程通 （1981-）

男，漢族，河南省許昌人，本科，主要從事自動化設計方面的工作。

摘要：文章簡單介紹了原有抽油機操作系統，在原有絞車控制系統的基礎上進行了伺服系統的設計，并進行了相應的硬件選型和軟件編程方面的設計工作，最終實現了計算機絞車伺服系統的仿真模擬，取得較好的實驗效果，證明了該設計的可行性和有效性。

關鍵詞：絞車；步進電機；伺服系統

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濟發展中起著很大的作用，直接影響到經濟的快速發展與否，因此石油行業得到迅速的發展，改進生產工具也成了不可避免的發展趨勢。由于國內傳統的抽油機大多是人工的機械式抽油機，影響到抽油機的工作效率，而且工人的作業強度極大，使得原油的生產成本較高。因此絞車控制系統的進一步自動化，具有非常巨大的潛在市場價值，其開發也是必然趨勢。

1 設計方案

    本絞車的動力是由一臺柴油發動機提供，傳動軸經離合器與滾筒相連，滾筒上繞有鋼纜連接活塞對油井進行作業。滾筒上裝有制動機構（剎把），制動機構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，實時自動調整手柄位置來實現對鋼纜下降速度的控制。

    本設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先權。整體系統設計方案分為三部分：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之間的通信），控制部分。其整體系統框圖如圖1所示。

                                圖1   整體系統框圖

    當絞車自動運行時，控制系統根據實時情況，鋼纜張力、下放（上升）速度等參數，選用不同的控制方式對絞車進行控制。控制的方式包括調節制動力矩的氣缸氣壓控制模式和調節發動機輸出力矩的油門開度控制模式。絞車自動控制功能的實現主要就是根據絞車工作的方式對以上兩種控制方式適當組合和合理控制。

    軟件主要由系統初始化模塊、自檢模塊、主控制模塊、信號監測、制動手柄中斷服務程序模塊等幾大部分組成，系統控制流程圖如圖2所示。

    系統初始化模塊在單片機上電復位時對系統進行初始化。初始化內容包括單片機內部的時鐘、各端口設置、存儲器配置、通訊接口、模擬和數字通道、看門狗定時器、系統變量等，以保證單片機正常運行。另外還包括對系統的執行機構進行復位，確保絞車的安全運行。

    自檢模塊是在系統初始化后對關鍵軟、硬件部分進行靜態檢測，以判斷系統的軟、硬件工作是否正常。包括RAM自檢以及通信鏈路的建立等。如果發現控制系統中存在故障，故障警示燈會尖端點亮報警。

    主控制模塊為控制系統的控制主程序，位于圖2的虛線框內。主控制模塊首先調用參數監測模塊（包含RS485通信模塊和UART通信模塊和數據處理模塊），監測絞車設備參數和運行參數，然后判斷絞車的工作狀態。若處于停機或手動狀態，則循環調用監測模塊對絞車參數實時監控，并將系統狀態及參數通過UART傳送至事務處理單片機進行操作（顯示、存儲、打印等操作）；若進入自動運行狀態，則通過定時器中斷T1做固定周期100ms（暫定）的循環，連續調用參數監測模塊、制動參數控制模塊、油門參數控制模塊，實時進行絞車運動狀態的判斷。

    正常情況下，在循環調用以上模塊時，依據絞車當前的運行狀態，由控制執行模塊分別進行制動氣缸氣壓和發動機油門開度的模擬量控制（4-20mA）。系統自動運行過程中，若監測參數由超限情況，執行報警2程序。 

    為了適應駕駛員制動動作與控制器制動控制之間緊急切換需要，設計了按鍵緊急制動中斷服務程序（手柄操作時控制器控制權終止）。當收到緊急制動按鍵觸發的中斷時，進入按鍵緊急制動中斷服務程序，如果絞車處于鋼纜下放/上升方式，立即執行報警1程序。

                                圖2   系統控制流程圖

    本次設計具體模擬方案選定：錯誤！未找到引用源。 單環（內環）模擬在單片機內設好一個電壓給定值，將其與反饋電壓值比較，通過數字PID調節后送給步進電機控制信號，使其轉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（速度環）時在現有的條件下沒有找到合適的方法進行模擬，現在準備了兩種方法進行模擬。第一種是，在程序中作一組數據當作外環的反饋量進行調解，觀察現象是否符合理論。這一種方法的難處在于給定數據的選取（包括數據的數量和規律）。第二種是，人工旋轉另外一個電位器來當作速度環的反饋，觀察現象是否符合理論。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性，很難進行參數調整和計算。在此次設計中進行模擬時并沒有把主環完整的加上，而是在副環調好的基礎上，然后人手動一個電位器給一個主環反饋信號。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

