CAN总线技术在ACE智能录井系统中的应用及常见问题分析.doc

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1、 总线技术在 智能录井系统中的应用及常见问题分析陈文生谢红武（ 华北石油局录井公司 ； 中国电子科技集团公司第二十二研究所 ）具有通信速率高、容易实现、性价比高等诸多优点。引言通信距离与波特率 总线采用非破坏 性 总 线 仲 裁 和 帧 内 应 答 机制，在每帧报文的应答场，要求接收报文正确的节 点在应答间 隙 将 发 送 节 点 的 隐 性 电 平 拉 为 显 性 电 平，作为对发送节点的应答。 因为这些过程必须在 一个位时间内完成，所以总线线路延时以及其他延 时之和必须小于位时钟周期。由于这种帧内应 答机制的限制， 总线最大距离和位速率之间存 在一定的关系（表）。表 总线系统任意两节点之间

2、的最大距离传 感 器 采 集 系 统 是 综 合 录 井 仪 的 重 要 组 成 部分，其主要功能是在实时录井过程中实现对综合录 井各种传感器信号的采集，从而实现井深跟踪、钻井 工程参数及钻井液参数的实时监测。综合录井仪的 传感器采集 技 术 经 历 了 从 多 总 线 到 现 场 单 根 总 线（ 总线）的 发 展 历 程。 总 线 技 术 能 够 实现简捷高效的综合录井传感器采集及现场组网， 简化综合录井现场布线工作，提高传感器信号采集 及传输的稳定性和可靠性。 通过对 总线技术 在 智能 录 井 系 统 中 的 设 计 和 应 用 情 况 介 绍， 对现场故障原因进行分析，并提出故障处理

3、措施，便 于现场人员维护仪器，保证录井仪正常工作。 总线技术（）是控制器局域 网络的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一。 近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能 力受到重视，被广泛应用于环境温度恶劣、电磁辐射 强和振动剧烈的工业环境。该项技术为分布式控制 系统，可为各节点之间实时、可靠的数据通信提供强 有力的技术支持。与其他现场总线相比， 总线在综合录井现场，传感器的分布主要集中在钻基金项目：中国电子科技集团公司第二十二研究所科研项目“ 总线数据采集系统”（）陈文生工程师， 年生， 年毕业于华东石油技工学校化探专业。 现在华北石油局录井公司从事设备技术管理工作。 通信地址： 河南省郑

4、州市中原区伏牛路 号。 电话：（）。：位速率（） 最大距离（） 陈文生，谢红武 总线技术在 智能录井系统中的应用及常见问题分析录井工程，（）：摘 要 为提高综合录井传感器采集系统的稳定性和信号传输质量，简化现场安装布线工作， 智能录井 系 统 应用 总线技术实现传感器系统的信号传输。 通过对 总线技术原理和采集方式、设计 方 法 的 介 绍，结 合 仪器现场应用情况及使用经验，对 总线采集系统各类常见故障的原因进行分析，提出了现场故障处理措施， 为综合录井设备操作及维修人员处理 总线采集系统的故障提供了借鉴和参考。关键词 总线 节点 应用 问题分析台、钻井液入口、钻井液出口 个区域，总线布线长

5、度不大于 。由表可以看出，在位速 率情况下总线长度可达 ， 总线技术支持 的传输距离和传输位速率都能够满足综合录井系统 的数据传输要求。采集卡连接。 采集卡也是系统中的一个 节点，在这里作为主节点使用，共有 口（连接 室外模块）和 口 （连 接 室 内 模 块）两 个 通 信 口。采集计算机的主要功能是对 采集模块的 参数进行设置，并通过现场总线网络实时获取 采集模块采集的传感器数据，如绞车脉冲数、压力及 钻井液温度、密度、电导率等数据。 总 线 数 据 采 集 单 元 包 含 了 通 信 防支持的最大节点数采用 总 线 技 术 进 行 组 网 时，网 络 中 所 能 连结的最大节点数主要取决

6、于 驱动器所能驱 动的最小负载 电 阻，同 时 与 驱 动 器 的 最 小 差 动输入 电 阻、终 端 匹 配 电 阻 等 因 素 有 关。 在 智能 录 井 系 统 中， 总 线 线 缆 采 用 符 合 标准的通信 类线缆， 驱动器最小差动 输入电阻为，终端电阻为， 驱动器 所能驱动的最 小 负 载 电 阻 为 。 假 设 总 线 电 阻 为，此时为最坏情况，总线电缆长度（）和节点数（）也存在一定的关系：时， 为；时， 为 ； 时， 为 。 因 此， 在综 合 录 井 现 场 布 线 长 度 不 大 于 情 况 下， 总线 网 络 能 够 支 持 的 最 大 节 点 数 可 以 达 到个以

