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程通 （1981-）

男，漢族，河南省許昌人，本科，主要從事自動(dòng)化設(shè)計(jì)方面的工作。

摘要：文章簡單介紹了原有抽油機(jī)操作系統(tǒng)，在原有絞車控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相應(yīng)的硬件選型和軟件編程方面的設(shè)計(jì)工作，最終實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)絞車伺服系統(tǒng)的仿真模擬，取得較好的實(shí)驗(yàn)效果，證明了該設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：絞車；步進(jìn)電機(jī)；伺服系統(tǒng)

Abstract: The paper introduces briefly the operation system of the oil pumping machine.
 The design of servo system is based on the original winch servo system, and hardware 
design and software development are also finished. Finally, we give the computer simulation 
result of the winch servo system, which demonstrates the effectiveness and availability of
 this system.

Key words: winch; stepper motor; servo system

    石油作為不可缺少的能源在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著很大的作用，直接影響到經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展與否，因此石油行業(yè)得到迅速的發(fā)展，改進(jìn)生產(chǎn)工具也成了不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。由于國內(nèi)傳統(tǒng)的抽油機(jī)大多是人工的機(jī)械式抽油機(jī)，影響到抽油機(jī)的工作效率，而且工人的作業(yè)強(qiáng)度極大，使得原油的生產(chǎn)成本較高。因此絞車控制系統(tǒng)的進(jìn)一步自動(dòng)化，具有非常巨大的潛在市場價(jià)值，其開發(fā)也是必然趨勢(shì)。

1 設(shè)計(jì)方案

    本絞車的動(dòng)力是由一臺(tái)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提供，傳動(dòng)軸經(jīng)離合器與滾筒相連，滾筒上繞有鋼纜連接活塞對(duì)油井進(jìn)行作業(yè)。滾筒上裝有制動(dòng)機(jī)構(gòu)（剎把），制動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力是由一個(gè)氣缸提供，氣缸閥門的開度有一個(gè)手柄控制。工人可以直接通過手柄來控制氣缸閥門開度，從而達(dá)到對(duì)鋼纜下降速度的控制。自動(dòng)裝置可以在脫離控制手柄的情況下，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整手柄位置來實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼纜下降速度的控制。

    本設(shè)計(jì)中一條最根本的原則，是自動(dòng)控制不影響手動(dòng)控制的一切動(dòng)作，手動(dòng)控制在任何情況下享有優(yōu)先權(quán)。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分為三部分：鍵盤顯示部分，通信部分（包括測量信號(hào)的接收和兩片單片機(jī)之間的通信），控制部分。其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

                                圖1   整體系統(tǒng)框圖

    當(dāng)絞車自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)情況，鋼纜張力、下放（上升）速度等參數(shù)，選用不同的控制方式對(duì)絞車進(jìn)行控制。控制的方式包括調(diào)節(jié)制動(dòng)力矩的氣缸氣壓控制模式和調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力矩的油門開度控制模式。絞車自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)主要就是根據(jù)絞車工作的方式對(duì)以上兩種控制方式適當(dāng)組合和合理控制。

    軟件主要由系統(tǒng)初始化模塊、自檢模塊、主控制模塊、信號(hào)監(jiān)測、制動(dòng)手柄中斷服務(wù)程序模塊等幾大部分組成，系統(tǒng)控制流程圖如圖2所示。

    系統(tǒng)初始化模塊在單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘、各端口設(shè)置、存儲(chǔ)器配置、通訊接口、模擬和數(shù)字通道、看門狗定時(shí)器、系統(tǒng)變量等，以保證單片機(jī)正常運(yùn)行。另外還包括對(duì)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，確保絞車的安全運(yùn)行。

    自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對(duì)關(guān)鍵軟、硬件部分進(jìn)行靜態(tài)檢測，以判斷系統(tǒng)的軟、硬件工作是否正常。包括RAM自檢以及通信鏈路的建立等。如果發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)中存在故障，故障警示燈會(huì)尖端點(diǎn)亮報(bào)警。

    主控制模塊為控制系統(tǒng)的控制主程序，位于圖2的虛線框內(nèi)。主控制模塊首先調(diào)用參數(shù)監(jiān)測模塊（包含RS485通信模塊和UART通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊），監(jiān)測絞車設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，然后判斷絞車的工作狀態(tài)。若處于停機(jī)或手動(dòng)狀態(tài)，則循環(huán)調(diào)用監(jiān)測模塊對(duì)絞車參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將系統(tǒng)狀態(tài)及參數(shù)通過UART傳送至事務(wù)處理單片機(jī)進(jìn)行操作（顯示、存儲(chǔ)、打印等操作）；若進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，則通過定時(shí)器中斷T1做固定周期100ms（暫定）的循環(huán)，連續(xù)調(diào)用參數(shù)監(jiān)測模塊、制動(dòng)參數(shù)控制模塊、油門參數(shù)控制模塊，實(shí)時(shí)進(jìn)行絞車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的判斷。

