防過沖游車防碰系統(tǒng)設(shè)計

黃 超，張 揚，楊 睿

（1.濱州學(xué)院自動化系，山東濱州256600；2.煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)濟(jì)與信息研究分院，北京100013；3.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京100876） ①

防過沖游車防碰系統(tǒng)設(shè)計

黃 超1，張 揚2，楊 睿3

（1.濱州學(xué)院自動化系，山東濱州256600；2.煤炭科學(xué)研究總院經(jīng)濟(jì)與信息研究分院，北京100013；3.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京100876）①

為了避免游車機(jī)械事故或人身傷害事故的發(fā)生，設(shè)計了一種防過沖游車防碰系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，通過檢測增量編碼器的信號，實現(xiàn)游車在上下移動過程中的實時監(jiān)測，在出現(xiàn)上碰天車、下砸平臺、過速下沖的事故征兆時自動剎車，從而減少鉆井作業(yè)事故的發(fā)生。

防過沖系統(tǒng)；游動滑車；增量式光電編碼器

在鉆井施工和維修作業(yè)中，由于游動滑車（簡稱游車）上碰天車、下砸平臺以及飛車事故時有發(fā)生，如何提高游車的安全控制技術(shù)成為石油鉆井業(yè)安全重點。傳統(tǒng)的游車控制主要是靠司鉆工來控制游車的游動高度和速度［1－2］。游車上行高度均超過井架的二層臺，所以游車的上行高度通?？克俱@工的目測；游車下行速度控制也是靠司鉆工的感覺，當(dāng)游車速度過快，剎車容易失靈，將會產(chǎn)生飛車事故，司鉆工熟練程度決定了鉆井系統(tǒng)的安全系數(shù)。為了提高鉆井系統(tǒng)的安全性，設(shè)計了防過沖游車電子防碰系統(tǒng)，不僅具有防碰、游車高度顯示、速度控制等功能，還有提前報警以及安裝容易等特點。該游車防碰系統(tǒng)采用了增量式編碼器、大存儲量的MCU，結(jié)合鉆井運行及安全的實際需求而研制的，用于自動監(jiān)測井隊在起下鉆作業(yè)時的游車高度，運行速度實施自動監(jiān)測和剎車功能，從而能夠有效防止游車上碰天車、下砸平臺以及飛車事故的發(fā)生。

1 防過沖游車防碰系統(tǒng)組成

1.1 基本原理

在絞車滾筒軸上安裝增量光電編碼器，通過光電編碼器檢測滾筒的轉(zhuǎn)數(shù)，獲取繩索的伸縮量。由天車輪的數(shù)量計算出游車大概的高度值，對游車的運行位置進(jìn)行安全控制。通過光電編碼器單位時間內(nèi)發(fā)送脈沖的數(shù)量，計算滾筒的速度，分析游車是否屬于飛車現(xiàn)象，以便對其進(jìn)行安全控制。

1.2 系統(tǒng)框圖及功能

防碰系統(tǒng)由增量式光電編碼器、系統(tǒng)控制箱、氣源、電磁換向閥、剎車執(zhí)行機(jī)構(gòu)、顯示、報警等組成，如圖1所示?？刂七^程是：增量式光電編碼器將游車的高度信號通過滾筒半徑、動滑輪組數(shù)轉(zhuǎn)換成SSI信號，傳輸?shù)角度胧较到y(tǒng)采集處理單元。由嵌入式系統(tǒng)采集處理單元將信號解碼計算成高度信號，并控制液晶顯示塊以圖形和數(shù)字的方式顯示其準(zhǔn)確高度。然后再判斷是否超過報警值和剎車值，如果游車高度超過報警值，則由嵌入式系統(tǒng)控制報警器報警進(jìn)行聲光報警，如果游車高度超過剎車值，則由嵌入式系統(tǒng)控制電磁閥打開氣源進(jìn)行剎車，完成游車超程控制功能。同樣通過編碼器脈沖數(shù)，檢測滾筒的轉(zhuǎn)速，判斷游車是否飛車，完成游車的過沖控制功能。防碰系統(tǒng)操作界面如圖2所示。

圖1 游車防碰系統(tǒng)硬件組成

圖2 防碰系統(tǒng)操作界面

2 硬件設(shè)計

2.1 增量式光電編碼器信號處理電路

該系統(tǒng)采用TRD－K1024－CS增量式光電編碼器，分辨率為1 024，信號由A和B組成，它們之間的相位差是90°。還有一個1圈標(biāo)定信號C，在編碼器旋轉(zhuǎn)1圈的時候產(chǎn)生1個信號，可以消除編碼器的累積誤差［3］，其信號輸出格式如圖3所示。

圖3 增量式光電編碼器原理

增量型光電編碼器有相位差是90°的A、B兩條信號線，通過A與B的超前或者滯后判斷編碼器的正反轉(zhuǎn)，判斷方向可以使用一個D觸發(fā)器進(jìn)行檢測，A、B作為D觸發(fā)器的輸入信號，D觸發(fā)器的輸出端Q作為編碼器的方向判斷［4］，依此獲取游車是上行還是下行。采用一個與非門檢測編碼器轉(zhuǎn)過的角度，依此獲取游車的高度。硬件電路如圖4所示。