7、上。 综 合 录 井 现 场 最 多 使 用 几 十 只 传 感 器，只数字量 传 感 器 共 用 个 节 点， 只 模 拟量传感器 共 用 个 节 点，因 而 足 以 满 足 综合录井现场传感器信号采集的要求。雷保护 器、电源防雷保护器、室 内 采 集 模 块、供电电 源 等，室 内 采 集 模 块 可 扩 展，对 室 内、 等气体进行信号采集。通信设置 节点之间的通信采用 协议，可 以完全兼容 协议规范。由于 控制 器的数据缓冲区每次只能接收或发送一帧数据，上 位机内 采集卡与其余 节点的通信方式 采用轮询方式。通信波特率可根据总线长度灵活设 置，默认设置为，支持的最大总线长度可达 以上，

8、 节点数可达个。常见问题分析 总线采集系统在 出 现 问 题 时 不 同 于 传 统的非数字总线，对操作使用人员提出了更高的要求。统但是，只要深 入 了 解 总 线 采 集 系 统 的 工 作 原理和系统组成，合理使用系统配套的诊断软件进行 辅助检测，注意积累经验，就可以及时顺利地处理现 场问题。配套软 件 包 括 系 统 诊 断、通 道 控 制 和 个部分。 其中，系统诊断部分可以 测 试各采集通道连通情况、通信状态等；通道控制部分 可对通信口、采集通道进行交换、开闭等操作； 部分则指的是 采集卡配套的通信端 口、节点状态测试软件。 智 能 录 井 系 统 的 总 线 采 集 系 智 能 录

9、 井 系 统 的 传 感 器 信 号 采 集 采 用 现场总线技术，实现了零漂移、高精度、高可靠 性的数据采集及全数字化传输，同时也简化了系统 的整体布局及结构。 采用 总线技术的传感器 系统由原来的多根总线减少为一根总线，大大简化 了传感器信号采集系统的安装调试及维护工作。 总线采集系统组成 智能录井系统的传感器信号采集系统，即 总线采集系统由 总线井台区接线箱、入 口区接线箱、出口区接线箱、通信线缆、数据采集单 元、计算机（内 置 通 信 卡）、数 据 采 集 软 件 （运 行在采集计算机上）和传感器等部分组成。 在现场 需要增加或减少传感器时，可灵活增加或减少接线 箱中的模块。传感器接线

10、箱内包含了多个 数据采集模 块（俗称“小麻雀”），该模块是一个集变送、控制和通 信功能于一身的现场设备。每个模块作为系统中的 一个节点，通过 总线与采集计算机中的 传感器无信号个别传感器无信号使用“通道控制”软件检查故障传感器对应的通道是否正常开启。检查故障传感器的供电是否正常。 如果以上两条均正常，可用正常的传感器接 到故障传感器的通道上判断是通道问题还是传感器 问题。某一区域同类型传感器均无信号首先判断“通道控制”程序中是否关闭了对应的采集通道。如果通道正常开启，则用“系统诊断”软件中的通道诊断功能测试故障区域的 采集模块是否能正确返回数据帧；如果无法返回数据帧， 则需检查对应模块接线插头

11、是否松动，模块的 地 址设置是否正确，进而判断是模块故障还是接线或 操作设置问题；如果能够正常返回数据帧，则需检查 该区的传感器是否有短路、 电源模块是否出现 故障，从而导致传感器供电异常。拔掉该区所有无信号的同一类型传感器（数 字量或模拟量传感器），然后测量航空插头的、脚 之间的电 压 是 否 正 常 （数 字 量 传 感 器 电 压 为， 模拟量传感器电压为）。如果电压正常则说明 传感器供电没有问题，此时应将传感器逐个往上接， 在接的过程中测量备用通道航空插座的、脚电压 是否正常，进而排除短路的传感器或功耗过大导致 电压下降的传感器；如果电压不正常，则说明电源模 块故障。 如果断定是电源模

