【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 LC配置請(qǐng)參見(jiàn)圖32所示。圖32 PLC控制系統(tǒng)配置圖 控制系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)本文所描述的鉆機(jī)控制系統(tǒng)的輸入輸出量較多，所以需要監(jiān)控的點(diǎn)數(shù)也較多，現(xiàn)列出部分主要的監(jiān)控點(diǎn)，如表33和表34所示。表33 模擬量監(jiān)控表項(xiàng)目名稱(chēng)類(lèi)型位置1鉆壓輸入鉆具2轉(zhuǎn)速輸入轉(zhuǎn)盤(pán)3扭矩輸入轉(zhuǎn)盤(pán)4絞車(chē)轉(zhuǎn)速輸入絞車(chē)5直流電流輸出盤(pán)剎電磁溢流閥6壓力輸入盤(pán)剎液壓系統(tǒng)7懸重輸入大鉤8大鉤位置輸入大鉤9泵壓輸入泥漿泵10泵沖輸入泥漿泵11泥漿池液位輸出泥漿池12鉆井深度輸入鉆頭13轉(zhuǎn)矩給定輸出轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器14出口流量輸入泥漿泵15轉(zhuǎn)速給定輸出轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器表34 數(shù)字量、開(kāi)關(guān)量監(jiān)控表項(xiàng)目名稱(chēng)位置類(lèi)型備注(點(diǎn)數(shù))1送鉆準(zhǔn)備所有單元輸出2自動(dòng)送鉆啟動(dòng)(停止)所有單元輸出23自動(dòng)起下鉆絞車(chē)輸出4急停所有單元輸出5絞車(chē)電機(jī)上升停止下降絞車(chē)變頻器輸出36軟啟動(dòng)合閘(1,2)軟啟動(dòng)器輸出27轉(zhuǎn)盤(pán)電機(jī)正轉(zhuǎn)停止反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)變頻器輸出38除沙泵啟動(dòng)、停止除沙泵輸出29加重泵啟動(dòng)、停止加重泵輸出210剪切泵啟動(dòng)、停止剪切泵輸出211軟啟動(dòng)故障(1,2)軟啟動(dòng)器輸入212軟啟動(dòng)運(yùn)行(1,2)軟啟動(dòng)器輸入213除沙泵運(yùn)行除沙泵輸入14加重泵運(yùn)行加重泵輸入15剪切泵運(yùn)行剪切泵輸入16攪拌器啟動(dòng)、停止攪拌器輸出17灌注泵合閘回流灌注泵輸出18防碰系統(tǒng)動(dòng)作游車(chē)輸出19MCC故障MCC系統(tǒng)輸入20控制系統(tǒng)故障控制系統(tǒng)輸入21變頻器故障變頻器輸入22司鉆臺(tái)氣損司鉆臺(tái)輸入 根據(jù)以上監(jiān)控各點(diǎn)可知，要用到的主要傳感器有：懸重傳感器、滾筒編碼器、轉(zhuǎn)速傳感器、泵壓傳感器、泵沖傳感器、壓力傳感器、扭矩傳感器、手把電位器等。 主要硬件設(shè)備選型 工控機(jī)的選用工業(yè)控制機(jī)是指對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及其機(jī)電設(shè)備、工藝裝備進(jìn)行測(cè)量與控制用的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)。工業(yè)控制機(jī)由計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)和過(guò)程I/O系統(tǒng)組成，計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)由系統(tǒng)總線(xiàn)、主機(jī)模板、存儲(chǔ)器板、人機(jī)接口板與CRT、磁盤(pán)機(jī)、打印機(jī)等通用外設(shè)組成。過(guò)程I/O系統(tǒng)輸入信號(hào)調(diào)理板和A/D轉(zhuǎn)換器，將現(xiàn)場(chǎng)傳感器測(cè)量的物理信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，模擬量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換器），變成數(shù)字量輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)數(shù)模（D/A轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換和輸出調(diào)理（隔離放大）成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。硬件系統(tǒng)一般由運(yùn)行操作臺(tái)、可放計(jì)算機(jī)、CRT、外設(shè)、主機(jī)柜、I/O機(jī)柜（機(jī)箱、電源、接線(xiàn)端子板、接地保護(hù)裝置等）等。