基于單片機(jī)控制的自動清蠟絞車研發(fā)

趙冬梅，萬立中，張 冠，宋維康，來旭輝，許賢厚，馬英杰

（1.新疆大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；3.新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

油井清蠟是石油產(chǎn)業(yè)中的一項(xiàng)重要作業(yè)，是保證油井正常工作、提高油井產(chǎn)量的重要方法。現(xiàn)在油井清蠟方法主要有：熱洗清蠟、沖刷管套、檢泵清蠟、化學(xué)清蠟、聲波防蠟、機(jī)械清蠟等［1］。自噴井大多采用機(jī)械清蠟，即采用清蠟絞車清蠟。新疆克拉瑪依自噴井油田大多使用的是新疆第三機(jī)床廠研制的第2代自噴井電動清蠟絞車，該絞車在油田得到了廣泛的推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益［2］。但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該絞車仍然存在自動化程度較低、刮蠟不干凈、計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確、排絲紊亂等問題。針對這些問題，本文將從動作及功能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電控設(shè)計(jì)、系統(tǒng)調(diào)試及程序驗(yàn)證4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

1 動作及功能分析

新試制的基于單片機(jī)控制的電動清蠟絞車（以下簡稱絞車）結(jié)構(gòu)［3］如圖1所示。在絞車工作過程中，傘形刮蠟裝置上下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)刮蠟，刮蠟遇到的阻力通過鋼絲繩直接傳給裝有S型拉力傳感器的承重測壓裝置，拉力傳感器輸出的電信號再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號之后傳給單片機(jī)［4］。當(dāng)實(shí)時(shí)阻力值超過預(yù)設(shè)阻力值時(shí)，單片機(jī)通過外圍電路控制電機(jī)反轉(zhuǎn)ts（t為預(yù)設(shè)值）使刮蠟片向下運(yùn)動，然后再正轉(zhuǎn)使刮蠟片向上運(yùn)動，往復(fù)m次（m可由工作人員自行設(shè)定）。如果仍然阻力較大，就關(guān)閉電機(jī)，讓該機(jī)組處于待機(jī)節(jié)能狀態(tài)，同時(shí)向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送該臺清蠟絞車的機(jī)組號及故障信息，通知工作人員前來檢查排除故障。為了防止因拉力傳感器故障無法檢測拉力而導(dǎo)致斷絲或亂絲，在限位保護(hù)裝置上設(shè)有限位開關(guān)，當(dāng)鋼絲繩上的拉力超過允許值范圍時(shí)，會觸動限位開關(guān)觸頭，控制電機(jī)停轉(zhuǎn)并向遠(yuǎn)程主機(jī)發(fā)送該臺清蠟絞車的機(jī)組號及故障信息。

圖1 清蠟絞車結(jié)構(gòu)示意圖

此外，還專門設(shè)有急停開關(guān)，防止危險(xiǎn)事故的發(fā)生。通過液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前絞車的工作狀況、周圍環(huán)境溫度、下絲深度、計(jì)數(shù)介輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)、當(dāng)前拉力大小等信息，這些信息也會發(fā)送給遠(yuǎn)程主機(jī)以供實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傘形刮蠟裝置片設(shè)計(jì)

刮蠟片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否直接決定了刮蠟的質(zhì)量。現(xiàn)在自噴井油田大多采用如圖2所示的“8”字形刮蠟裝置［5］。

圖2 “8”字形刮蠟裝置

該刮蠟裝置剛性較差，刮蠟過程中容易變形或在井筒形成固定軌道，而且容易發(fā)生頂鉆、卡鉆現(xiàn)象［6］。為此，我們設(shè)計(jì)了傘形刮蠟裝置，見圖3。

圖3 傘形刮蠟裝置

中軸桿安裝在支撐底座上，以中軸桿的中心軸線為中心，支撐底座上旋轉(zhuǎn)分布有若干個(gè)支撐桿，支撐桿的尾端處與中軸桿之間均有連接桿鉸接，支撐底座、中軸桿、支撐桿和連接桿一起構(gòu)成傘狀骨架結(jié)構(gòu)，支撐桿的頂端設(shè)有刮蠟刀刃。

