于一些形式簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)采用LabVIEW提供的ini配置文件進(jìn)行存取。如圖4所示，軟件系統(tǒng)主要由用戶管理、方案管理、系統(tǒng)設(shè)置、自動(dòng)測(cè)試和數(shù)據(jù)查看模塊組成。各模塊中根據(jù)不同的功能需要和數(shù)據(jù)庫(kù)和ini文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以保證數(shù)據(jù)的正確存取。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件功能

軟件系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行采用事件結(jié)構(gòu)和隊(duì)列消息結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)模式，事件結(jié)構(gòu)用來處理前面板用戶的點(diǎn)擊事件，負(fù)責(zé)頁面跳轉(zhuǎn)和指定功能的執(zhí)行；隊(duì)列消息結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)根據(jù)設(shè)置方案進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試的流程管理。不同的設(shè)計(jì)模式解耦設(shè)計(jì)保證測(cè)試系統(tǒng)的多線程并行執(zhí)行。

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的存取

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)有著方便數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)保存安全、易于處理分析和跨平臺(tái)操作靈活等特點(diǎn)。在本系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)用戶基本信息、運(yùn)行方案信息、系統(tǒng)報(bào)警信息、SCB和PB測(cè)試信息等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)庫(kù)文件到數(shù)據(jù)表的自動(dòng)創(chuàng)建以及數(shù)據(jù)表字段和數(shù)據(jù)內(nèi)容的自動(dòng)添加，在LabVIEW中，數(shù)據(jù)庫(kù)的建立是通過ActiveX功能調(diào)用ADOX技術(shù)完成，調(diào)用ADOX Catalog對(duì)象的Create方法根據(jù)SN號(hào)創(chuàng)建唯一數(shù)據(jù)庫(kù)，該方法的ConnectString屬性指定驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)源，一般設(shè)定為“Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;DataSource=數(shù)據(jù)庫(kù)路徑”。

系統(tǒng)使用Database Connectivity工具包訪問數(shù)據(jù)庫(kù)，該工具包封裝了一系列數(shù)據(jù)庫(kù)操作和管理的功能，方便對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)表的建立和修改以及對(duì)數(shù)據(jù)的增刪改查[6]。為了降低程序的繁冗度，將對(duì)不同數(shù)據(jù)的操作方法統(tǒng)一成子VI，在操作數(shù)據(jù)過程中只需指定子VI的輸入?yún)?shù)和對(duì)應(yīng)的條件。以修改配置參數(shù)為例，DB Tools中update data VI中condition接口語句設(shè)置為“where ′唯一標(biāo)志符′=?”，在子VI調(diào)用時(shí)指定配置參數(shù)、時(shí)間、幅值、方案名和唯一標(biāo)志符即可。此外，系統(tǒng)與用戶信息、報(bào)警信息、測(cè)試信息等數(shù)據(jù)庫(kù)主要交互內(nèi)容及condition條件如表3所示。

表3 系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)交互內(nèi)容及條件

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了根據(jù)每套探管電路的SN號(hào)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)文件并在數(shù)據(jù)庫(kù)中建立SCB測(cè)試表和PB測(cè)試表存儲(chǔ)測(cè)試過程對(duì)應(yīng)的信號(hào)外，還會(huì)建立一個(gè)總測(cè)試表，用來記錄探管電路測(cè)試信息。圖5所示為曲線查詢的前面板，在曲線查看過程中，先通過條件查詢總表得到已測(cè)試的探管電路信息，再選擇查看對(duì)應(yīng)的SCB或PB測(cè)試曲線。

圖5 曲線查詢結(jié)果前面板

查詢總測(cè)試表中探管電路結(jié)果信息可通過測(cè)試時(shí)間、SN號(hào)和批次號(hào)3種條件查詢。圖6為通過測(cè)試時(shí)間查詢的程序框圖，程序通過數(shù)據(jù)庫(kù)交互執(zhí)行SQL語句“SELECT * FROM 總測(cè)試表 WHERE時(shí)間>#?# AND時(shí)間<#?#”查詢出記錄并展示到結(jié)果表中，其中?為指定格式時(shí)間。通過SQL語句“SELECT COUNT(*) FROM 總測(cè)試表WHERE時(shí)間> #?# AND時(shí)間< #?#”查詢記錄總條數(shù)。