12、块故障，应及时更换电源 模块，无备用模块时，可将室内 采集单元抽屉 内的电源模块拿到室外应急使用；如果断定是传感 器短路，查找传感器线缆是否被砸破或拉伤。 如果接上所有传感器后电源供电正常，则断 定为 采集模块故障，需更换 采 集 模 块， 无备用模 块 时，可 用 其 他 接 线 箱 内 或 室 内 的 采集模块临 时 替 代，应 急 使 用，保 证 重 要 参 数 的 采 集。所有 数 字 量、模 拟 量 采 集 模 块 都 是 通 用 的，只需按照说明书设置不同的 地址，就可安装 在不同的接线箱内使用。据帧分析误码情况确定是总线传输问 题 还 是 采集模块问题引起的大钩高度跳变。对应采集

13、绞车信号的 数字量采集模块故障、绞车 接 口 模 块 故 障 也 会 引 起 大 钩 高 度 跳 变。在总线传输误码率极低的情况下，基本可判定为绞车接口板或 采集模块故障，可通过更换 数字量采集模块判断其原因。采集数 据 通 过 总 线 电 缆 传 输 时，如 果 现场干扰严重，可能会引起通信误码，如果漏检也可 引起大钩高度跳变。通信误码漏检可通过软件过滤 和智能判断处理，进而消除大钩高度跳变。大钩高度变化缓慢大钩高度变化缓慢主要是指实时录井、起下钻、接单根等情况下实时软件中显示的大钩高度明显滞后于大钩实际运行速度，导致井深跟踪不准确。 其 主要原因如下：室内或室外 采集模块故障、接线松动、缺

14、失、个别 采集模块的 地址设置不正确等引起的 采集模块无法与上位机正常通信。 这 种情况下会影响系统的采集速度，导致传感器数据 采集过慢，从而影响绞车脉冲数据的及时获取，引起 大钩高度反应缓慢。用“系统诊断”软件的通道测试 功能检查系统内所有 采集模块的数据返回情 况，如果发现有无法返回数据的 采集模块，则 可根据以上几种情况查找具体原因。 如果是计算机病毒或软件问题引起的，可通 过重启采集软件、重启计算机、杀毒等措施解决。大钩高度参数异常变化大钩高度跳变或大钩反映缓慢现象严重影响综 合录井的实时井深跟踪，并会影响到气测数据、岩屑 信息等的井深归位。系统瘫痪系统瘫痪是指实时采集软件运行正常情况

15、下，所有传感器 信 号 无 变 化 或 变 化 极 为 缓 慢 的 故 障 现象。解决该类问题时，首先判断是硬件原因还是软 件原因引起的，检查所有传感器通道是否正常关闭 或开启，特别是要关闭未安装和故障模块对应的通 道。系统瘫 痪 可 能 因 卡 故 障、工 控 机 或 插槽问题、 采集模块故障、 采集模块的拨 码开关设置不正确、采集软件异常等引起。 原因分 析及处理措施如下：重启“实时采集”程序，如不能解决，重启计算 机，仍不能解决时，则进行下一步的故障查找。测试 采 集 卡。 采 集 卡 上 的 通 信 端口故障是引起总线采集瘫痪的主要原因之一，测试前应断开 采 集 卡 与 外 界 的 电

16、 气 连 接，即 拔 下后边的两个 插头（或断开 采集单元的大钩高度跳变大钩高度跳变主要是指在实时录井过程中出现的大钩高度向上或向下较大幅度的跳变现象，具体 原因及处理步骤如下： 采集模 块 的 插 头 接 触 不 良、 通 信 电缆老化、总线电缆航空插头 老 化、 通 信 电 缆 绝缘度不够高、 通信电缆有拉伤等因素均会导 致 总线通 信 误 码 率 增 大，从 而 引 起 大 钩 高 度 跳变。可以通过 软件分析数据帧 的 误码率，具体测试方法是在开启“实时采集”的情况 下同时 打 开 程 序，这 样 将 会 捕 获 到 采集模 块 返 回 的 数 据 帧，再 根 据 返 回 的 数电源）

17、。使用 程 序 对 采 集 卡 两 个 通信口分别进行“自发自收”测试，如果只有一个通信 口可以正常“自 发 自 收”，则 可 断 定 是 采 集 卡 通信口故障；如果两个 口均不能用，则计算机 出现问题的可能性较大（主要是 插槽老化或接 触不良，也可能是主板问题）。 如果室外 口测 试异常，可 用 “通 道 控 制 ”软 件 倒 换 口 和 口， 卡上对应的 接头的硬件连接 也要倒换，保证室外传感器的采集。如果两个 口的测试都正常，则转入下一步测试。测量总线的供电电压是否为 ，如果 供电异常，则拔下 总线电缆，测 量 采 集 单元机箱内的线性电源输出是否正常，确定是否为 室外短路引起的供电异

