鉆機起升實驗臺測控系統開發探討

張浩祥

（江西省核工業地質局機械研究所）

引言

為了充分掌握鉆機的相關工作要領，本文將利用現階段已經有的儀器與設備進行分析，將實驗臺系統與計算機進行連接，編輯有效的測控系統，然后對數據進行處理，在計算機上以圖形的方式得出數據處理的結果，分析在細節和輔助設備上是否滿足技術要求，技術資料是否合理等。

1 實驗臺硬件設計

1.1 測控系統

測控系統的設計包括對設備、軟件等方面的設計，在測控系統當中，傳感器可以將速度、溫度等數據以信號的方式進行傳輸，單片機在接收數據之后也能將數據發送至計算機內進行處理。在系統中，計算機是技術核心，各個節點可以在計算機區域接受命令，而現場總線技術的發展也可以讓用戶自行構成研究所需要的測控系統。測控系統本質上看是一種計算機控制系統，需要對被控對象的運行狀態與運行參數進行檢測分析。

1.2 鉆機起升結構

鉆機起升結構包括絞車、天車、游車、鋼絲繩等，其中天車被安放在井架區域，需要具備一定的承載能力。而天車和游車共同組成的滑輪系統還能顯著降低鉆井敢做中發動機的功率與負載情況。從鉆機起升結構的功能來看，用于完成下鉆作業，并完成起升工作，作為變速結構而存在[1]。

1.3 傳感器選擇

實驗臺所選擇的設備由于技術原因與設備質量因素需要進行全部更換，在某些設備上需要重新選擇。

傳感器方面，現代傳感器類型眾多，選擇時需要考慮測量對象與測量環境的差異，包括傳感器量程、引出信號的方式、測量方式的差異等。如果在線性范圍內，傳感器的靈敏度較高的前提下，輸出信號值也會比較大，可以在處理信號方面更加簡便。但靈敏度過道通常會導致測量精度受到影響，且傳感器使用過程中也需要考慮到延遲帶來的不利影響。理論上看，傳感器的線性范圍是輸入與輸出的正比例關系，此時靈敏度固定，其線性范圍越大，則精度越高，量程越大。具體來看，在了解被測功率與工作轉速時，可以按照公式來計算扭矩，即：

1.4 測速發電機選擇

測速發電機可以將機械速度轉換為電氣信號，輸出電壓與輸入轉速之間保持正比例關系，在自動控制系統中可以作為測速元件來提升系統的穩定性與精密地，并廣泛運用于速度控制系統當中。由于目前的直流測速發電機不存在相位誤差，也無剩余電壓的影響，得到了相對廣泛的利用。

1.5 剎車系統

在傳統實驗臺中多使用帶式剎車，但由于這種剎車模式的技術缺陷，已經逐漸地被取代。目前多采用的是液壓盤式剎車，即利用液壓來對剎車盤施加壓力，通過手柄調整來對剎車力大小進行控制。但需要注意的是由于該技術操作過程中無法根據手感來掌握井下鉆頭的實際工作狀態，如果出現閥件質量問題與液壓失壓情況，則可能出現剎車失靈導致的鉆井事故[2]。

2 鉆機起升實驗臺的軟件設計

2.1 設計原則

從設計原則來看，軟件開發部分主要包括對現場數據的采集和處理，重點在參數設置與報警方面進行合理規劃。整個實驗臺的設計需要保持程序的穩定性，利用模塊化程序設計來分析不同模塊的具體功能，按照程序功能要求繪制流程圖，最終進行程序編寫和調試修改工作。目前使用的開發工具包括C++、Matlab、V等，按照實際的實驗臺工作情況，可以選擇LabVIEW作為開發工具，不僅可以讓用戶界面更加清晰具體，其全面的儀器接口也能簡化與外界的聯系。

2.2 軟件設計規劃

軟件設計規劃需要先進行方案建立，將不同的流程圖進行組合后建立前面板，按照實際的功能要求來選擇需要的對象，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立的運行結構，將獨立的軟件單元制作成標準模塊，以此為基礎組件完整系統。從其功能來看，包括數據采集、數據存儲、數據顯示、數據查詢和數據處理等多個模塊，其功能性也有顯著差異。另外，數據采集之前需要按照變送器信號頻率和采樣要求來控制采樣頻率，減少采集信號失真的情況，并將所有實驗數據傳輸到計算機之內進行后續的分析和處理工作。

2.3 系統控制

系統控制模塊可以從參數設置入手，程序的主要功能是對傳感器參數與數據庫參數進行合理配置，使之符合實驗的基本要求[3]。按照傳感器的設計理念，需要對傳感器量程、閾值進行有效設計，尤其是報警閾值的設計工作，直接影響到設備故障時能夠及時進行報警。設計環節可以通過對系統參數的更改來獲取符合自身需求的系統運行方案。

而報警程序的設計需要考慮到采樣值與報警閾值之間的比較結果。鉆機起升實驗臺通過模擬現場作業的方式來獲取結果，但由于井架設計的高度有限，實驗臺在實際運行過程中可能出現起升速度過快，因此需要通過報警稱許來確定傳感器在合理測量范圍內展開工作。

2.4 通信模塊

通信模塊的作用在于對計算機功能進行監控，依據通用的TCP/IP協議來進行網絡通信。另外，還可以實現對現場工作的遠程管理，在監控計算機上查看實驗進度。在Web網絡之中，客戶端配置的難度并不高，只需要在監控計算機中安裝瀏覽器即可。另外，客戶窗口中也可以打開監控程序的界面，瀏覽器通過HTTP協議便可以實現與現場工控機Web服務器建立間接。而通信模塊中還應該包括幫助系統，可以詳細描述系統結構說明與系統操作說明，利用系統來完成實驗項目。

3 結語

本次研究分析了鉆機起升試驗臺測控系統的開發工作，從硬件設計與軟件設計方面進行了優化。硬件方面改進了對實驗臺的驅動方式，并改變了相關設備；軟件方面，對測控程序進行了編寫，完成了對不同模塊的功能設計。總體來看，整個實驗臺結構清晰，可以為教學實驗提供相應的技術支持。但是在未來的研究工作中，還需要進行一定的優化設計，例如如何調整系統信噪比、如何改善絞車性能與液力變矩器的傳動功能等，以此為基礎展開更深層次的系統開發，按照模塊化設計的思想來展開各項工作。