防过冲游车防碰系统设计

黄 超，张 扬，杨 睿

（1.滨州学院自动化系，山东滨州256600；2.煤炭科学研究总院经济与信息研究分院，北京100013；3.北京邮电大学电子工程学院，北京100876） ①

防过冲游车防碰系统设计

黄 超1，张 扬2，杨 睿3

（1.滨州学院自动化系，山东滨州256600；2.煤炭科学研究总院经济与信息研究分院，北京100013；3.北京邮电大学电子工程学院，北京100876）①

为了避免游车机械事故或人身伤害事故的发生，设计了一种防过冲游车防碰系统。该系统以嵌入式系统为核心，通过检测增量编码器的信号，实现游车在上下移动过程中的实时监测，在出现上碰天车、下砸平台、过速下冲的事故征兆时自动刹车，从而减少钻井作业事故的发生。

防过冲系统；游动滑车；增量式光电编码器

在钻井施工和维修作业中，由于游动滑车（简称游车）上碰天车、下砸平台以及飞车事故时有发生，如何提高游车的安全控制技术成为石油钻井业安全重点。传统的游车控制主要是靠司钻工来控制游车的游动高度和速度［1－2］。游车上行高度均超过井架的二层台，所以游车的上行高度通常靠司钻工的目测；游车下行速度控制也是靠司钻工的感觉，当游车速度过快，刹车容易失灵，将会产生飞车事故，司钻工熟练程度决定了钻井系统的安全系数。为了提高钻井系统的安全性，设计了防过冲游车电子防碰系统，不仅具有防碰、游车高度显示、速度控制等功能，还有提前报警以及安装容易等特点。该游车防碰系统采用了增量式编码器、大存储量的MCU，结合钻井运行及安全的实际需求而研制的，用于自动监测井队在起下钻作业时的游车高度，运行速度实施自动监测和刹车功能，从而能够有效防止游车上碰天车、下砸平台以及飞车事故的发生。

1 防过冲游车防碰系统组成

1.1 基本原理

在绞车滚筒轴上安装增量光电编码器，通过光电编码器检测滚筒的转数，获取绳索的伸缩量。由天车轮的数量计算出游车大概的高度值，对游车的运行位置进行安全控制。通过光电编码器单位时间内发送脉冲的数量，计算滚筒的速度，分析游车是否属于飞车现象，以便对其进行安全控制。

1.2 系统框图及功能

防碰系统由增量式光电编码器、系统控制箱、气源、电磁换向阀、刹车执行机构、显示、报警等组成，如图1所示。控制过程是：增量式光电编码器将游车的高度信号通过滚筒半径、动滑轮组数转换成SSI信号，传输到嵌入式系统采集处理单元。由嵌入式系统采集处理单元将信号解码计算成高度信号，并控制液晶显示块以图形和数字的方式显示其准确高度。然后再判断是否超过报警值和刹车值，如果游车高度超过报警值，则由嵌入式系统控制报警器报警进行声光报警，如果游车高度超过刹车值，则由嵌入式系统控制电磁阀打开气源进行刹车，完成游车超程控制功能。同样通过编码器脉冲数，检测滚筒的转速，判断游车是否飞车，完成游车的过冲控制功能。防碰系统操作界面如图2所示。

图1 游车防碰系统硬件组成

图2 防碰系统操作界面

2 硬件设计

2.1 增量式光电编码器信号处理电路

该系统采用TRD－K1024－CS增量式光电编码器，分辨率为1 024，信号由A和B组成，它们之间的相位差是90°。还有一个1圈标定信号C，在编码器旋转1圈的时候产生1个信号，可以消除编码器的累积误差［3］，其信号输出格式如图3所示。

图3 增量式光电编码器原理

增量型光电编码器有相位差是90°的A、B两条信号线，通过A与B的超前或者滞后判断编码器的正反转，判断方向可以使用一个D触发器进行检测，A、B作为D触发器的输入信号，D触发器的输出端Q作为编码器的方向判断［4］，依此获取游车是上行还是下行。采用一个与非门检测编码器转过的角度，依此获取游车的高度。硬件电路如图4所示。