圖4 增量式光電編碼器信號處理電路

2.2 按鍵和液晶驅(qū)動電路

液晶顯示部分采用320240液晶進(jìn)行顯示，外部命令輸入采用輕觸開關(guān)。人機(jī)交互功能實現(xiàn)電路如圖4所示，STC89C516RD＋單片機(jī)接口部分是由并行接口、串行接口、中斷系統(tǒng)、定時／計數(shù)器及時鐘電路等組成。1個8位（P0.0～P0.7）并行端口來用作輸出；RD、WR分別為讀操作信號和寫操作信號，低電平有效；CS為片選信號，低電平有效；A0為I／O緩沖器選擇信號，為1時，寫指令代碼或讀數(shù)據(jù)，為零時，寫數(shù)據(jù)、參數(shù)［5－6］。按鍵和液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 按鍵和液晶顯示電路

系統(tǒng)的狀態(tài)切換鍵，使得系統(tǒng)在工作狀態(tài)和設(shè)置狀態(tài)間進(jìn)行切換。為了避免系統(tǒng)被操作人員誤操作，只有長按設(shè)置按鈕3s以上才能進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，同時在液晶屏的右下方會出現(xiàn)“設(shè)置狀態(tài)”字樣，依此提示操作人員系統(tǒng)處于設(shè)置狀態(tài)。

2.3 掉電保存電路

游車防碰系統(tǒng)可實時記錄游車的位置，當(dāng)鉆井系統(tǒng)停電時，需要保存游車當(dāng)前的高度值，為系統(tǒng)重新上電后，提供高度初始值。掉電保存電路如圖6所示。該系統(tǒng)采用集上電復(fù)位控制、看門狗定時器、降壓管理以及具有塊保護(hù)功能X5045作為數(shù)據(jù)存儲單元。該器件屬于串行EEPROM，具有塊保護(hù)功能的8位結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)通信有一個4線構(gòu)成的SPI總線方式進(jìn)行操作。X5045與MCU連接，CS片選信號、SCK時鐘信號分別與MCU的P1.3、P1.5相連，SI、SO分別進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入和讀取。

圖6 掉電保存電路

3 軟件設(shè)計

圖7 主程序框圖

程序框圖如圖7，主要由初始化程序、主程序、故障處理子程序、參數(shù)設(shè)置、掉電存儲、液晶顯示和報警程序等部分構(gòu)成。系統(tǒng)初始化時，首先用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)初始化設(shè)置，檢查系統(tǒng)配置的EEPROM中是否存在掉電標(biāo)志，若存在掉電標(biāo)志，則將EEPROM中數(shù)據(jù)作為當(dāng)前參數(shù)恢復(fù)，然后執(zhí)行主程序。主程序主要由一個循環(huán)構(gòu)成：正常運行時，程序首先完成計算、控制、異常運行情況的處理功能，如果有裝置發(fā)生故障，則保存故障信息并傳送給主控芯片完成故障處理。同時，程序轉(zhuǎn)到故障處理子程序中執(zhí)行。如果有鍵盤輸入，可進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

4 結(jié)論

1） 防過沖游車防碰系統(tǒng)可精確地檢測游車的位置，確保游車能夠工作在安全的行程內(nèi)。

2） 該系統(tǒng)可以對游車的運行速度進(jìn)行精確檢測和控制，防止游車運行速度過快，產(chǎn)生飛車現(xiàn)象。

3） 人機(jī)界面設(shè)計簡捷，操作簡單，具有較強(qiáng)的抗干擾性。

［1］ 曹維立，鄧 俊.SFP－DG型游車防碰及噸公里綜合指示儀的研制與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2010，39（3）：74－76.

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［3］ 王曉明.電動機(jī)的單片機(jī)控制［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：78－85.

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［5］ 張曉東，計玉芳，蒯申紅，等.基于ISD4004智能語音提示系統(tǒng)設(shè)計［J］.皖西學(xué)院學(xué)報，2008（2）：69－71.

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Design and Implementation of Traveling Block Anti－collision System

HUANG Chao1，ZHANG Yang2，YANG Rui3
（1.Automation Department，Binzhou University，Binzhou256600，China；2.Economy and Information Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing100013，China；3.School of Electronic Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing100876，China）

In order to avoid traveling block accident or personal injury，mechanical accidents，design of a vehicle anti－overshoot－type anti－collision system tour.The system is based on STC89C51micro－controller，by measuring the incremental encoder signals，to realize the ride up and down in the drilling process in real－time monitoring，when there on the touch crane，under the rolling platform，too fast under the red fault，automatic braking thereby reducing drilling engineering safety accidents.

anti－collision system；traveling block；incremental photoelectric encoder

1001－3482（2011）08－0032－04

TE923

A

2010－12－23

黃 超（1981－），男，山東蒼山人，碩士，主要從事電氣自動化與控制系統(tǒng)的研究，E－mail：cst1604＠126.com。