圖6 根據(jù)時(shí)間查詢程序框圖

查詢出探管測(cè)試信息后，可通過右鍵菜單選擇查看SCB或PB的測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)分為數(shù)據(jù)表查看和曲線圖查看2種方式，在查看過程中可指定時(shí)間間隔查看數(shù)據(jù)點(diǎn)，以模擬加速度X為例，執(zhí)行的SQL語句為“SELECT MIN(時(shí)間),AVG(模擬加速度X) from數(shù)據(jù)表名WHERE id BETWEEN ? AND ?”，?與?之間的差值即為時(shí)間間隔。

3.2 系統(tǒng)并行邏輯實(shí)現(xiàn)

在定向探管電路產(chǎn)品功能自動(dòng)檢測(cè)軟件系統(tǒng)中每個(gè)功能模塊都有單獨(dú)的頁面管理，使用LabVIEW中選項(xiàng)卡實(shí)現(xiàn)界面的切換及按鈕的界面跳轉(zhuǎn)，每個(gè)選項(xiàng)卡標(biāo)簽頁作為一個(gè)功能的顯示。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)執(zhí)行并相互不干擾，如在測(cè)試運(yùn)行過程中可以進(jìn)行歷史測(cè)試數(shù)據(jù)查看及報(bào)表導(dǎo)出。由于LabVIEW是以數(shù)據(jù)流的模式運(yùn)行，每個(gè)數(shù)據(jù)流起始節(jié)點(diǎn)到結(jié)束節(jié)點(diǎn)都可看作一個(gè)線程，因此系統(tǒng)可分為3個(gè)線程運(yùn)行，分別用來控制頁面跳轉(zhuǎn)、處理用戶單擊事件和自動(dòng)運(yùn)行流程控制，其中頁面跳轉(zhuǎn)和用戶單擊事件處理使用事件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式進(jìn)行處理。

隊(duì)列消息結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式處理系統(tǒng)中人際交互、輔助線程實(shí)現(xiàn)電源管理、采集、顯示、控制和報(bào)警等任務(wù)。簡(jiǎn)化邏輯程序框圖如圖7所示，主線程負(fù)責(zé)初始化測(cè)試系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)用戶事件并作出相應(yīng)響應(yīng)、處理并提交測(cè)試結(jié)果和測(cè)試程序退出操作；直流電源線程和交流電源線程負(fù)責(zé)根據(jù)方案輸出電源以及直流交流電源交替供電的切換；采集線程和顯示線程負(fù)責(zé)依照方案對(duì)SCB測(cè)試的模擬信號(hào)進(jìn)行生成以及通過串口讀取并計(jì)算MB信號(hào)值進(jìn)行顯示、對(duì)PB板上電壓信號(hào)進(jìn)行采集及顯示、SCB測(cè)試和PB測(cè)試的切換；PB時(shí)間控制線程用于根據(jù)測(cè)試方案控制PB測(cè)試的時(shí)間以及全部電路的測(cè)試循環(huán)次數(shù)；報(bào)警線程用于實(shí)時(shí)監(jiān)控交流電壓和頻率以及直流電壓和電流有沒有超出設(shè)定值。

圖7 隊(duì)列消息結(jié)構(gòu)程序框圖

將測(cè)試方案中的直流/交流電源輸出參數(shù)及變化時(shí)間、模擬輸出信號(hào)幅值及變化時(shí)間和信號(hào)采集時(shí)間等復(fù)雜控制方案存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，在各自的控制線程中進(jìn)行讀取和處理。對(duì)于一些系統(tǒng)的單值方案采用ini文件的形式進(jìn)行存取，如測(cè)試循環(huán)次數(shù)、循環(huán)等待時(shí)間和是否測(cè)試某一電路等信息。提前設(shè)置好方案信息后，點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕，系統(tǒng)讀取方案并按照規(guī)定的方案自動(dòng)執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)束后提交測(cè)試結(jié)果寫入測(cè)試總表中。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)測(cè)試

