鉆管夾持裝置控制系統設計

司　冀

（中國飛機強度研究所，西安710065）

0　引言

鉆管夾持裝置在目前的作業過程中，仍需要人工在現場通過手動來操作，工作效率低、多臺協調工作無法完成，尤其在惡劣天氣或異常事件發生時，會直接影響作業工人的人身安全。為解決上述問題，本文研究的鉆管夾持裝置遠程控制系統可對井管進行自動夾持，對關鍵參數進行實時監測。

1　總體方案

鉆管夾持裝置采用單氣缸驅動連桿機構實現對鉆桿或油管的夾持。設計開發的遠程控制系統，對上游氣源壓力進行閉環調節、對夾持裝置動作進行手動/自動程序控制。

具有氣源壓力異常時發出聲光報警功能；可手動或自行設定打開和關閉程序，實現自動運行，以實時曲線監測氣缸兩腔壓力功能；記錄夾持裝置運行數據功能。控制系統主要由傳感器、工控機、單片機和測控軟件組成[1]。可遠程自動/手動對卡盤動作進行操作，并對設備狀態進行監測，方案如圖1所示[2]。

圖1　遠程系統總體方案

2　硬件設計

2.1　串口發送電路

單片機信號的遠程傳輸采用RS-485總線。它具有以下特點[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接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，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，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節點，最大的可以支持到400個節點。

因RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等上述優點就使其成為首選的串行接口。圖2為單片機的RS-485串口發送電路。

圖2　RS-485串口發送電路

2.2　單片機主芯片

單片機主芯片采用ATmega8L-8PC，它是高性能、低功耗的8位AVRR微處理器，先進的RISC結構。此外它還具有8路10位ADC，23個可編程的I/O口，能滿足系統對模擬信號采集，輸出開關量控制信號的要求，各引腳配置見圖3.

圖3ATmega8L-8PC芯片引腳配置

2.3　控制繼電器開關電路

圖4為控制繼電器開關電路，通過輸入開關量，可將24 V回路接通或斷開，進而使電磁閥換向[5]。

圖4　單片機電路原理圖

圖5　測控軟件結構與流程圖

采用LabVIEW軟件編寫的前面板如圖6所示。

圖6　測控軟件Labview程序界面

3　軟件設計

工控機上的測控軟件可選用很多編程語言編寫，本文采用NI公司LabVIEW軟件為開發平臺。通過一個循環采樣分析信號數據，先通過A/D采樣模塊采樣壓力模擬信號，通過標定模塊使采集到的信號轉換成壓力，通過顯示模塊顯示壓力圖形[6]。

測控軟件的結構框圖和程序流程如圖5所示。

圖6中：

區域1：“Visa資源”為信號線插在PC機上的端口選擇，根據所插端口“COM1”、“COM2”可選。

區域2：“AI0”為傳感器所采集到的數據量；

“DI0”為電磁閥是否通電的指示燈，若通電會亮綠；

“DO0”為單片機是否輸出電磁閥通電的信號燈，若輸出通電信號會亮綠；

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

“AI1-3，DI1-3，DO1-3，DO1-3 2”等分別為其他模擬量采集輸入、開關量輸入、開關量輸出及對應的開關量輸出控制按鈕。

區域3：“自動循環”按鈕若按下，程序會根據所填“閥通（斷）電時間”讓單片機輸出電磁閥通斷電信號。

區域4：為傳感器標定模塊。把傳感器所采集到的量根據線性原則轉換成對應的壓力值。

區域5：為報警模塊，根據所填“過（欠）壓報警壓力”，當所采集到的壓力大于（小于）所填過（欠）壓時，會發出聲音，對應的指示燈會亮紅。

圖7為測控軟件內部核心程序框圖，主要功能是對單片機采集來的數據進行分析判斷并以圖形曲線形式進行顯示，發出人工操作指令，對故障進行分析判斷并可以對卡盤運行數據和故障數據進行人工選擇性保存等功能[7]。

圖7　測控軟件內部核心程序框圖

圖8是卡盤自動打開和閉合的運行程序，可通過按鈕選擇進行自動/手動控制切換。通過人工設置打開和閉合的間隔時間，程序按照所設定時間自動運行，實現卡盤無人值守情況下的自動運行[8]。

圖8 自動運行程序模塊圖

圖9是對氣缸壓力實時監控的程序框圖。設定正常壓力范圍，采集到的壓力數據與其進行分析判斷，如有異常則通過聲光報警提示操作人員[9]。

圖9　壓力檢測與報警程序框圖

4　結論

經測試使用，開發的遠程控制系統實現了對夾持裝置夾緊力的精確可調、動作時間的精準可控、數據記錄方便完整，極大降低了現場作業人員人身傷害風險，提高了工作效率。

（1）對遠程控制系統軟硬件進行設計，通過近端數據采集，遠端上位機接收方式，實時監控卡盤運動狀態及各關鍵點壓力數值。

（2）控制軟件有有手動、自動控制卡盤運動程序；自動實時記錄異常狀態并做出故障分析。