    正常情況下，在循環(huán)調(diào)用以上模塊時(shí)，依據(jù)絞車當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，由控制執(zhí)行模塊分別進(jìn)行制動(dòng)氣缸氣壓和發(fā)動(dòng)機(jī)油門開度的模擬量控制（4-20mA）。系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行過程中，若監(jiān)測參數(shù)由超限情況，執(zhí)行報(bào)警2程序。 

    為了適應(yīng)駕駛員制動(dòng)動(dòng)作與控制器制動(dòng)控制之間緊急切換需要，設(shè)計(jì)了按鍵緊急制動(dòng)中斷服務(wù)程序（手柄操作時(shí)控制器控制權(quán)終止）。當(dāng)收到緊急制動(dòng)按鍵觸發(fā)的中斷時(shí)，進(jìn)入按鍵緊急制動(dòng)中斷服務(wù)程序，如果絞車處于鋼纜下放/上升方式，立即執(zhí)行報(bào)警1程序。

                                圖2   系統(tǒng)控制流程圖

    本次設(shè)計(jì)具體模擬方案選定：錯(cuò)誤！未找到引用源。 單環(huán)（內(nèi)環(huán)）模擬在單片機(jī)內(nèi)設(shè)好一個(gè)電壓給定值，將其與反饋電壓值比較，通過數(shù)字PID調(diào)節(jié)后送給步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)，使其轉(zhuǎn)軸上連接的電位器輸出一個(gè)電壓值；錯(cuò)誤！未找到引用源。 在模擬外環(huán)（速度環(huán)）時(shí)在現(xiàn)有的條件下沒有找到合適的方法進(jìn)行模擬，現(xiàn)在準(zhǔn)備了兩種方法進(jìn)行模擬。第一種是，在程序中作一組數(shù)據(jù)當(dāng)作外環(huán)的反饋量進(jìn)行調(diào)解，觀察現(xiàn)象是否符合理論。這一種方法的難處在于給定數(shù)據(jù)的選取（包括數(shù)據(jù)的數(shù)量和規(guī)律）。第二種是，人工旋轉(zhuǎn)另外一個(gè)電位器來當(dāng)作速度環(huán)的反饋，觀察現(xiàn)象是否符合理論。這種方法的缺點(diǎn)是在人工提供的反饋量變化的速度慢，并且與真正的反饋量缺乏相關(guān)性，很難進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和計(jì)算。在此次設(shè)計(jì)中進(jìn)行模擬時(shí)并沒有把主環(huán)完整的加上，而是在副環(huán)調(diào)好的基礎(chǔ)上，然后人手動(dòng)一個(gè)電位器給一個(gè)主環(huán)反饋信號(hào)。這種做法不是很合理，但能夠大概看出程序運(yùn)行的情況。其具體情況下文中能清楚地看到。

2 控制算法選取

    該系統(tǒng)是用數(shù)字PID控制，其中壓力環(huán)（內(nèi)環(huán)）采用增量式數(shù)字PID控制，外環(huán)采用位置式數(shù)字PID控制，兩個(gè)環(huán)形成串級(jí)控制。絞車控制系統(tǒng)原理圖如圖3所示。 

                                圖3   絞車控制系統(tǒng)原理圖

    系統(tǒng)給定是一個(gè)速度值，其范圍是0~5m/s，主環(huán)的反饋是速度主調(diào)節(jié)器（PID1）的輸出是氣缸氣壓的范圍。副環(huán)是一個(gè)氣壓環(huán)，其實(shí)際上所調(diào)節(jié)的是手柄位置，副調(diào)節(jié)器（PID2）的輸出直接對(duì)步進(jìn)電機(jī)的角度進(jìn)行調(diào)整（根據(jù)手柄位置的差值可以確定給步進(jìn)電機(jī)的脈沖數(shù)）。本設(shè)計(jì)中把步進(jìn)電機(jī)做成了閉環(huán)控制，作為一個(gè)定位工具，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)操作手柄的位置控制，這是本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)的不同角度對(duì)應(yīng)著操作手柄的不同位置，而手柄位置又通過一個(gè)機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)著氣缸閥門的開度（是一種線性關(guān)系）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置是帶記憶的，而且手柄和氣缸閥門開度是一種線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，氣缸壓力又和閥門開度是線性關(guān)系，氣缸壓力決定著對(duì)滾筒抱閘力的大小且呈線性系。因此對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)的副環(huán)PID調(diào)節(jié)器應(yīng)選用增量式控制。

