（1.石家莊理工職業(yè)學(xué)院， 河北 石家莊 050228； 2.河北建勘鉆探設(shè)備有限公司， 河北 石家莊 050031）

摘 要： 隨著鉆探行業(yè)的不斷發(fā)展，鉆探設(shè)備施工中的動力提供已經(jīng)由原來的單一柴油機作為動力源，演變?yōu)橛呻姍C、柴油機混合或直接用電機作為鉆機系統(tǒng)的動力輸入。例如在水井和地?zé)峋┕ぶ?，由于施工位置大部分能提供電網(wǎng)供電，使其得到了廣泛的應(yīng)用。雖然，鉆井設(shè)備的電機動力源改造在近年來得到不斷更新發(fā)展。但是，由于鉆機自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其自身在實際運行的過程中出現(xiàn)了比較多的問題，特別是電機啟動裝置與電機的匹配問題。這里針對機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)，對其進(jìn)行深入的分析和探究，得出機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)能夠有效解決上述問題。除此之外，該控制系統(tǒng)還能夠進(jìn)一步提高鉆機的運行效率，并保障其運行時的安全性和可靠性，讓其可以實現(xiàn)自動化控制的這一運行過程。

關(guān)鍵字： 鉆機； 軟起動裝置； 自動化； 機械電子控制系統(tǒng)

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0121?03

機械電子式軟起動裝置控制系統(tǒng)，是一個“主從式二級控制”系統(tǒng)，它的組成結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，包括：變頻器、傳感器、上位計算機以及可編程控制器等。其中，主控制器是上位計算機，從控制器是可編程控制器。在整個機械電子式軟起動裝置控制系統(tǒng)中，主控制器的職責(zé)是非常多的，比如：它要對從控制器的程序進(jìn)行規(guī)范化的修改、對系統(tǒng)所需的信號進(jìn)行合理的采集、對系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的記錄以及實現(xiàn)輸入或者是輸出操作等。而可編程控制器作為系統(tǒng)的從控制器，它的職責(zé)就是對整個系統(tǒng)中的循序動作進(jìn)行及時并有效的處理。

1 機械電子式軟起動裝置控制系統(tǒng)

機械電子式軟起動裝置的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機械電子式軟起動裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該控制系統(tǒng)的工作原理，大致可分為以下幾個部分：

（1） 系統(tǒng)正常運行時，可編程控制器在電流的作用下，開始投入運行。當(dāng)其運行速率達(dá)到一定要求的時候，就會對變頻器的輸出頻率進(jìn)行合理的控制。此時，變頻器也就會實現(xiàn)間接性控制調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速這一過程。而調(diào)速電機一旦受到控制，就會依據(jù)早已設(shè)計好的升速規(guī)則，對自身的轉(zhuǎn)速進(jìn)行不斷的提升操作。

（2） 當(dāng)調(diào)速電機的轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)期要求時，可編程控制器就會自動連接上位計算機的電源，讓上位計算機開始運行。此時，因系統(tǒng)要為差動輪系合成其必須的速度，所以系統(tǒng)的負(fù)載端不會有任何輸出。

（3） 系統(tǒng)上的負(fù)載投入運行時，調(diào)速電機就會在可編程控制器的作用下，依照之前設(shè)計好的降速規(guī)則做減速運動。此時，系統(tǒng)的負(fù)載端開始進(jìn)行輸出操作，直到調(diào)速電機降低到原來的轉(zhuǎn)速為止。

（4） 當(dāng)負(fù)載軟停止時，調(diào)速電機在可編程控制器的作用下，開始做加速運動，而上位計算機仍會維持額定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)。與此同時，負(fù)載也會在系統(tǒng)合成的特定速度之下，逐漸降低其自身的運行速度，直到運行速度降低到零為止；

（5） 系統(tǒng)停止運行時，可編程控制器會自動的依次切斷主電機和調(diào)速電機的電源。此時，整個系統(tǒng)都處于停止運行的狀態(tài)。

2 機械電子式軟起動裝置控制系統(tǒng)的研究

2.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)是該控制系統(tǒng)中的一個重要組成部分，且其也能夠?qū)φ麄€控制系統(tǒng)的運行過程產(chǎn)生直接性的影響。因此，技術(shù)人員在對該控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建的過程當(dāng)中，就必須要嚴(yán)格依照國家的有關(guān)規(guī)定去進(jìn)行。另外，為了提高硬件系統(tǒng)的運行效率，技術(shù)人員還必須要充分考慮到以下三個方面：

