簡述手輪電位器的信號(hào)處理

董增鋒

摘 要 本文介紹了手輪電位器在整個(gè)信號(hào)給定時(shí)處理問題的簡單應(yīng)用，達(dá)到現(xiàn)場對控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，更好地滿足現(xiàn)場工況的需求。

關(guān)鍵詞 轉(zhuǎn)盤;頂驅(qū);線性;非線性;雙精度整形

目前在石油鉆井行業(yè)，控制操作廣泛的應(yīng)用手輪電位器，方法是將模擬信號(hào)給定到PLC，由PLC控制變頻器，再由變頻器來驅(qū)動(dòng)電機(jī)如下圖，例如：轉(zhuǎn)盤的速度、扭矩的給定和限制;頂驅(qū)的速度、扭矩的給定和限制，隨著鉆井工藝的不斷提高，對控制電機(jī)的精度要求越來越高，實(shí)現(xiàn)一些特殊的要求。

1低速時(shí)手輪信號(hào)的處理

由于電機(jī)是通過變頻器控制。在低速時(shí)，變頻器的輸出頻率會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，這時(shí)需要電機(jī)以間歇方式運(yùn)行，對手輪控制信號(hào)需要采取一些處理，變頻器和手輪電位器是無法改變的，只能改變PLC程序，使其和實(shí)際工況相一致。在手輪給定低于5m/hour時(shí)，變頻器的輸出頻率會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，這時(shí)需要電機(jī)以間歇方式運(yùn)行，就需要在PLC在程序中令變頻器以間歇方式輸出速度給定。

其數(shù)學(xué)計(jì)算如下：

為手輪給定的速度，在這里就是設(shè)定的5m/hour，為運(yùn)行時(shí)間（在此，我們把運(yùn)行時(shí)間定為10s）， 為周期。，為雙精度整形數(shù)，保證了周期的精確性。由上式變換得：

算出周期后，設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)數(shù)器（10ms記1個(gè)數(shù)），讓計(jì)數(shù)器的值在以內(nèi)時(shí)輸出1，令速度給定導(dǎo)通，在以后余下的 的時(shí)間內(nèi)不輸出速度給定信號(hào)，當(dāng)計(jì)數(shù)器記滿周期后置1從新計(jì)數(shù)。占空比就有得出。由于雙精度整形數(shù)的運(yùn)用，使之控制精度很高。以上是電機(jī)低速時(shí)，對手輪電位器給定信號(hào)的處理的算法，可根據(jù)以上算法，在PLC程序中采用此算法，可以很好地解決手輪給定在低頻時(shí)不穩(wěn)定的情況[1]。

2整個(gè)手輪給定中的信號(hào)處理

由于考慮到手輪調(diào)速范圍非常大，在低速時(shí)調(diào)速非常不準(zhǔn)確、不方便，所以對手輪的速度給定作了一下調(diào)整。如下圖所示。

在手輪前1/3的量程里，為低速給定區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，手輪給定的速度在0～5m/hour的范圍內(nèi)，此時(shí)電機(jī)以間歇方式運(yùn)行;在中間1/3的手輪量程內(nèi)，調(diào)速范圍是5m/hour到最大速度的一半，即2304m/hour（在自動(dòng)送鉆方式下為18m/hour），滿足了大部分工藝的需求;在最后的1/3的手輪量程內(nèi)為后面一半的調(diào)速范圍，到4608m/hour（自動(dòng)送鉆方式下為36m/hour）。由在不同的量程內(nèi)，手輪電位器輸入所給定的值乘以不同的比例來達(dá)到以上的給定方式。

其數(shù)學(xué)公式為：

X1：手輪量程的前1/3值;x2：手輪量程的中間1/3值;x3：手輪量程的后1/3值;K1：手輪量程的前1/3比例值;k2：手輪量程的中間1/3比例值;k3：手輪量程的后1/3比例值;y1、y2、y3均為速度給定。

以上是在整個(gè)手輪電位器給定信號(hào)時(shí)，在PLC程序內(nèi)采用的算法，該算法的關(guān)鍵在于給定精度，所有數(shù)據(jù)采用雙精度整型，雖然此處將給定的全部速度分成了三部分，也可分成若干份，分的越多控制越平滑，但是程序就會(huì)相應(yīng)增加。

這樣處理后手輪調(diào)速的精度與易用性都會(huì)大大提高，使操作人員不會(huì)再為低速給定而感到不便[2]。

3手輪電位器信號(hào)給定時(shí)注意事項(xiàng)

（1）轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)在電機(jī)速度和扭矩給定時(shí)，都可以采用此方法，但需要考慮在零位時(shí)的零位信號(hào)漂移情況，必須對零位漂移做相應(yīng)的處理，使其電機(jī)運(yùn)動(dòng)平滑，例如：程序低速給定時(shí)做死區(qū)處理，但是死區(qū)范圍必須要小，不要和低速時(shí)相沖突，只有這樣才能更好地使整個(gè)手輪在調(diào)速時(shí)運(yùn)行平穩(wěn)。

（2）手輪雖然操作方便好用，但平時(shí)也要注意一些問題。由于鉆井工況比較特殊，特別是振動(dòng)比較大，必須對手輪電位器進(jìn)行保養(yǎng)，使用一段時(shí)間，就要進(jìn)行調(diào)零處理，不然回零不正常，就會(huì)使信號(hào)不正常，從而造成信號(hào)的失真、跳變等問題，使轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)的速度、扭矩給定無法正常使用。

（3）除了對手輪電位器采取定期的保養(yǎng)外，由于手輪電位器是操作頻率比較高的輸入元器件，有必要在PLC程序或者變頻器參數(shù)里進(jìn)行一些處理。例如：在PLC程序里編寫零位程序，做一些軟件抗干擾的程序;在變頻器里修改一些參數(shù)，做一些信號(hào)平滑或者死區(qū)處理，做到硬件和軟件的有機(jī)結(jié)合處理。

4結(jié)束語

隨著鉆井技術(shù)的不斷提高，操作人員希望轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)的整個(gè)電機(jī)運(yùn)行是線性的，但是由于變頻器低頻的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致工況往往為非線性的，有了以上處理問題的方法，現(xiàn)場的轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)工作特性將大大提高，在鉆井的一些現(xiàn)場，已經(jīng)采用了這種方法，收到了很好的效果，現(xiàn)場人員普遍反映使用更加人性化，更加貼近現(xiàn)場工況。由于現(xiàn)在工業(yè)控制中大量采用變頻器控制電機(jī)，特別是在中大型的設(shè)備中，這個(gè)算法不光能使用在鉆井的轉(zhuǎn)盤和頂驅(qū)的電控系統(tǒng)中，也可以大量使用在有變頻器控制的場合，可以大大提高設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] 天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：217.

[2] 譚剛強(qiáng)，王豫，李順平.現(xiàn)代石油井場電氣安全[M].北京：電子科技大學(xué)出版社，2008：51.