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程通 （1981-）

男，漢族，河南省許昌人，本科，主要從事自動化設(shè)計方面的工作。

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，并進(jìn)行了相應(yīng)的硬件選型和軟件編程方面的設(shè)計工作，最終實現(xiàn)了計算機(jī)絞車伺服系統(tǒng)的仿真模擬，取得較好的實驗效果，證明了該設(shè)計的可行性和有效性。

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。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)一步自動化，具有非常巨大的潛在市場價值，其開發(fā)也是必然趨勢。

1 設(shè)計方案

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

    本設(shè)計中一條最根本的原則，是自動控制不影響手動控制的一切動作，手動控制在任何情況下享有優(yōu)先權(quán)。整體系統(tǒng)設(shè)計方案分為三部分：鍵盤顯示部分，通信部分（包括測量信號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)絞車自動運行時，控制系統(tǒng)根據(jù)實時情況，鋼纜張力、下放（上升）速度等參數(shù)，選用不同的控制方式對絞車進(jìn)行控制。控制的方式包括調(diào)節(jié)制動力矩的氣缸氣壓控制模式和調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)輸出力矩的油門開度控制模式。絞車自動控制功能的實現(xiàn)主要就是根據(jù)絞車工作的方式對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、信號監(jiān)測、制動手柄中斷服務(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)位時對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化內(nèi)容包括單片機(jī)內(nèi)部的時鐘、各端口設(shè)置、存儲器配置、通訊接口、模擬和數(shù)字通道、看門狗定時器、系統(tǒng)變量等，以保證單片機(jī)正常運行。另外還包括對系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，確保絞車的安全運行。

    自檢模塊是在系統(tǒng)初始化后對關(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，故障警示燈會尖端點亮報警。

    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)或手動狀態(tài)，則循環(huán)調(diào)用監(jiān)測模塊對絞車參數(shù)實時監(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、打印等操作）；若進(jìn)入自動運行狀態(tài)，則通過定時器中斷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、制動參數(shù)控制模塊、油門參數(shù)控制模塊，實時進(jìn)行絞車運動狀態(tài)的判斷。

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

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

                                圖2   系統(tǒng)控制流程圖

    本次設(shè)計具體模擬方案選定：錯誤！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，使其轉(zhuǎn)軸上連接的電位器輸出一個電壓值；錯誤！未找到引用源。 在模擬外環(huán)（速度環(huán)）時在現(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)整和計算。在此次設(shè)計中進(jìn)行模擬時并沒有把主環(huán)完整的加上，而是在副環(huán)調(diào)好的基礎(chǔ)上，然后人手動一個電位器給一個主環(huán)反饋信號。這種做法不是很合理，但能夠大概看出程序運行的情況。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，兩個環(huán)形成串級控制。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)是一個氣壓環(huán)，其實際上所調(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)計中把步進(jìn)電機(jī)做成了閉環(huán)控制，作為一個定位工具，主要是實現(xiàn)對操作手柄的位置控制，這是本設(shè)計的特點。步進(jìn)電機(jī)的不同角度對應(yīng)著操作手柄的不同位置，而手柄位置又通過一個機(jī)構(gòu)對應(yīng)著氣缸閥門的開度（是一種線性關(guān)系）。步進(jìn)電動機(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，氣缸壓力決定著對滾筒抱閘力的大小且呈線性系。因此對步進(jìn)電動機(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適配器，這樣可以實現(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)電動機(jī)驅(qū)動器和目標(biāo)板之間加一個光電隔離，是為了保護(hù)控制電路和抑制驅(qū)動器對控制電路的干擾。通過驅(qū)動器可以確定步進(jìn)電動機(jī)的工作狀態(tài)并使步進(jìn)電動機(jī)按照預(yù)設(shè)的狀態(tài)運動。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)電動機(jī)并沒有電氣連接。因為電機(jī)對線路的干擾太大，在電位器輸出電壓信號反饋回單片機(jī)時要經(jīng)過一個低通濾波電路（經(jīng)過實際驗證）。

    按照上面的連接方法，將會對旋轉(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壓力信號作為副環(huán)的模擬。其實這種模擬方法更適合于副環(huán)，因為速度信號時時變化且需要調(diào)節(jié)器不斷的調(diào)節(jié)（它任何時候都有要變化的趨勢），而壓力信號則是一個調(diào)整后相對穩(wěn)定的量。這一點正好與上面的電位器反饋的系統(tǒng)有所相似，只是步進(jìn)電動機(jī)要實現(xiàn)的不是對氣缸氣壓的調(diào)節(jié)而是對電位器輸出電壓的控制。模擬系統(tǒng)中需要一個24V/3A的開關(guān)穩(wěn)壓電源和一個5V/0.5A的開關(guān)穩(wěn)壓電源，其中24V的電源給步進(jìn)電動機(jī)供電，5V的電源給光藕和步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動供電。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)動器共地，步進(jìn)電動機(jī)單獨供電。

4 系統(tǒng)軟件實現(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，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)試器包括一個高速模擬器，可以使用它模擬整個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，這個器件的屬性會被自動配置。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，這樣做是符合串級控制的設(shè)計方法。

5 試驗結(jié)果

    按照上面的硬件連線和軟件設(shè)計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)電動機(jī)是靜止的，不會出現(xiàn)連續(xù)晃動，避免了因步進(jìn)電機(jī)連續(xù)晃動對機(jī)械部分造成損傷。在上表中的PID參數(shù)下，調(diào)試時根據(jù)粗略的測量可以知道調(diào)節(jié)時間一般在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，所選用的方法是用手動賦予外環(huán)一個反饋值。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)電動機(jī)上的電位器應(yīng)輸出最大值2V。經(jīng)過實驗驗證，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)備自動化的迫切需求。本設(shè)計在原有絞車系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的自動控制，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)一步自動化提供有益的借鑒，也會給絞車控制系統(tǒng)方面的設(shè)計人員提供一點啟示。

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