【文章內(nèi)容簡介】 LC配置請參見圖32所示。圖32 PLC控制系統(tǒng)配置圖 控制系統(tǒng)監(jiān)控點數(shù)統(tǒng)計本文所描述的鉆機控制系統(tǒng)的輸入輸出量較多，所以需要監(jiān)控的點數(shù)也較多，現(xiàn)列出部分主要的監(jiān)控點，如表33和表34所示。表33 模擬量監(jiān)控表項目名稱類型位置1鉆壓輸入鉆具2轉(zhuǎn)速輸入轉(zhuǎn)盤3扭矩輸入轉(zhuǎn)盤4絞車轉(zhuǎn)速輸入絞車5直流電流輸出盤剎電磁溢流閥6壓力輸入盤剎液壓系統(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)盤變頻器14出口流量輸入泥漿泵15轉(zhuǎn)速給定輸出轉(zhuǎn)盤變頻器表34 數(shù)字量、開關量監(jiān)控表項目名稱位置類型備注(點數(shù))1送鉆準備所有單元輸出2自動送鉆啟動(停止)所有單元輸出23自動起下鉆絞車輸出4急停所有單元輸出5絞車電機上升停止下降絞車變頻器輸出36軟啟動合閘(1,2)軟啟動器輸出27轉(zhuǎn)盤電機正轉(zhuǎn)停止反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤變頻器輸出38除沙泵啟動、停止除沙泵輸出29加重泵啟動、停止加重泵輸出210剪切泵啟動、停止剪切泵輸出211軟啟動故障(1,2)軟啟動器輸入212軟啟動運行(1,2)軟啟動器輸入213除沙泵運行除沙泵輸入14加重泵運行加重泵輸入15剪切泵運行剪切泵輸入16攪拌器啟動、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)動作游車輸出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司鉆臺氣損司鉆臺輸入 根據(jù)以上監(jiān)控各點可知，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。 主要硬件設備選型 工控機的選用工業(yè)控制機是指對工業(yè)生產(chǎn)過程及其機電設備、工藝裝備進行測量與控制用的計算機，簡稱工控機。工業(yè)控制機由計算機基本系統(tǒng)和過程I/O系統(tǒng)組成，計算機基本系統(tǒng)由系統(tǒng)總線、主機模板、存儲器板、人機接口板與CRT、磁盤機、打印機等通用外設組成。過程I/O系統(tǒng)輸入信號調(diào)理板和A/D轉(zhuǎn)換器，將現(xiàn)場傳感器測量的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺M量經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換器），變成數(shù)字量輸入計算機，計算機輸出信號經(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)行機構(gòu)的功率驅(qū)動信號控制執(zhí)行機構(gòu)。硬件系統(tǒng)一般由運行操作臺、可放計算機、CRT、外設、主機柜、I/O機柜（機箱、電源、接線端子板、接地保護裝置等）等。軟件系統(tǒng)由實時操作系統(tǒng)、實時數(shù)據(jù)庫及應用軟件、數(shù)據(jù)采集與處理軟件、各類控制軟件（PID直接數(shù)字控制、先進控制軟件）組成。與商用及個人機比較，工業(yè)控制機的特點是強大的過程輸入輸出能力，高可靠性與實時性。我們準備選用研華工控機，研華在工控機領域一直處于世界領先地位。如圖33所示： 圖33 研華原裝工控機 ACP4060系列應用范圍：工業(yè)自動化監(jiān)視和控制。主要特點 ： 高 19” 機架安裝機箱，帶 ” TFT 顯示屏、OSD 功能、薄型鍵盤和觸控板一體化 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驅(qū)動器托架，可安裝三個半高驅(qū)動器應用于沖擊、振動和高溫等惡劣環(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化環(huán)境的靈活性更長的壽命周期支持，保護投資 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之間的一種全新設備詳細介紹：SIAMTIC MP 370功能強大的CPU，高性能的圖形可視化界面，同時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個系統(tǒng)鍵36個功能鍵集成LED，都可用作軟鍵防護等級：前面板IP65，后面板IP20用戶內(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）開孔尺寸：450*290*59mm（寬*高*深）MP 370觸摸式，256色，提供800*600像素防護等級：前面板IP65，后面板IP20用戶內(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）開孔尺寸：310*248*59mm（寬*高*深） PLC的選用PLC系統(tǒng)選用西門子s7300PLC。如圖35所示。圖35 s7300PLC產(chǎn)品簡介：s7300是模塊化中小型 PLC 系統(tǒng)，它能滿足中等性能要求的應用。 模塊化，無排風扇結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)分布，易于用戶掌握等特點使得s7300成為各種從小規(guī)模到中等性能要求控制任務的方便又經(jīng)濟的解決方案。詳細介紹：SIMATIC s7300可編程序控制器是模塊化結(jié)構(gòu)設計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。 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，有的CPU上集成有PROFIBUSDP通訊接口等。信號模塊 (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)絡和點對點連接。 功能模塊 (FM)：用于高速計數(shù)，定位操作 (開環(huán)或閉環(huán)控制) 和閉環(huán)控制。負載電源模塊 (PS)：用于將SIMATIC S7300 連接到120/230V AC電源。接口模塊 (IM)：用于多機架配置時連接主機架(CR)和擴展機架 (ER)。S7300通過分布式的主機架(CR)和3個擴展機架(ER)，可以操作多達32個模塊。運行時無需風扇。 SIMATIC M7自動化計算機 ：AT兼容的計算機用于解決對時間要求非常高的技術(shù)問題。