鉆管夾持裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

司　冀

（中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安710065）

0　引言

鉆管夾持裝置在目前的作業(yè)過程中，仍需要人工在現(xiàn)場(chǎng)通過手動(dòng)來操作，工作效率低、多臺(tái)協(xié)調(diào)工作無法完成，尤其在惡劣天氣或異常事件發(fā)生時(shí)，會(huì)直接影響作業(yè)工人的人身安全。為解決上述問題，本文研究的鉆管夾持裝置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可對(duì)井管進(jìn)行自動(dòng)夾持，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1　總體方案

鉆管夾持裝置采用單氣缸驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆桿或油管的夾持。設(shè)計(jì)開發(fā)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，對(duì)上游氣源壓力進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)、對(duì)夾持裝置動(dòng)作進(jìn)行手動(dòng)/自動(dòng)程序控制。

具有氣源壓力異常時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警功能；可手動(dòng)或自行設(shè)定打開和關(guān)閉程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，以實(shí)時(shí)曲線監(jiān)測(cè)氣缸兩腔壓力功能；記錄夾持裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)功能?？刂葡到y(tǒng)主要由傳感器、工控機(jī)、單片機(jī)和測(cè)控軟件組成[1]?？蛇h(yuǎn)程自動(dòng)/手動(dòng)對(duì)卡盤動(dòng)作進(jìn)行操作，并對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，方案如圖1所示[2]。

圖1　遠(yuǎn)程系統(tǒng)總體方案

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1　串口發(fā)送電路

單片機(jī)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸采用RS-485總線。它具有以下特點(diǎn)[3-4]：

（1）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2~6）V表示，邏輯“0”表示兩線間的電壓差為-（2~6）V 表示；

（2）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好；

（3）RS-485最大的通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb/s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100 kb/s的傳輸速率下，才可以達(dá)到最大的通信距離，如果需傳輸更長(zhǎng)的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個(gè)節(jié)點(diǎn)，如果使用特制的485芯片，可以達(dá)到128個(gè)或者256個(gè)節(jié)點(diǎn)，最大的可以支持到400個(gè)節(jié)點(diǎn)。

因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等上述優(yōu)點(diǎn)就使其成為首選的串行接口。圖2為單片機(jī)的RS-485串口發(fā)送電路。

圖2　RS-485串口發(fā)送電路

2.2　單片機(jī)主芯片

單片機(jī)主芯片采用ATmega8L-8PC，它是高性能、低功耗的8位AVRR微處理器，先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)。此外它還具有8路10位ADC，23個(gè)可編程的I/O口，能滿足系統(tǒng)對(duì)模擬信號(hào)采集，輸出開關(guān)量控制信號(hào)的要求，各引腳配置見圖3.

圖3ATmega8L-8PC芯片引腳配置

2.3　控制繼電器開關(guān)電路

圖4為控制繼電器開關(guān)電路，通過輸入開關(guān)量，可將24 V回路接通或斷開，進(jìn)而使電磁閥換向[5]。

圖4　單片機(jī)電路原理圖

圖5　測(cè)控軟件結(jié)構(gòu)與流程圖

采用LabVIEW軟件編寫的前面板如圖6所示。

圖6　測(cè)控軟件Labview程序界面

3　軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)上的測(cè)控軟件可選用很多編程語言編寫，本文采用NI公司LabVIEW軟件為開發(fā)平臺(tái)。通過一個(gè)循環(huán)采樣分析信號(hào)數(shù)據(jù)，先通過A/D采樣模塊采樣壓力模擬信號(hào)，通過標(biāo)定模塊使采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成壓力，通過顯示模塊顯示壓力圖形[6]。

測(cè)控軟件的結(jié)構(gòu)框圖和程序流程如圖5所示。

圖6中：

區(qū)域1：“Visa資源”為信號(hào)線插在PC機(jī)上的端口選擇，根據(jù)所插端口“COM1”、“COM2”可選。

區(qū)域2：“AI0”為傳感器所采集到的數(shù)據(jù)量；

“DI0”為電磁閥是否通電的指示燈，若通電會(huì)亮綠；

“DO0”為單片機(jī)是否輸出電磁閥通電的信號(hào)燈，若輸出通電信號(hào)會(huì)亮綠；

“DO0 2按鈕”控制單片機(jī)是否輸出電磁閥通電信號(hào)，若按下（亮綠）程序會(huì)讓單片機(jī)輸出電磁閥通電信號(hào)，若單片機(jī)沒問題“DO0”也會(huì)亮綠，若電路總開關(guān)通著電源接通，電磁閥沒問題，“DI0”也會(huì)跟著亮綠；

“AI1-3，DI1-3，DO1-3，DO1-3 2”等分別為其他模擬量采集輸入、開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出及對(duì)應(yīng)的開關(guān)量輸出控制按鈕。

區(qū)域3：“自動(dòng)循環(huán)”按鈕若按下，程序會(huì)根據(jù)所填“閥通（斷）電時(shí)間”讓單片機(jī)輸出電磁閥通斷電信號(hào)。

區(qū)域4：為傳感器標(biāo)定模塊。把傳感器所采集到的量根據(jù)線性原則轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的壓力值。

區(qū)域5：為報(bào)警模塊，根據(jù)所填“過（欠）壓報(bào)警壓力”，當(dāng)所采集到的壓力大于（小于）所填過（欠）壓時(shí)，會(huì)發(fā)出聲音，對(duì)應(yīng)的指示燈會(huì)亮紅。

圖7為測(cè)控軟件內(nèi)部核心程序框圖，主要功能是對(duì)單片機(jī)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷并以圖形曲線形式進(jìn)行顯示，發(fā)出人工操作指令，對(duì)故障進(jìn)行分析判斷并可以對(duì)卡盤運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)進(jìn)行人工選擇性保存等功能[7]。

圖7　測(cè)控軟件內(nèi)部核心程序框圖

圖8是卡盤自動(dòng)打開和閉合的運(yùn)行程序，可通過按鈕選擇進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)控制切換。通過人工設(shè)置打開和閉合的間隔時(shí)間，程序按照所設(shè)定時(shí)間自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)卡盤無人值守情況下的自動(dòng)運(yùn)行[8]。

圖8 自動(dòng)運(yùn)行程序模塊圖

圖9是對(duì)氣缸壓力實(shí)時(shí)監(jiān)控的程序框圖。設(shè)定正常壓力范圍，采集到的壓力數(shù)據(jù)與其進(jìn)行分析判斷，如有異常則通過聲光報(bào)警提示操作人員[9]。

圖9　壓力檢測(cè)與報(bào)警程序框圖

4　結(jié)論

經(jīng)測(cè)試使用，開發(fā)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)夾持裝置夾緊力的精確可調(diào)、動(dòng)作時(shí)間的精準(zhǔn)可控、數(shù)據(jù)記錄方便完整，極大降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，提高了工作效率。

（1）對(duì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過近端數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)端上位機(jī)接收方式，實(shí)時(shí)監(jiān)控卡盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及各關(guān)鍵點(diǎn)壓力數(shù)值。

（2）控制軟件有有手動(dòng)、自動(dòng)控制卡盤運(yùn)動(dòng)程序；自動(dòng)實(shí)時(shí)記錄異常狀態(tài)并做出故障分析。