（1） 估算硬件的內(nèi)存時要保證估計值的科學(xué)性與可靠性

由于技術(shù)人員對硬件內(nèi)存容量的需求會隨著各種原因而不斷改變，比如：技術(shù)人員自身的編程水平、技術(shù)人員對內(nèi)存進(jìn)行利用的效率以及模擬量的點數(shù)等。因此，技術(shù)人員在對硬件內(nèi)存的容量進(jìn)行估算時，就要站在整個系統(tǒng)的角度上，對系統(tǒng)的方方面面都進(jìn)行一番全面的考量，然后再依據(jù)內(nèi)存計算公式，對當(dāng)前系統(tǒng)所需的硬件內(nèi)存進(jìn)行合理的估算，以確保估算值的科學(xué)性與可靠性。其中，硬件內(nèi)存計算的公式為：

[C=（P1+P2）×10+M×150]

式中：[C]代表的是硬件內(nèi)存的估算值；[P1]和[P2]分別代表的是開關(guān)量輸入/輸出時的點數(shù)；[M]代表模擬量的點數(shù)。

（2） 響應(yīng)時間的計算要符合規(guī)范

一般來說，因可編程控制器具有一種特殊的運行方式，所以它不會在連續(xù)很長的一段時間之內(nèi)，都接受某種小于其自身運行周期的輸入信號。另外，由于響應(yīng)時間的計算公式為：

[T=T輸入濾波+T輸出濾波+T運行周期]

式中：[T]代表的是響應(yīng)時間；[T輸入濾波]代表的是濾波輸入的時間；[T輸出濾波]代表的是濾波輸出的時間；[T運行周期]代表的是可編程控制器的運行周期。因此，結(jié)合上述兩個方面，并在對可編程控制器進(jìn)行一番仔細(xì)的考量之后，得出最適用于該控制系統(tǒng)的可編程控制器的型號為：西門子系列的CPU226，該型號的可編程控制器的組成結(jié)構(gòu)包括：電源、CPU以及輸入/輸出點。

電源：為整個可編程控制器提供可安全、穩(wěn)定的電力；

CPU：執(zhí)行控制系統(tǒng)發(fā)出的要求，并對控制系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效的儲存；

輸入/輸出點：輸入點可以從系統(tǒng)中的各種設(shè)備中采集可用信號，而輸出點則負(fù)責(zé)對系統(tǒng)中的電機或者是其他設(shè)備進(jìn)行有效的控制。

（3） 輸入/輸出點數(shù)的估算要符合系統(tǒng)要求

輸入/輸出點數(shù)的估算值，對于整個控制系統(tǒng)來說，是非常重要的。其次，技術(shù)人員也可以通過輸入/輸出點數(shù)的估算值，來選擇最有利于該控制系統(tǒng)的可編程控制器。所以，技術(shù)人員就必須要對輸入/輸出點數(shù)進(jìn)行合理并符合規(guī)范的估算，并在獲取到估算值之后，按照估算值的大小，選擇一種適用于當(dāng)前控制系統(tǒng)的可編程控制器。這樣一來，也就可以在很大程度上提高可編程控制器的運行效率。依據(jù)估算值選擇可編程控制器時，要預(yù)留出15%左右的輸入/輸出點數(shù)。結(jié)合鉆探設(shè)備的應(yīng)用特性來看，輸入/輸出點數(shù)的估算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 輸入/輸出點數(shù)估算示意

2.2 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)中的“數(shù)據(jù)通信”指的是：數(shù)據(jù)在同級或不同級之間實現(xiàn)傳輸或者是接收的一個過程，而該控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通信，也主要是依靠可編程控制器和上位計算機來實現(xiàn)的。其中，可編程控制器和上位計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時所使用的端口號是RS 485和RS 232，且它們進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的模式是字符串模式。另外，它們實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的原理是：由可編程控制器把控制系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)信息以及運行狀態(tài)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C中，上位計算機一旦接收到這些數(shù)據(jù)信息和運行狀態(tài)之時，就會立即對它們進(jìn)行合理并有效的分析和處理。

2.3 軟件系統(tǒng)