為了方便測(cè)試，將硬件設(shè)備組裝在可移動(dòng)的機(jī)柜中，機(jī)柜采用桌式設(shè)計(jì)，機(jī)柜下方設(shè)有萬向輪方便移動(dòng)。試驗(yàn)前需根據(jù)GB/T 29309—2012《電工電子產(chǎn)品高加速壽命試驗(yàn)導(dǎo)則規(guī)范》確定試驗(yàn)的應(yīng)力剖面圖，常見的高加速試驗(yàn)項(xiàng)目有高/低溫步進(jìn)試驗(yàn)、快速溫變循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)步進(jìn)試驗(yàn)和快速溫變循環(huán)與振動(dòng)步進(jìn)綜合試驗(yàn)等[7]，本文以探管電路的HASS試驗(yàn)中的快速溫變循環(huán)與振動(dòng)綜合篩選為例，如圖8所示，探管電路通過夾具固定在環(huán)境箱內(nèi)連接探管測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄探管電路的功能狀態(tài)。

圖8 HASS試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)導(dǎo)則規(guī)范及已有探管電路HALT試驗(yàn)結(jié)果分析，溫度應(yīng)力選取上工作極限和上破環(huán)極限的平均值為溫度上限(即150 ℃)，選取下工作極限和下破環(huán)極限的平均值為溫度下限(即-30 ℃)，溫變速率設(shè)置為略低于工作極限(即30 ℃/min)，循環(huán)施加3次；振動(dòng)應(yīng)力選取工作極限和破環(huán)極限的近似平均值20g持續(xù)施加。HASS試驗(yàn)剖面圖如圖9所示。

圖9 HASS試驗(yàn)剖面圖

根據(jù)探管電路的測(cè)試時(shí)序要求，PB需測(cè)試8 min，包括直流變化輸入測(cè)試4 min和交流變化輸入測(cè)試4 min；SCB測(cè)試需4 min，包括模式設(shè)置1 min和數(shù)據(jù)接收3 min；MB測(cè)試需3 min，進(jìn)行邏輯通斷測(cè)試。測(cè)試總時(shí)長(zhǎng)為15 min。HASS試驗(yàn)剖面中的高溫及低溫應(yīng)力持續(xù)時(shí)間同樣設(shè)置為15 min，探管測(cè)試系統(tǒng)循環(huán)測(cè)試設(shè)為9次，進(jìn)行篩選試驗(yàn)得到試驗(yàn)結(jié)果。

HASS篩選試驗(yàn)的溫度循環(huán)共計(jì)3個(gè)周期，其中每個(gè)周期的時(shí)間約為45 min，選擇第一個(gè)周期的PB上15 V電壓信號(hào)和5 V電壓信號(hào)繪制曲線,如圖10所示。在150 ℃高溫交流變化供電階段14：06時(shí)3套探管電路均出現(xiàn)15 V電壓信號(hào)輸出關(guān)閉現(xiàn)象而5 V電壓信號(hào)正常輸出的現(xiàn)象，并且3個(gè)周期測(cè)試中該現(xiàn)象持續(xù)存在，定位到15 V電壓輸出管理模塊存在高溫失效問題。試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)過專業(yè)工程師分析，確定為MB上15 V控制模塊元器件問題。

圖10 探管PB上15 V和5 V信號(hào)圖

5 結(jié)束語

本文對(duì)隨鉆測(cè)井系統(tǒng)中的探管電路的生產(chǎn)過程中的可靠性試驗(yàn)進(jìn)行了分析，并根據(jù)HASS試驗(yàn)要求及探管電路中PB、SCB和MB的測(cè)試功能設(shè)計(jì)并制造了探管電路自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠滿足3套探管同時(shí)測(cè)試并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的HASS試驗(yàn)剖面圖方案進(jìn)行自動(dòng)循環(huán)測(cè)試，實(shí)時(shí)顯示測(cè)試曲線并記錄保存，最后形成報(bào)表導(dǎo)出。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)搭配HASS試驗(yàn)環(huán)境箱能夠快速調(diào)整方案自動(dòng)進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)探管電路缺陷，節(jié)省了試驗(yàn)準(zhǔn)備與測(cè)試時(shí)間，縮短了試驗(yàn)周期。該系統(tǒng)的投入使用為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)開發(fā)提供一定的參考。