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家標準GB766587對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(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，結(jié)構(gòu)緊湊，造形優(yōu)美，測量精度高，抗偏能力強，廣泛運用于配料、機械制造、拉力試驗機等計量與控制系統(tǒng)中。特點：高精度、低漂移、量程寬、抗偏載能力強技術(shù)參數(shù)：不重復性：，%溫漂：，%零位輸出：≤2%激勵電壓：10V 或 12V，15V，24V(DC)工作溫度：20~80 ℃過載能力：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)品簡介：PTX 661系列錘式泥漿壓力傳感器為了路上石油鉆井應用的極端惡劣環(huán)境，抵抗了高震動和沖擊。性能與優(yōu)點：量程：精度：177。% FSNACE MR 0175 兼容CENELEC 固有本安認證FM/CSA Class I ,Div 1CE 認證快速相應時間（2kHz）可修復性（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)品簡介：PMP 1240 工業(yè)壓力傳感器用于很多工業(yè)和過程應用中的惡劣環(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)適應性，而無需犧牲Druck微機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，因此適合應用于石油和天然氣等工業(yè)領域中。性能與優(yōu)點：壓力范圍： to 15000 psig ，5 to 15000 psia輸出三線制，15 Vdc低壓精度：177。% FS BSLNACE MR 0175兼容低價格UL/FM/CSAG工業(yè)安全等級Class I, Div IFM/CSA防爆等級Class I, Div ICE標記。如圖39所示。圖39 華控技術(shù)HKNARGOXX現(xiàn)場總線扭矩傳感器產(chǎn)品簡介： HKNARGOXX系列現(xiàn)場總線扭矩傳感器是一種測量各種動力機械轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)速及機械功率的精密測量儀器。本傳感器將力矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成頻率信號。 (1)扭矩的測量： 采用應變電測技術(shù)。這種方式具有精度高、響應快、可靠性高、壽命長等優(yōu)點。將四支應變片粘貼在彈性軸上，并組成應變橋。在A和C端加10V激勵電壓， B和D端輸出差分信號電壓Vbd。當彈性軸受到扭力時，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，同時四個應變片阻值發(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)力成線性關系。Vbd=KMnVbd——應變橋輸出的差分信號電壓，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)速的測量：采用光電碼盤測量轉(zhuǎn)速，軸每旋轉(zhuǎn)一周可產(chǎn)生60個脈沖。將脈沖信號變成方波頻率信號輸出。主要功能及性能指標：扭矩示值誤差： ＜177。 % F S靈敏度： 1177。 mv / V非線性： ＜177。 % F S 重復性： ＜177。% F S回差： ＜ % F S零點溫飄： ＜ % F S /10℃靜態(tài)超載： 120 % 斷裂負載： 200 %使用溫度： 0℃ ～ 60℃儲存溫度： －20℃ ～ 70℃電源電壓： 177。15V177。5%總消耗電流： ＜130mA頻率信號輸出： 5KHZ—15KHZ負額定扭矩：5KHZ177。10HZ零扭矩：10KHZ177。10HZ正額定扭矩：15KHZ177。10HZ信號占空比： （50177。10）% 手把電位器電位器是一種可調(diào)的電子元件。它是由一個電阻體和一個轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)組成。當電阻體的兩個固定觸電之間外加一個電壓時，通過轉(zhuǎn)動或滑動系統(tǒng)改變觸點在電阻體上的位置，在動觸點與固定觸點之間便可得到一個與動觸點位置成一定關系的電壓。如圖310所示圖310 WX903型線繞電位器產(chǎn)品特點：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位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者成為碼盤，后者稱碼尺．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，以電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(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，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“1”還是“0”。 選擇編碼器如圖311所示圖311 Elco宜科工業(yè)級精品旋轉(zhuǎn)編碼器 EC150P產(chǎn)品簡介：工業(yè)精品系列大軸套產(chǎn)品EC150P是廣泛應用于現(xiàn)代化工業(yè)中各類直接安裝在軸上反饋速度的場合，具有優(yōu)秀的抗機械損傷性能，可在軸上能承受較高的徑向和軸向負荷。技術(shù)參數(shù)：最大轉(zhuǎn)速（rpm）： 6000軸負荷（徑向/軸向）：[N] 200/100工作溫度（℃）： 20+90 防護等級： IP64出線方式 ：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鉆機控制系統(tǒng)包含很多個子系統(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PLC而設計的。Siemens公司的PLC有著良好的控制特性:很容易實現(xiàn)順序控制與邏輯控制、指令執(zhí)行時間短、浮點數(shù)運算精度高(精度可達32位)、穩(wěn)定性好、程序設計簡單直觀、功能強大且有多種特殊繼電器可選，因此在工控領域得到了廣泛應用。本章針對鉆機的工藝要求設計了先進的控制算法并用PLC程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)的主要控制部分為絞車控制、轉(zhuǎn)盤控制、游車防碰控制。由于本文主要是對絞車和轉(zhuǎn)盤的控制算法做了較大的改進，因此本章著重介紹以上兩個部分的算法與程序?qū)崿F(xiàn)。 絞車控制算法絞車控制在整個鉆機控制系統(tǒng)中處于