    該系統是用數字PID控制，其中壓力環（內環）采用增量式數字PID控制，外環采用位置式數字PID控制，兩個環形成串級控制。絞車控制系統原理圖如圖3所示。 

                                圖3   絞車控制系統原理圖

    系統給定是一個速度值，其范圍是0~5m/s，主環的反饋是速度主調節器（PID1）的輸出是氣缸氣壓的范圍。副環是一個氣壓環，其實際上所調節的是手柄位置，副調節器（PID2）的輸出直接對步進電機的角度進行調整（根據手柄位置的差值可以確定給步進電機的脈沖數）。本設計中把步進電機做成了閉環控制，作為一個定位工具，主要是實現對操作手柄的位置控制，這是本設計的特點。步進電機的不同角度對應著操作手柄的不同位置，而手柄位置又通過一個機構對應著氣缸閥門的開度（是一種線性關系）。步進電動機的位置是帶記憶的，而且手柄和氣缸閥門開度是一種線性對應關系，氣缸壓力又和閥門開度是線性關系，氣缸壓力決定著對滾筒抱閘力的大小且呈線性系。因此對步進電動機進行調節的副環PID調節器應選用增量式控制。

3 硬件連接方案

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

                                圖4   系統連接示意圖

    PC機和目標板的連接是通過一個適配器，這樣可以實現在線調試，便于檢查程序和修改程序。所用的開發軟件就是keil 公司的μVision2。在步進電動機驅動器和目標板之間加一個光電隔離，是為了保護控制電路和抑制驅動器對控制電路的干擾。通過驅動器可以確定步進電動機的工作狀態并使步進電動機按照預設的狀態運動。旋轉電位器是通過連接軸和支架與步進電機的轉軸相連的，旋轉電位器和步進電動機并沒有電氣連接。因為電機對線路的干擾太大，在電位器輸出電壓信號反饋回單片機時要經過一個低通濾波電路（經過實際驗證）。

    按照上面的連接方法，將會對旋轉電位器輸出電壓進行控制。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的模擬。其實這種模擬方法更適合于副環，因為速度信號時時變化且需要調節器不斷的調節（它任何時候都有要變化的趨勢），而壓力信號則是一個調整后相對穩定的量。這一點正好與上面的電位器反饋的系統有所相似，只是步進電動機要實現的不是對氣缸氣壓的調節而是對電位器輸出電壓的控制。模擬系統中需要一個24V/3A的開關穩壓電源和一個5V/0.5A的開關穩壓電源，其中24V的電源給步進電動機供電，5V的電源給光藕和步進電動機驅動供電。系統中的接地也是有講究的，光藕的發光側與目標板共地，光藕的輸出側與驅動器共地，步進電動機單獨供電。

4 系統軟件實現

    系統軟件開發環境采用Keil ?Vsion 2.0，Keil IDE(μVision2) 集成開發環境是Keil Software Inc/Keil Elektronik GmbH 開發的基于80C51內核的微處理器軟件開發平臺，內嵌多種符合當前工業標準的開發工具。可以完成從工程建立和管理，編譯，連接目標代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發流程。μVision2 軟件調試器能夠進行快速、可靠的程序調試。調試器包括一個高速模擬器，可以使用它模擬整個80C51 系統，包括片上外圍器件和外部硬件。當您從器件數據庫選擇器件時，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副環調節程序的整體流程簡圖如圖5所示，是先編的副環程序，然后才加上主環的程序，這樣做是符合串級控制的設計方法。

5 試驗結果

    按照上面的硬件連線和軟件設計所做的模擬控制效果可以通過下面的數據反映出來。

                               表1   調節誤差表

    由表1可知系統的穩態誤差值非常小，可以滿足應用要求。另外可以確定在穩定值上步進電動機是靜止的，不會出現連續晃動，避免了因步進電機連續晃動對機械部分造成損傷。在上表中的PID參數下，調試時根據粗略的測量可以知道調節時間一般在１至２秒之間，并且是幾乎沒有超調量的。

    在進行雙環調試時，所選用的方法是用手動賦予外環一個反饋值。理論上分析，若是外環的反饋值大于給定值，那么步進電動機上的電位器應輸出最小值即0V；若是外環的反饋值小于給定值，那么步進電動機上的電位器應輸出最大值2V。經過實驗驗證，所做模擬系統完全符合理論上的分析。

6 結束語

    石油行業的迅速發展決定了石油設備自動化的迫切需求。本設計在原有絞車系統的基礎上進一步改進，實現了系統的自動控制，有利于抽油機生產效率的提高，減少操作人員的勞動強度，進一步降低生產成本。因此必將為絞車控制系統的進一步自動化提供有益的借鑒，也會給絞車控制系統方面的設計人員提供一點啟示。

參考文獻

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