軟件系統(tǒng)由實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)及應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)采集與處理軟件、各類(lèi)控制軟件（PID直接數(shù)字控制、先進(jìn)控制軟件）組成。與商用及個(gè)人機(jī)比較，工業(yè)控制機(jī)的特點(diǎn)是強(qiáng)大的過(guò)程輸入輸出能力，高可靠性與實(shí)時(shí)性。我們準(zhǔn)備選用研華工控機(jī)，研華在工控機(jī)領(lǐng)域一直處于世界領(lǐng)先地位。如圖33所示： 圖33 研華原裝工控機(jī) ACP4060系列應(yīng)用范圍：工業(yè)自動(dòng)化監(jiān)視和控制。主要特點(diǎn) ： 高 19” 機(jī)架安裝機(jī)箱，帶 ” TFT 顯示屏、OSD 功能、薄型鍵盤(pán)和觸控板一體化 IPC 系統(tǒng)可節(jié)省空間、降低成本配有 250 W ATX PFC PS/2 電源易于安裝的前端抽取磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器托架，可安裝三個(gè)半高驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于沖擊、振動(dòng)和高溫等惡劣環(huán)境下支持寬范圍DC9V32V電源插入，支持ATX電源靈活用于各種自動(dòng)化環(huán)境的靈活性更長(zhǎng)的壽命周期支持，保護(hù)投資 觸摸屏的選用選用MP370，如圖34所示。圖34 MP370觸摸屏產(chǎn)品簡(jiǎn)介：這種多功能面板是基于傳統(tǒng)組成部分（例如操作員面板和PLC）與PC之間的一種全新設(shè)備詳細(xì)介紹：SIAMTIC MP 370功能強(qiáng)大的CPU，高性能的圖形可視化界面，同時(shí)具有觸摸式與按鍵式供您選擇。MP 370按鍵式，256色，提供800*600像素38個(gè)系統(tǒng)鍵36個(gè)功能鍵集成LED，都可用作軟鍵防護(hù)等級(jí)：前面板IP65，后面板IP20用戶(hù)內(nèi)存6MB采用64位RISC處理器集成以太網(wǎng)接口Windows CE 使用Wincc flrxble組態(tài)前面板尺寸：483*310mm（寬*高）開(kāi)孔尺寸：450*290*59mm（寬*高*深）MP 370觸摸式，256色，提供800*600像素防護(hù)等級(jí)：前面板IP65，后面板IP20用戶(hù)內(nèi)存6MB采用64位RISC處理器集成以太網(wǎng)接口Windows CE 使用Wincc flrxble組態(tài)前面板尺寸：335*275mm（寬*高）開(kāi)孔尺寸：310*248*59mm（寬*高*深） PLC的選用PLC系統(tǒng)選用西門(mén)子s7300PLC。如圖35所示。圖35 s7300PLC產(chǎn)品簡(jiǎn)介：s7300是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，它能滿(mǎn)足中等性能要求的應(yīng)用。 模塊化，無(wú)排風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)分布，易于用戶(hù)掌握等特點(diǎn)使得s7300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務(wù)的方便又經(jīng)濟(jì)的解決方案。詳細(xì)介紹：SIMATIC s7300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。 下面介紹其系統(tǒng)組成：中央處理單元 (CPU)：各種CPU 有各種不同的性能，例如，有的CPU 上集成有輸入/輸出點(diǎn)，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通訊接口等。信號(hào)模塊 (SM)：用于數(shù)字量和模擬量輸入/輸出。 通訊處理器 (CP)：用于連接網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。 功能模塊 (FM)：用于高速計(jì)數(shù)，定位操作 (開(kāi)環(huán)或閉環(huán)控制) 和閉環(huán)控制。負(fù)載電源模塊 (PS)：用于將SIMATIC S7300 連接到120/230V AC電源。接口模塊 (IM)：用于多機(jī)架配置時(shí)連接主機(jī)架(CR)和擴(kuò)展機(jī)架 (ER)。S7300通過(guò)分布式的主機(jī)架(CR)和3個(gè)擴(kuò)展機(jī)架(ER)，可以操作多達(dá)32個(gè)模塊。