搭建該控制系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的依據(jù)是控制系統(tǒng)流程圖以及控制系統(tǒng)功能預(yù)設(shè)圖；采用的編程軟件V3.1 STEP Micro/WIN；編程平臺為計算機平臺；輔助技術(shù)為計算機技術(shù)與通信技術(shù)。另外，技術(shù)人員在為該控制系統(tǒng)搭建軟件系統(tǒng)的前一階段，還應(yīng)當(dāng)對帶式傳送機的實際運行情況進(jìn)行更深入的了解，然后再依據(jù)了解到的情況，對該控制系統(tǒng)的各個控制進(jìn)程進(jìn)行合理的設(shè)計。其中，該控制系統(tǒng)中所必備的控制進(jìn)程包括以下幾個：

（1） 把定時器作為控制系統(tǒng)軟啟動以及軟停車操作的主要控制器，讓操作人員通過對定時器進(jìn)行時間預(yù)設(shè)的操作，使控制系統(tǒng)依照預(yù)定的速度規(guī)則，自動的實現(xiàn)軟啟動和軟停車過程。

（2） 如果有停車要求時，控制系統(tǒng)可自動進(jìn)行順序斷電操作。若遇突發(fā)情況導(dǎo)致的停車，控制系統(tǒng)也可直接切斷系統(tǒng)中的所有電源，保證系統(tǒng)不會因此受到任何影響。其中，順序斷電需要借助定時器，其實現(xiàn)原理是：依據(jù)操作人員預(yù)先設(shè)置好的時間，進(jìn)行斷電操作。

（3） 利用“系統(tǒng)自檢”功能，對整個控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行實時的監(jiān)測與控制。倘若在監(jiān)測與控制的過程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)中存在著的錯誤，那么該功能就會自動觸發(fā)系統(tǒng)警報器，提示操作人員系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。如果，控制系統(tǒng)中不存在任何錯誤，那么該功能就會執(zhí)行下一個任務(wù)，從而讓其繼續(xù)對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測與控制。

（4） 把定時器合理的運用到軟件系統(tǒng)中，可以讓可編程控制器在定時器的作用之下，實現(xiàn)自動起動或者是停止的操作。其具體表現(xiàn)在：當(dāng)達(dá)到操作人員對定時器預(yù)置的時間之時，控制系統(tǒng)中的電機會在可編程控制器的作用下，開始實現(xiàn)運行，并在預(yù)置的某一時間段之內(nèi)，達(dá)到相應(yīng)的預(yù)置轉(zhuǎn)速。另外，可編程控制器也可以依據(jù)其自身的輸出頻率，對控制系統(tǒng)中調(diào)速電機的運行速度進(jìn)行合理的控制。

3 機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)研發(fā)的作用

機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)的研發(fā)，不僅可以提高系統(tǒng)中負(fù)載的運行效率，還可以讓整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)無極調(diào)速的這一運行過程。由此可見， 機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)的研發(fā)，對我國各行各業(yè)來說，都有著一定的實質(zhì)性應(yīng)用價值。現(xiàn)對機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)研發(fā)的作用進(jìn)行簡單的分析，并將其概括為以下幾點：

（1） 有利于提高施工鉆進(jìn)的生產(chǎn)效率；

（2） 有利于企業(yè)對現(xiàn)場施工進(jìn)行實施監(jiān)測與控制，以防止錯誤操作給整個生產(chǎn)線造成的影響；

（3） 有利于降低鉆井過程的生產(chǎn)成本；

（4） 有利于促進(jìn)我國鉆探行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展；

（5） 有利于我國機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)的創(chuàng)新；

（6） 有利于提升我國鉆井施工行業(yè)的整體水平。

4 結(jié) 語

綜上所述，機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)作為一種具有較高控制效能的系統(tǒng)，它在鉆井施工中的運用，無疑能提升了鉆探施工的生產(chǎn)效率。特別是在現(xiàn)代高科技技術(shù)的引領(lǐng)之下，機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)更是得到了最全面的改進(jìn)。然而，隨著時代的不斷發(fā)展，鉆探施工勢必會提高對機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)的要求。因此，在這種情況之下，國家有關(guān)部門就應(yīng)當(dāng)以“契合社會發(fā)展的趨勢”為主要目的，采用最先進(jìn)的技術(shù)對機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行不斷的創(chuàng)新。唯有這樣，才能夠提高機械電子式軟啟動裝置控制系統(tǒng)的效能，并讓其為鉆探施工行業(yè)，甚至各行各業(yè)提供最全面、最優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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