當(dāng)刮蠟裝置下井時(shí)，刮蠟刀刃或支撐桿遇到阻力時(shí)會使連接桿沿著中軸桿向上運(yùn)動，撞到擋塊后保持收縮狀態(tài)，保證刮蠟刀具能夠順利下入油井。當(dāng)刮蠟裝置向上刮蠟時(shí)，因刮蠟刀刃受到向下的阻力，會促使傘形結(jié)構(gòu)張開，刮蠟刃沿著油井管壁向上運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)刮蠟動作。

2.2 排絲機(jī)構(gòu)

絞車鋼絲繩繞得緊密程度、紊亂與否會影響絞車的正常工作狀態(tài)?，F(xiàn)在使用的絞車排絲機(jī)構(gòu)普遍存在亂繩、咬繩、壓繩、壘繩等現(xiàn)象［7］。受電火花線切割機(jī)床單層往復(fù)繞絲機(jī)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了如圖4所示的繞絲裝置。

圖4 繞絲裝置

繞絲裝置具有一字型滑軌的固定底板，在固定底板上設(shè)有由電動機(jī)驅(qū)動的卷筒以及與卷筒豎直方向上并列設(shè)置的往復(fù)絲杠，卷筒和往復(fù)絲杠通過齒輪副連接［8］。當(dāng)電機(jī)帶動卷筒運(yùn)動時(shí)，通過齒輪帶動滾筒下方的往復(fù)絲杠運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)往復(fù)繞絲的目的。往復(fù)絲杠是有兩條旋向相反的螺紋構(gòu)成，滾筒繞絲的行程有往復(fù)絲杠的行程決定。卷筒每轉(zhuǎn)1圈往復(fù)絲杠就前進(jìn)1個(gè)鋼絲繩直徑的距離，并以此確定齒輪副的減速比。選擇合適的齒輪副減速比，就可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)精確繞絲，有效解決了繞絲過程中的各種問題。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電控設(shè)計(jì)是絞車設(shè)計(jì)的另一核心內(nèi)容，合理的電控設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高自動化、保證絞車安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提?；趩纹瑱C(jī)控制的自動清蠟絞車采用Atmel 89S52單片機(jī)為核心控制單元，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、過載保護(hù)、絞車組工作狀態(tài)、無線信號的發(fā)送和接受、液晶顯示鋼絲繩上的拉力大小、螺旋導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)、鋼絲繩下井深度等［9］。其總體控制邏輯框圖見圖5。

圖5 控制邏輯框圖

3.1 傳感測壓模塊設(shè)計(jì)

絞車所用的鋼絲繩直徑為1.5mm左右，其極限應(yīng)力為1 500N／mm。通過對鋼絲繩拉力的動態(tài)檢測來實(shí)現(xiàn)拉力較大時(shí)電機(jī)正反轉(zhuǎn)往復(fù)刮蠟，及拉力達(dá)到設(shè)定極限值時(shí)自動停止工作。

承重測壓裝置見圖6。S形拉力傳感器工作原理：S形拉力傳感器和導(dǎo)向輪固定在一起，鋼絲繩上的拉力大小可以通過導(dǎo)向輪傳給拉力傳感器，單片機(jī)得到拉力數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行相應(yīng)處理，根據(jù)拉力數(shù)據(jù)采取相應(yīng)操作來調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)保證刮蠟的順利進(jìn)行，并將處理好的數(shù)據(jù)送到顯示設(shè)備顯示和發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)。

3.2 限位保護(hù)模塊設(shè)計(jì)

在超負(fù)荷時(shí)，現(xiàn)有裝置采用壓電開關(guān)來控制電機(jī)停轉(zhuǎn)，這種機(jī)械式開關(guān)容易失靈，從而造成工作人員安全問題。鑒于此，設(shè)計(jì)了基于限位開關(guān)原理的過載安全保護(hù)裝置［10］，見圖7。

限位開關(guān)工作原理：當(dāng)機(jī)械動作作用于限位開關(guān)的觸點(diǎn)時(shí)，會引發(fā)限位開關(guān)內(nèi)電位的變化從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動作。

圖6 承重測壓裝置

圖7 限位保護(hù)裝置

其工作過程：當(dāng)鋼絲繩上的拉力過大時(shí)，會帶動重載絞輪和絞輪支架一起向上運(yùn)動；當(dāng)拉力超過設(shè)定值時(shí)，觸碰中軸會觸到限位開關(guān)的觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的急停，然后發(fā)射無線信號通知工作人員前來檢查、維修。

3.3 光電計(jì)數(shù)模塊設(shè)計(jì)

