鉆機(jī)起升實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)探討

張浩祥

（江西省核工業(yè)地質(zhì)局機(jī)械研究所）

引言

為了充分掌握鉆機(jī)的相關(guān)工作要領(lǐng)，本文將利用現(xiàn)階段已經(jīng)有的儀器與設(shè)備進(jìn)行分析，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，編輯有效的測(cè)控系統(tǒng)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在計(jì)算機(jī)上以圖形的方式得出數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，分析在細(xì)節(jié)和輔助設(shè)備上是否滿(mǎn)足技術(shù)要求，技術(shù)資料是否合理等。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括對(duì)設(shè)備、軟件等方面的設(shè)計(jì)，在測(cè)控系統(tǒng)當(dāng)中，傳感器可以將速度、溫度等數(shù)據(jù)以信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸，單片機(jī)在接收數(shù)據(jù)之后也能將數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行處理。在系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)是技術(shù)核心，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在計(jì)算機(jī)區(qū)域接受命令，而現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展也可以讓用戶(hù)自行構(gòu)成研究所需要的測(cè)控系統(tǒng)。測(cè)控系統(tǒng)本質(zhì)上看是一種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，需要對(duì)被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)與運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)分析。

1.2 鉆機(jī)起升結(jié)構(gòu)

鉆機(jī)起升結(jié)構(gòu)包括絞車(chē)、天車(chē)、游車(chē)、鋼絲繩等，其中天車(chē)被安放在井架區(qū)域，需要具備一定的承載能力。而天車(chē)和游車(chē)共同組成的滑輪系統(tǒng)還能顯著降低鉆井敢做中發(fā)動(dòng)機(jī)的功率與負(fù)載情況。從鉆機(jī)起升結(jié)構(gòu)的功能來(lái)看，用于完成下鉆作業(yè)，并完成起升工作，作為變速結(jié)構(gòu)而存在[1]。

1.3 傳感器選擇

實(shí)驗(yàn)臺(tái)所選擇的設(shè)備由于技術(shù)原因與設(shè)備質(zhì)量因素需要進(jìn)行全部更換，在某些設(shè)備上需要重新選擇。

傳感器方面，現(xiàn)代傳感器類(lèi)型眾多，選擇時(shí)需要考慮測(cè)量對(duì)象與測(cè)量環(huán)境的差異，包括傳感器量程、引出信號(hào)的方式、測(cè)量方式的差異等。如果在線(xiàn)性范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度較高的前提下，輸出信號(hào)值也會(huì)比較大，可以在處理信號(hào)方面更加簡(jiǎn)便。但靈敏度過(guò)道通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量精度受到影響，且傳感器使用過(guò)程中也需要考慮到延遲帶來(lái)的不利影響。理論上看，傳感器的線(xiàn)性范圍是輸入與輸出的正比例關(guān)系，此時(shí)靈敏度固定，其線(xiàn)性范圍越大，則精度越高，量程越大。具體來(lái)看，在了解被測(cè)功率與工作轉(zhuǎn)速時(shí)，可以按照公式來(lái)計(jì)算扭矩，即：

1.4 測(cè)速發(fā)電機(jī)選擇

測(cè)速發(fā)電機(jī)可以將機(jī)械速度轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)，輸出電壓與輸入轉(zhuǎn)速之間保持正比例關(guān)系，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中可以作為測(cè)速元件來(lái)提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精密地，并廣泛運(yùn)用于速度控制系統(tǒng)當(dāng)中。由于目前的直流測(cè)速發(fā)電機(jī)不存在相位誤差，也無(wú)剩余電壓的影響，得到了相對(duì)廣泛的利用。

1.5 剎車(chē)系統(tǒng)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中多使用帶式剎車(chē)，但由于這種剎車(chē)模式的技術(shù)缺陷，已經(jīng)逐漸地被取代。目前多采用的是液壓盤(pán)式剎車(chē)，即利用液壓來(lái)對(duì)剎車(chē)盤(pán)施加壓力，通過(guò)手柄調(diào)整來(lái)對(duì)剎車(chē)力大小進(jìn)行控制。但需要注意的是由于該技術(shù)操作過(guò)程中無(wú)法根據(jù)手感來(lái)掌握井下鉆頭的實(shí)際工作狀態(tài)，如果出現(xiàn)閥件質(zhì)量問(wèn)題與液壓失壓情況，則可能出現(xiàn)剎車(chē)失靈導(dǎo)致的鉆井事故[2]。