18、常。 若供电正常，系统故障的原因肯定是总线或 采集模块所致。 可用“系统诊断”软 件 的 通 道 诊断功能首 先 对 室 内 的 采 集 模 块 进 行 测 试， 测试前关 闭 室 外 所 有 通 道。 如 果 室 内 通 道 测 试 异 常，则判定为 室 内 采 集 模 块 故 障 或 接 线 出 现 问题。否则转入下一步。 关 闭 采 集 单 元 机 箱 电 源，测 量 室 外 总线连 接 是 否 正 常。 拔 下 室 内 采 集 单 元机箱后的 总 线 电 缆，测 量 芯 航 空 插 头 的、脚之间的电阻值是否为，同时测量航空插 座的、 脚之间的电阻值是否也为。 如果电 阻值均为，则说明

19、总线连接正常；如果测量不 到室外的 电阻，则说明总线连接异常，应检查 总线是否有砸伤或扭断。 另外，检查每个接线箱内 采集模块的插头是否松动或接触不良，检查最 后一个接线箱上的堵头安装是否正常。排除以上总 线问题 后，重 新 测 量 室 外 总 线 是 否 有 电阻，保证总线连接正常。总线连 接 正 常 后，对 室 外 的 采 集 模 块 进行测试，测试时应首先测试一个接线箱，所以应断 开另 外 两 个 接 线 箱 与 总 线 的 连 接。 如 果 对 单 个 采集模 块 的 测 试 正 常，则 说 明 总 线 连 接 无 问 题。对个接线箱进行单独测试的过程中可确定有 故障的接线箱，再 对

20、故 障 接 线 箱 内 的 采 集 模 块进行单独测试，可先对一个模块进行测试，摘除其 余模块和 总线的连接，这样依次排除，最终可 确定故障模块。障分类情况查找原因，如果确定为硬件故障而手头没有备用配件时，可对现场故障进行应急处理，保证 重要参数的采集。 模 拟 量 采 集 模 块 故 障 时，可 用 室 内 的 模拟量采集模块暂时替代 故 障模块，更 换 采 集模块后要重新设置 地址，同时用“通道控制”软 件关闭室内通道。 电源模块故障时，可用室内的电源模块暂时 替代故障模块，用“通道控制”软件关闭室内通道。数字量采集模块故障时，如无备用模块，可根据情况，将泵冲、转盘转速等设备的采集模块替换

21、调 用，应首先保证绞车信号的采集。泵冲或转盘转速接口板故障时也可用号及 备用泵冲的接口板替代。 采集卡的室外口出现故障时，可将室内的 口调换 给 室 外 使 用，在 “通 道 控 制”软 件 中 同时关闭对应的室内采集通道。 通信防雷模块故障时可将其直接旁路。总线故障或某个接线箱的故障不便当场处理 时，可根据情况首先保证井台区的信号采集。结束语综合录井仪传感器采集系统的组网方式逐步向简捷化、智能化的方向发展， 总 线 采 集 技 术 作 为一种高效的现场组网技术，简化了综合录井的现 场布线工作，提高了信号采集传输的稳定性。 但是 由于综合录井现场环境条件比较恶劣， 总线采 集系统出现问题在所难

22、免。本文介绍的故障现象及 处理方法是作者多年来现场经验的总结，可供录井 技术人员及仪器操作人员借鉴。参 考 文 献饶运涛，邹继军，郑 勇 芸现 场 总 线 原 理 与 应 用技术北京：航空航天大学出版社，阳宪惠现场总线技术及其应用北京：清华大学 出版社，沈红卫基于单片机的智能系统设计与应用 北 京：电子工业出版社，李海友，英宇 编程北 京：人 民 邮 电出版社，现场故障应急处理措施当 采集 系 统 出 现 故 障 时，可 按 上 述 的 故（返修收稿日期编辑 孙继森）， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ：， ， ， ， （ ）， ， ， ， ，（）：， ， ， ， ， ：， ， ， ， ， ， ， ，（）： ， ， ， ， ：， ， ， ： ， ， ， ， ， ， ， ， ，（）： ， ，（）： ， ， ， ：， ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， ， ，（）： ， ， ， ， ，