原絞車計(jì)數(shù)器是固定在卷絲筒上的，隨著鋼絲繩在卷絲筒上越繞越多，其直徑也越來越大，造成計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，也無法判斷伸入井中鋼絲繩的長度。為解決這一問題設(shè)計(jì)了如圖8所示的光電計(jì)器裝置。

光電門是一種精密度較高的光敏元件，當(dāng)它的當(dāng)光孔沒有被擋光時(shí)，光電門不計(jì)時(shí)；當(dāng)有物體經(jīng)過它的擋光孔時(shí)，光電門開始計(jì)時(shí)；當(dāng)物體離開擋光孔時(shí)，擋光結(jié)束，光電門停止計(jì)時(shí)［11］。通過把鋼絲繩在螺旋導(dǎo)向輪上纏繞幾圈可以起到防松的效果，同時(shí)在螺旋導(dǎo)向輪上裝有光電門，用以記錄螺旋導(dǎo)線輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)，并以此計(jì)算鋼絲繩下井的深度，通過單片機(jī)控制在液晶顯示屏上顯示導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)并換算出鋼絲繩的下井深度。

4 系統(tǒng)調(diào)試及程序驗(yàn)證

將傘形刮蠟裝置、承重測壓裝置、限位保護(hù)裝置、光電計(jì)數(shù)裝置、排絲機(jī)構(gòu)等其機(jī)械部分連接后的MCU控制的自動清蠟絞車實(shí)物圖見圖9。

圖8 光電計(jì)數(shù)裝置

圖9 機(jī)械結(jié)構(gòu)連接實(shí)物圖

電器控制的電路包括：方波發(fā)生器電路見（圖10）、繼電器電路見（圖11）、整體電路見（圖12）等［12］。

電路控制的主要c程序［13］如下：

圖10 方波發(fā)生器電路

圖11 繼電器電路

圖12 整體電路

經(jīng)過多次試驗(yàn)，該絞車實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確計(jì)數(shù)、精密排絲、動態(tài)顯示拉力大小、遇阻往復(fù)刮蠟、高靈敏度的過載安全保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的功能。

5 結(jié)束語

基于單片機(jī)控制的自動清蠟絞車刮蠟裝置、S形拉力傳感器、安全裝置和精確的排絲計(jì)數(shù)裝置很好地解決了現(xiàn)有產(chǎn)品中存在的問題。無線傳輸模塊的應(yīng)用避免了工作人員要不停地地監(jiān)視絞車運(yùn)行狀態(tài)的不便，減少了油田工作人員的工作量，保證了絞車高效運(yùn)行。單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，使該絞車穩(wěn)定、高效的工作，大大提高了效率、降低了人員工作強(qiáng)度，具有較高的社會及經(jīng)濟(jì)效益。

（

）

［1］王學(xué)忠，喬明全.A油田結(jié)蠟規(guī)律及清蠟方法研究［J］.海洋石油，2009，29（3）：53－56.

［2］焦新民，袁曉東，姚曉平，等.自噴井電動清蠟絞車的研制［J］.石油機(jī)械，2006，34（9）：66－67.

［3］大連理工大學(xué)工程圖學(xué)教研室.機(jī)械制圖［M］.6版.北京：高等教育出版社，2007.

［4］清華大學(xué)電子學(xué)教研組.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.5版.北京：高等教育出版社，2005.

［5］李永軍，陳金森，田維紅，等.新型刮蠟片的改造及其應(yīng)用［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2010（12）：20－21.

［6］張志全，李春燕，于斌，等.ZPGL－1型刮蠟片的改進(jìn)與應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2002，30（增刊）：72－73.

［7］趙振寶，張曉珂.礦用調(diào)度絞車排繩機(jī)構(gòu)的研制［J］.煤炭工程，2008（12）：98.

［8］西北工業(yè)大學(xué)機(jī)械原理及機(jī)械零件教研室.機(jī)械原理［M］.7版.北京：高等教育出版社，2005.

［9］李江全，魏中巖，姚帥，等.單片機(jī)通信與控制應(yīng)用編程實(shí)例［M］.北京：中國電力出版社，2011.

［10］楊欣，張延強(qiáng)，張凱麟.實(shí)例解讀51單片機(jī)完全自學(xué)與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

［11］周勇，李更磊，鄭小平.對光電門測得的瞬時(shí)速度的誤差分析［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2009，29（1）：24－26.

［12］清華大學(xué)電子學(xué)教研組.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［13］譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.4版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.