2 鉆機(jī)起升實(shí)驗(yàn)臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

從設(shè)計(jì)原則來(lái)看，軟件開(kāi)發(fā)部分主要包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和處理，重點(diǎn)在參數(shù)設(shè)置與報(bào)警方面進(jìn)行合理規(guī)劃。整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)需要保持程序的穩(wěn)定性，利用模塊化程序設(shè)計(jì)來(lái)分析不同模塊的具體功能，按照程序功能要求繪制流程圖，最終進(jìn)行程序編寫(xiě)和調(diào)試修改工作。目前使用的開(kāi)發(fā)工具包括C++、Matlab、V等，按照實(shí)際的實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作情況，可以選擇LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具，不僅可以讓用戶(hù)界面更加清晰具體，其全面的儀器接口也能簡(jiǎn)化與外界的聯(lián)系。

2.2 軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃

軟件設(shè)計(jì)規(guī)劃需要先進(jìn)行方案建立，將不同的流程圖進(jìn)行組合后建立前面板，按照實(shí)際的功能要求來(lái)選擇需要的對(duì)象，在功能面板上建立同步操作的流程圖。而由于LabView具有模塊化的特征，虛擬儀器可以作為獨(dú)立的運(yùn)行結(jié)構(gòu)，將獨(dú)立的軟件單元制作成標(biāo)準(zhǔn)模塊，以此為基礎(chǔ)組件完整系統(tǒng)。從其功能來(lái)看，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)查詢(xún)和數(shù)據(jù)處理等多個(gè)模塊，其功能性也有顯著差異。另外，數(shù)據(jù)采集之前需要按照變送器信號(hào)頻率和采樣要求來(lái)控制采樣頻率，減少采集信號(hào)失真的情況，并將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)之內(nèi)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理工作。

2.3 系統(tǒng)控制

系統(tǒng)控制模塊可以從參數(shù)設(shè)置入手，程序的主要功能是對(duì)傳感器參數(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)進(jìn)行合理配置，使之符合實(shí)驗(yàn)的基本要求[3]。按照傳感器的設(shè)計(jì)理念，需要對(duì)傳感器量程、閾值進(jìn)行有效設(shè)計(jì)，尤其是報(bào)警閾值的設(shè)計(jì)工作，直接影響到設(shè)備故障時(shí)能夠及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可以通過(guò)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的更改來(lái)獲取符合自身需求的系統(tǒng)運(yùn)行方案。

而報(bào)警程序的設(shè)計(jì)需要考慮到采樣值與報(bào)警閾值之間的比較結(jié)果。鉆機(jī)起升實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的方式來(lái)獲取結(jié)果，但由于井架設(shè)計(jì)的高度有限，實(shí)驗(yàn)臺(tái)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)起升速度過(guò)快，因此需要通過(guò)報(bào)警稱(chēng)許來(lái)確定傳感器在合理測(cè)量范圍內(nèi)展開(kāi)工作。

2.4 通信模塊

通信模塊的作用在于對(duì)計(jì)算機(jī)功能進(jìn)行監(jiān)控，依據(jù)通用的TCP/IP協(xié)議來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。另外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的遠(yuǎn)程管理，在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上查看實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。在Web網(wǎng)絡(luò)之中，客戶(hù)端配置的難度并不高，只需要在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中安裝瀏覽器即可。另外，客戶(hù)窗口中也可以打開(kāi)監(jiān)控程序的界面，瀏覽器通過(guò)HTTP協(xié)議便可以實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)Web服務(wù)器建立間接。而通信模塊中還應(yīng)該包括幫助系統(tǒng)，可以詳細(xì)描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明與系統(tǒng)操作說(shuō)明，利用系統(tǒng)來(lái)完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

3 結(jié)語(yǔ)

本次研究分析了鉆機(jī)起升試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，從硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了優(yōu)化。硬件方面改進(jìn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式，并改變了相關(guān)設(shè)備；軟件方面，對(duì)測(cè)控程序進(jìn)行了編寫(xiě)，完成了對(duì)不同模塊的功能設(shè)計(jì)?？傮w來(lái)看，整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)清晰，可以為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供相應(yīng)的技術(shù)支持。但是在未來(lái)的研究工作中，還需要進(jìn)行一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，例如如何調(diào)整系統(tǒng)信噪比、如何改善絞車(chē)性能與液力變矩器的傳動(dòng)功能等，以此為基礎(chǔ)展開(kāi)更深層次的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，按照模塊化設(shè)計(jì)的思想來(lái)展開(kāi)各項(xiàng)工作。