運(yùn)行時(shí)無(wú)需風(fēng)扇。 SIMATIC M7自動(dòng)化計(jì)算機(jī) ：AT兼容的計(jì)算機(jī)用于解決對(duì)時(shí)間要求非常高的技術(shù)問(wèn)題。它既可作為 CPU，也可以作為功能模塊使用。 主要傳感器的選用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB766587對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。（拉力）傳感器。如圖36所示圖36 合世工控 HSCZ系列柱式拉壓傳感器產(chǎn)品簡(jiǎn)介：HSCZ系列柱式拉力傳感器其結(jié)構(gòu)兼顧于柱式、S式的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)緊湊，造形優(yōu)美，測(cè)量精度高，抗偏能力強(qiáng)，廣泛運(yùn)用于配料、機(jī)械制造、拉力試驗(yàn)機(jī)等計(jì)量與控制系統(tǒng)中。特點(diǎn)：高精度、低漂移、量程寬、抗偏載能力強(qiáng)技術(shù)參數(shù)：不重復(fù)性：，%溫漂：，%零位輸出：≤2%激勵(lì)電壓：10V 或 12V，15V，24V(DC)工作溫度：20~80 ℃過(guò)載能力：150%量程：1，2，3，5，10，20，30，50，100，200，300，500kN輸出： mV/V 或 0~5V，1~5V，0~10mA，4~20mA非線(xiàn)性：，%滯后：，%（1）泥漿泵壓力傳感器。如圖37所示。圖37 PTX 661 系列泥漿壓力傳感器產(chǎn)品簡(jiǎn)介：PTX 661系列錘式泥漿壓力傳感器為了路上石油鉆井應(yīng)用的極端惡劣環(huán)境，抵抗了高震動(dòng)和沖擊。性能與優(yōu)點(diǎn)：量程：精度：177。% FSNACE MR 0175 兼容CENELEC 固有本安認(rèn)證FM/CSA Class I ,Div 1CE 認(rèn)證快速相應(yīng)時(shí)間（2kHz）可修復(fù)性（2）工作鉗、壓力鉗壓力傳感器。如圖38所示。圖38 GE PMP 1240工業(yè)壓力傳感器產(chǎn)品簡(jiǎn)介：PMP 1240 工業(yè)壓力傳感器用于很多工業(yè)和過(guò)程應(yīng)用中的惡劣環(huán)境介質(zhì)，全焊接316L不銹鋼壓力模塊保證了卓越的介質(zhì)適應(yīng)性，而無(wú)需犧牲Druck微機(jī)械加工的壓力傳感器元件的優(yōu)秀性能。PMP 1240是本安型的，有防爆證書(shū)，因此適合應(yīng)用于石油和天然氣等工業(yè)領(lǐng)域中。性能與優(yōu)點(diǎn)：壓力范圍： to 15000 psig ，5 to 15000 psia輸出三線(xiàn)制，15 Vdc低壓精度：177。% FS BSLNACE MR 0175兼容低價(jià)格UL/FM/CSAG工業(yè)安全等級(jí)Class I, Div IFM/CSA防爆等級(jí)Class I, Div ICE標(biāo)記。如圖39所示。圖39 華控技術(shù)HKNARGOXX現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)扭矩傳感器產(chǎn)品簡(jiǎn)介： HKNARGOXX系列現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)扭矩傳感器是一種測(cè)量各種動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)力矩、轉(zhuǎn)速及機(jī)械功率的精密測(cè)量?jī)x器。本傳感器將力矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。 (1)扭矩的測(cè)量： 采用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)。這種方式具有精度高、響應(yīng)快、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。將四支應(yīng)變片粘貼在彈性軸上，并組成應(yīng)變橋。在A(yíng)和C端加10V激勵(lì)電壓， B和D端輸出差分信號(hào)電壓Vbd。當(dāng)彈性軸受到扭力時(shí)，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，同時(shí)四個(gè)應(yīng)變片阻值發(fā)生變化，B和D端的輸出電壓Vbd發(fā)生變化，且Vbd與扭轉(zhuǎn)力成線(xiàn)性關(guān)系。Vbd=KMnVbd——應(yīng)變橋輸出的差分信號(hào)電壓，單位：mVK——轉(zhuǎn)換常量，單位：mV/NMMn——彈性軸承受的扭力，單位：NM(2)轉(zhuǎn)速的測(cè)量：采用光電碼盤(pán)測(cè)量轉(zhuǎn)速，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60個(gè)脈沖。