非常态无线硫化氢监测系统是独立于钻井现场其他硫化氢监测的系统, 一般在井场的四个角落布置四个传感器, 其总体设计框图如图1所示, 包括无线主机、无线从机、无线中继、硫化氢传感器、无线声光报警器、监测软件、计算机等。系统具有可移动性强、组网方便、受地理环境因素干扰较小等优点^[7]。

图1

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	图1 总体设计框图

无线主机负责所有传感器数据及相关命令的转发, 不对数据进行任何处理。为了设计的便捷性, 无线主机接收到的数据通过USB线传输至计算机, 同时USB线给无线主机提供电源, 在内部通过一块USB转TTL的芯片实现外部USB和内部微处理器的通信, 这样既能实现可靠的数据通信, 又实现了USB通信的便捷性。系统支持多主机同时工作, 能够实现多主机同时在线监测, 满足数据备份和远程监测需求。

无线从机与硫化氢传感器相连接, 并给传感器提供电源, 主要功能是实时采集传感器数据, 并将采集到的数据进行处理, 然后通过无线方式发送到无线主机。无线从机采用锂电池供电, 为实现同样体积电池容量最大化, 采用单节锂电池并联增大容量的方式实现。采用低压差线性稳压器对从机内部单片机核心电压降压, 以实现电量利用最大化, 对于传感器供电高于单节锂电池电压的情况, 采用升压方式实现, 从而使电源的管理比较合理, 既实现了低压系统核心电压的稳定, 又满足了高电压传感器的供电需求。无线从机电源设计如图2所示。

图2

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	图2 无线从机电源设计图

为实现传感器可连续长时间工作的功能, 无线从机采用低功耗技术设计, 主要体现在以下两方面:一是微处理器的低功耗设计, 首先对微处理器未使用的外设进行关闭, 其次在保证速度满足要求的情况下降低系统的主频率; 二是微处理器和无线传输模块的定时休眠设计, 无线从机发送数据采用定时方式, 在一个数据采集和发送周期内, 微处理器采集数据并处理后通过无线通信方式发送, 数据传输完成后微处理器和无线传输模块立刻进入休眠模式, 同时定时器开启, 在定时器达到所设时间后, 系统由外部晶振唤醒进行下一周期的数据采集和发送。通过以上两方面的低功耗设计, 无线从机整体功耗低, 连续工作时间可满足非常态情况下硫化氢监测要求。

无线中继在无线主机和无线从机通信过程中选择一条最优路径传输数据。在无线从机和无线主机被遮挡或距离较远时, 导致信号较差, 可在适当位置增设无线中继以保证数据传输的稳定性。无线中继必须实时转发数据, 要求中继节点不能进入休眠状态, 但为了满足系统的低功耗设计, 中继转发采取微处理器定时休眠和无线传输模块实时工作的方式。中继的数据转发无需微处理器参与, 微处理器在定时发送数据后进入休眠状态, 仅显示中继节点的工作状态, 如信号强度、电池电量等信息。

常态下, 无线主机和无线从机在可视范围内传输距离为1.5 km左右。在非常态情况下, 由于井场已无人值守, 此时要在几公里外的地方查看现场硫化氢的浓度情况, 就需要在无线主机和无线从机之间设置中继节点, 每加一级中继节点传输距离会延长1.5 km左右。中继级数可按监测距离的需求添加, 但每加一级路由, 数据传输相应会有延时增加, 为了数据传输稳定和监测的实时性, 在满足监测距离的情况下应尽量减少中继节点的布置。

为了在出现硫化氢气体时, 现场工作人员能够及时发现和安全撤离, 设计了一款声音大、亮度高的无线声光报警器, 该报警器由报警节点和声光报警器组成。报警节点要实时接收所有传感器的硫化氢数据, 相较于无线从机, 声光报警节点功耗较大, 必须处于实时工作模式, 不允许休眠。一旦其中有一个硫化氢传感器的硫化氢浓度值超过所设定的报警阈值, 则报警节点驱动声光报警器报警, 直到硫化氢浓度值降到所设阈值以内停止报警。报警节点采用锂电池供电, 同时为声光报警器提供电源, 因报警节点核心电压是低压, 而声光报警器是高压并且功耗大, 为了整个无线硫化氢监测系统的电源统一, 所有电源均采用单节锂电池并联的方式, 因此设计一款放电电流大、低电压升高、输出电流大的电路是无线声光报警器的关键。无线声光报警器电源电路设计如图3所示。一方面因低电压升到高电压大电流时锂电池的放电电流大, 要做好锂电池的保护工作, 需采用大功率MOS管(金属氧化物半导体场效应晶体管), 使放电电流能够达到10 A以上, 并在锂电池出现过度放电、过度充电和短路的情况下都会及时地断开锂电池与充电器或负载的连接, 从而有效保护锂电池的安全; 另一方面在声光报警器启动的瞬间, 瞬时冲击非常大, 必须采取一定措施抑制瞬时冲击, 否则报警节点的核心电压会受到严重影响, 甚至导致微处理器停止工作。因此, 高电压大电流电路的设计要考虑诸多因素, 如电子元件的布局、电气线路的布线、各种电源之间的隔离等因素。