3 硬件連接方案

    副環(huán)的系統(tǒng)硬件接線示意圖如圖4所示，它能很好的反應(yīng)控制算法和程序編寫的正確性和合理性。

                                圖4   系統(tǒng)連接示意圖

    PC機(jī)和目標(biāo)板的連接是通過一個(gè)適配器，這樣可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，便于檢查程序和修改程序。所用的開發(fā)軟件就是keil 公司的μVision2。在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器和目標(biāo)板之間加一個(gè)光電隔離，是為了保護(hù)控制電路和抑制驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制電路的干擾。通過驅(qū)動(dòng)器可以確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)并使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照預(yù)設(shè)的狀態(tài)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)電位器是通過連接軸和支架與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連的，旋轉(zhuǎn)電位器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)并沒有電氣連接。因?yàn)殡姍C(jī)對(duì)線路的干擾太大，在電位器輸出電壓信號(hào)反饋回單片機(jī)時(shí)要經(jīng)過一個(gè)低通濾波電路（經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證）。

    按照上面的連接方法，將會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)電位器輸出電壓進(jìn)行控制。反饋的電壓量可以將之看成是速度量（若使用簡單控制的話），也可以將之看成是一個(gè)壓力信號(hào)作為副環(huán)的模擬。其實(shí)這種模擬方法更適合于副環(huán)，因?yàn)樗俣刃盘?hào)時(shí)時(shí)變化且需要調(diào)節(jié)器不斷的調(diào)節(jié)（它任何時(shí)候都有要變化的趨勢(shì)），而壓力信號(hào)則是一個(gè)調(diào)整后相對(duì)穩(wěn)定的量。這一點(diǎn)正好與上面的電位器反饋的系統(tǒng)有所相似，只是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)的不是對(duì)氣缸氣壓的調(diào)節(jié)而是對(duì)電位器輸出電壓的控制。模擬系統(tǒng)中需要一個(gè)24V/3A的開關(guān)穩(wěn)壓電源和一個(gè)5V/0.5A的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其中24V的電源給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)供電，5V的電源給光藕和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)供電。系統(tǒng)中的接地也是有講究的，光藕的發(fā)光側(cè)與目標(biāo)板共地，光藕的輸出側(cè)與驅(qū)動(dòng)器共地，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)單獨(dú)供電。

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境采用Keil ?Vsion 2.0，Keil IDE(μVision2) 集成開發(fā)環(huán)境是Keil Software Inc/Keil Elektronik GmbH 開發(fā)的基于80C51內(nèi)核的微處理器軟件開發(fā)平臺(tái)，內(nèi)嵌多種符合當(dāng)前工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具。可以完成從工程建立和管理，編譯，連接目標(biāo)代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。μVision2 軟件調(diào)試器能夠進(jìn)行快速、可靠的程序調(diào)試。調(diào)試器包括一個(gè)高速模擬器，可以使用它模擬整個(gè)80C51 系統(tǒng)，包括片上外圍器件和外部硬件。當(dāng)您從器件數(shù)據(jù)庫選擇器件時(shí)，這個(gè)器件的屬性會(huì)被自動(dòng)配置。首先可以介紹一下模擬系統(tǒng)副環(huán)調(diào)節(jié)程序的整體流程簡圖如圖5所示，是先編的副環(huán)程序，然后才加上主環(huán)的程序，這樣做是符合串級(jí)控制的設(shè)計(jì)方法。

5 試驗(yàn)結(jié)果

    按照上面的硬件連線和軟件設(shè)計(jì)所做的模擬控制效果可以通過下面的數(shù)據(jù)反映出來。

                               表1   調(diào)節(jié)誤差表

    由表1可知系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差值非常小，可以滿足應(yīng)用要求。另外可以確定在穩(wěn)定值上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是靜止的，不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)晃動(dòng)，避免了因步進(jìn)電機(jī)連續(xù)晃動(dòng)對(duì)機(jī)械部分造成損傷。在上表中的PID參數(shù)下，調(diào)試時(shí)根據(jù)粗略的測量可以知道調(diào)節(jié)時(shí)間一般在１至２秒之間，并且是幾乎沒有超調(diào)量的。

    在進(jìn)行雙環(huán)調(diào)試時(shí)，所選用的方法是用手動(dòng)賦予外環(huán)一個(gè)反饋值。理論上分析，若是外環(huán)的反饋值大于給定值，那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上的電位器應(yīng)輸出最小值即0V；若是外環(huán)的反饋值小于給定值，那么步進(jìn)電動(dòng)機(jī)上的電位器應(yīng)輸出最大值2V。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所做模擬系統(tǒng)完全符合理論上的分析。

6 結(jié)束語

    石油行業(yè)的迅速發(fā)展決定了石油設(shè)備自動(dòng)化的迫切需求。本設(shè)計(jì)在原有絞車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動(dòng)控制，有利于抽油機(jī)生產(chǎn)效率的提高，減少操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本。因此必將為絞車控制系統(tǒng)的進(jìn)一步自動(dòng)化提供有益的借鑒，也會(huì)給絞車控制系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)人員提供一點(diǎn)啟示。

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