將脈沖信號(hào)變成方波頻率信號(hào)輸出。主要功能及性能指標(biāo)：扭矩示值誤差： ＜177。 % F S靈敏度： 1177。 mv / V非線(xiàn)性： ＜177。 % F S 重復(fù)性： ＜177。% F S回差： ＜ % F S零點(diǎn)溫飄： ＜ % F S /10℃靜態(tài)超載： 120 % 斷裂負(fù)載： 200 %使用溫度： 0℃ ～ 60℃儲(chǔ)存溫度： －20℃ ～ 70℃電源電壓： 177。15V177。5%總消耗電流： ＜130mA頻率信號(hào)輸出： 5KHZ—15KHZ負(fù)額定扭矩：5KHZ177。10HZ零扭矩：10KHZ177。10HZ正額定扭矩：15KHZ177。10HZ信號(hào)占空比： （50177。10）% 手把電位器電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個(gè)電阻體和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)組成。當(dāng)電阻體的兩個(gè)固定觸電之間外加一個(gè)電壓時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或滑動(dòng)系統(tǒng)改變觸點(diǎn)在電阻體上的位置，在動(dòng)觸點(diǎn)與固定觸點(diǎn)之間便可得到一個(gè)與動(dòng)觸點(diǎn)位置成一定關(guān)系的電壓。如圖310所示圖310 WX903型線(xiàn)繞電位器產(chǎn)品特點(diǎn)：體積小，調(diào)節(jié)方便功率大，阻值穩(wěn)定技術(shù)參數(shù)：介質(zhì)電壓：1000V額定功率：溫度范圍：55℃～+125℃振動(dòng)頻率：10HZ～100HZ旋轉(zhuǎn)角度：300176。177。10176。 滾筒編碼器編碼器是把角位移或直線(xiàn)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。前者成為碼盤(pán)，后者稱(chēng)碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，以電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。 選擇編碼器如圖311所示圖311 Elco宜科工業(yè)級(jí)精品旋轉(zhuǎn)編碼器 EC150P產(chǎn)品簡(jiǎn)介：工業(yè)精品系列大軸套產(chǎn)品EC150P是廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代化工業(yè)中各類(lèi)直接安裝在軸上反饋速度的場(chǎng)合，具有優(yōu)秀的抗機(jī)械損傷性能，可在軸上能承受較高的徑向和軸向負(fù)荷。技術(shù)參數(shù)：最大轉(zhuǎn)速（rpm）： 6000軸負(fù)荷（徑向/軸向）：[N] 200/100工作溫度（℃）： 20+90 防護(hù)等級(jí)： IP64出線(xiàn)方式 ：電纜/接插件供電電壓(V DC)：530最大輸出頻率(KHz)： 8004 系統(tǒng)控制算法 概述由第三章可知整個(gè)鉆機(jī)控制系統(tǒng)包含很多個(gè)子系統(tǒng)，但其控制器都是Siemens公司的s7300中型PLC(可編程序控制器)，所以各種算法與程序?qū)崿F(xiàn)都是針對(duì)PLC而設(shè)計(jì)的。Siemens公司的PLC有著良好的控制特性:很容易實(shí)現(xiàn)順序控制與邏輯控制、指令執(zhí)行時(shí)間短、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算精度高(精度可達(dá)32位)、穩(wěn)定性好、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單直觀(guān)、功能強(qiáng)大且有多種特殊繼電器可選，因此在工控領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本章針對(duì)鉆機(jī)的工藝要求設(shè)計(jì)了先進(jìn)的控制算法并用PLC程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)的主要控制部分為絞車(chē)控制、轉(zhuǎn)盤(pán)控制、游車(chē)防碰控制。由于本文主要是對(duì)絞車(chē)和轉(zhuǎn)盤(pán)的控制算法做了較大的改進(jìn)，因此本章著重介紹以上兩個(gè)部分的算法與程序?qū)崿F(xiàn)。 絞車(chē)控制算法絞車(chē)控制在整個(gè)鉆機(jī)控制系統(tǒng)中處于