图3

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	图3 无线声光报警器电路设计图

采集监测软件实现现场硫化氢传感器信号的实时采集、显示、存储, 通过分布在钻井现场各指定位置的无线硫化氢传感器, 实时监测有害气体浓度值, 提供各种监测管理和警报工具, 有效保障钻井现场的环境安全。采集监测软件界面如图4所示, 除了常规的菜单区、工具栏区, 主视图分为三个功能区:数据视图区、曲线视图区、动画视图区。软件的主要功能有:(1)实时采集各通道传感器数据, 精确计算所需时间段的平均数据, 并形成数据库以供查看回放; (2)数据超过设定的报警值时, 系统提示声光报警以警示管理员; (3)系统可实时监测各通道传感器的寿命、标定天数、电池电量、信号强度等, 全面监测各通道传感器运行状态; (4)系统提供U盘实时备份数据、数据导出、PDF曲线导出打印、WITS数据输入输出、LAS格式文件数据导出等功能; (5)系统自动生成日志文档, 详细记录系统运行的时间、状态、异常状况等。

图4

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	图4 采集监测软件界面图示

研制的非常态无线硫化氢监测系统样机在四川邛崃平探X井进行了现场应用。井场布局如图5所示, 在井场入口处面对井架方向, 将井场的四个角落分为右前场、右后场、左前场、左后场。在现场四角分别布置四个无线硫化氢传感器, 在录井仪器房顶放置无线主机1, 通过USB线连接至采集计算机, 在录井仪器房旁边放置无线声光报警器。为测试传输距离及多点监测功能, 在生活区的职工宿舍房顶放置了无线主机2, 在无线主机2和现场四角硫化氢传感器的中间位置放置一台中继节点, 以便增强传感器与无线主机2之间通信的可靠性。所有硬件设备布置到固定位置后, 设备上电, 打开采集监测软件, 此时采集监测软件显示所有传感器数据和曲线等相关信息。现场测试照片如图6所示。

图5

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	图5 测试现场布局图

图6

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	图6 现场测试实景图片

硫化氢监测系统上电, 工作正常, 对右前场、右后场、左前场、左后场硫化氢传感器分别施加50 μ L/L浓度的硫化氢气样, 在采集监测软件上可见右前场、右后场、左前场、左后场硫化氢传感器的数据值分别显示硫化氢浓度的实时值、定时的平均值及定时的最大值, 在数字显示下面对应的曲线区域显示相应的曲线, 同时在软件显示的右边有仪表盘显示, 其界面如图7所示。

图7

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	图7 现场测试采集监测软件界面

软件中硫化氢参数名称、显示位置等参数可自定义设置。在后台数据库中, 每间隔1 s将每个硫化氢传感器的硫化氢浓度值、平均值、最大值等存入数据库, 用户可将数据导出PDF或者以Excel格式的文件另行存储, 同时还可以直接导出到U盘存储。

无线主机和无线从机在可视范围内通信距离能够达到1.5 km, 现场专门进行了测试。将备用的无线主机移到相距1.5 km的地方放置, 中间无遮挡物, 此时备用无线主机数据接收正常。改变备用主机的位置, 如果备用无线主机和无线从机之间有遮挡物, 备用无线主机数据接收即出现大量丢包现象, 此时在无线主机和无线从机之间放置无线中继(无线中继对无线主机和无线从机均可视), 无线主机数据接收恢复正常。在无线主机和无线从机通信不畅时, 适当添加中继节点, 可有效增加通信的可靠性。

无线从机工作在低功耗模式, 正常每秒发送两次数据的状态下, 无线从机和传感器连续工作3个月后, 电池电量还剩20%。由此可见, 无线从机和传感器在正常的工作模式下功耗较低, 完全可以满足连续工作1个月的设计要求。