图4 增量式光电编码器信号处理电路

2.2 按键和液晶驱动电路

液晶显示部分采用320240液晶进行显示，外部命令输入采用轻触开关。人机交互功能实现电路如图4所示，STC89C516RD＋单片机接口部分是由并行接口、串行接口、中断系统、定时／计数器及时钟电路等组成。1个8位（P0.0～P0.7）并行端口来用作输出；RD、WR分别为读操作信号和写操作信号，低电平有效；CS为片选信号，低电平有效；A0为I／O缓冲器选择信号，为1时，写指令代码或读数据，为零时，写数据、参数［5－6］。按键和液晶显示电路如图5所示。

图5 按键和液晶显示电路

系统的状态切换键，使得系统在工作状态和设置状态间进行切换。为了避免系统被操作人员误操作，只有长按设置按钮3s以上才能进入设置状态，同时在液晶屏的右下方会出现“设置状态”字样，依此提示操作人员系统处于设置状态。

2.3 掉电保存电路

游车防碰系统可实时记录游车的位置，当钻井系统停电时，需要保存游车当前的高度值，为系统重新上电后，提供高度初始值。掉电保存电路如图6所示。该系统采用集上电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有块保护功能X5045作为数据存储单元。该器件属于串行EEPROM，具有块保护功能的8位结构，数据通信有一个4线构成的SPI总线方式进行操作。X5045与MCU连接，CS片选信号、SCK时钟信号分别与MCU的P1.3、P1.5相连，SI、SO分别进行数据的写入和读取。

图6 掉电保存电路

3 软件设计

图7 主程序框图

程序框图如图7，主要由初始化程序、主程序、故障处理子程序、参数设置、掉电存储、液晶显示和报警程序等部分构成。系统初始化时，首先用默认参数进行系统初始化设置，检查系统配置的EEPROM中是否存在掉电标志，若存在掉电标志，则将EEPROM中数据作为当前参数恢复，然后执行主程序。主程序主要由一个循环构成：正常运行时，程序首先完成计算、控制、异常运行情况的处理功能，如果有装置发生故障，则保存故障信息并传送给主控芯片完成故障处理。同时，程序转到故障处理子程序中执行。如果有键盘输入，可进行参数设置。

4 结论

1） 防过冲游车防碰系统可精确地检测游车的位置，确保游车能够工作在安全的行程内。

2） 该系统可以对游车的运行速度进行精确检测和控制，防止游车运行速度过快，产生飞车现象。

3） 人机界面设计简捷，操作简单，具有较强的抗干扰性。

［1］ 曹维立，邓 俊.SFP－DG型游车防碰及吨公里综合指示仪的研制与应用［J］.石油矿场机械，2010，39（3）：74－76.

［2］ 游车－天车－绞车系统运动及动力学特性探讨［J］.石油矿场机械，2009，38（3）：54－57.

［3］ 王晓明.电动机的单片机控制［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2002：78－85.

［4］ 邬伟奇.STC89系列高性能单片机及其应用［J］.微计算机应用，2004（7）：92－94.

［5］ 张晓东，计玉芳，蒯申红，等.基于ISD4004智能语音提示系统设计［J］.皖西学院学报，2008（2）：69－71.

［6］ 尹 溪，涂起龙.基于单片机液晶显示模块LCM12232的接口设计［J］.煤矿机械，2010（3）：254－256.

Design and Implementation of Traveling Block Anti－collision System

HUANG Chao1，ZHANG Yang2，YANG Rui3
（1.Automation Department，Binzhou University，Binzhou256600，China；2.Economy and Information Research Institute，China Coal Research Institute，Beijing100013，China；3.School of Electronic Engineering，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing100876，China）

In order to avoid traveling block accident or personal injury，mechanical accidents，design of a vehicle anti－overshoot－type anti－collision system tour.The system is based on STC89C51micro－controller，by measuring the incremental encoder signals，to realize the ride up and down in the drilling process in real－time monitoring，when there on the touch crane，under the rolling platform，too fast under the red fault，automatic braking thereby reducing drilling engineering safety accidents.

anti－collision system；traveling block；incremental photoelectric encoder

1001－3482（2011）08－0032－04

TE923

A

2010－12－23

黄 超（1981－），男，山东苍山人，硕士，主要从事电气自动化与控制系统的研究，E－mail：cst1604＠126.com。