钻机起升实验台测控系统开发探讨

张浩祥

（江西省核工业地质局机械研究所）

引言

为了充分掌握钻机的相关工作要领，本文将利用现阶段已经有的仪器与设备进行分析，将实验台系统与计算机进行连接，编辑有效的测控系统，然后对数据进行处理，在计算机上以图形的方式得出数据处理的结果，分析在细节和辅助设备上是否满足技术要求，技术资料是否合理等。

1 实验台硬件设计

1.1 测控系统

测控系统的设计包括对设备、软件等方面的设计，在测控系统当中，传感器可以将速度、温度等数据以信号的方式进行传输，单片机在接收数据之后也能将数据发送至计算机内进行处理。在系统中，计算机是技术核心，各个节点可以在计算机区域接受命令，而现场总线技术的发展也可以让用户自行构成研究所需要的测控系统。测控系统本质上看是一种计算机控制系统，需要对被控对象的运行状态与运行参数进行检测分析。

1.2 钻机起升结构

钻机起升结构包括绞车、天车、游车、钢丝绳等，其中天车被安放在井架区域，需要具备一定的承载能力。而天车和游车共同组成的滑轮系统还能显著降低钻井敢做中发动机的功率与负载情况。从钻机起升结构的功能来看，用于完成下钻作业，并完成起升工作，作为变速结构而存在[1]。

1.3 传感器选择

实验台所选择的设备由于技术原因与设备质量因素需要进行全部更换，在某些设备上需要重新选择。

传感器方面，现代传感器类型众多，选择时需要考虑测量对象与测量环境的差异，包括传感器量程、引出信号的方式、测量方式的差异等。如果在线性范围内，传感器的灵敏度较高的前提下，输出信号值也会比较大，可以在处理信号方面更加简便。但灵敏度过道通常会导致测量精度受到影响，且传感器使用过程中也需要考虑到延迟带来的不利影响。理论上看，传感器的线性范围是输入与输出的正比例关系，此时灵敏度固定，其线性范围越大，则精度越高，量程越大。具体来看，在了解被测功率与工作转速时，可以按照公式来计算扭矩，即：

1.4 测速发电机选择

测速发电机可以将机械速度转换为电气信号，输出电压与输入转速之间保持正比例关系，在自动控制系统中可以作为测速元件来提升系统的稳定性与精密地，并广泛运用于速度控制系统当中。由于目前的直流测速发电机不存在相位误差，也无剩余电压的影响，得到了相对广泛的利用。

1.5 刹车系统

在传统实验台中多使用带式刹车，但由于这种刹车模式的技术缺陷，已经逐渐地被取代。目前多采用的是液压盘式刹车，即利用液压来对刹车盘施加压力，通过手柄调整来对刹车力大小进行控制。但需要注意的是由于该技术操作过程中无法根据手感来掌握井下钻头的实际工作状态，如果出现阀件质量问题与液压失压情况，则可能出现刹车失灵导致的钻井事故[2]。

2 钻机起升实验台的软件设计

2.1 设计原则

从设计原则来看，软件开发部分主要包括对现场数据的采集和处理，重点在参数设置与报警方面进行合理规划。整个实验台的设计需要保持程序的稳定性，利用模块化程序设计来分析不同模块的具体功能，按照程序功能要求绘制流程图，最终进行程序编写和调试修改工作。目前使用的开发工具包括C++、Matlab、V等，按照实际的实验台工作情况，可以选择LabVIEW作为开发工具，不仅可以让用户界面更加清晰具体，其全面的仪器接口也能简化与外界的联系。

2.2 软件设计规划

软件设计规划需要先进行方案建立，将不同的流程图进行组合后建立前面板，按照实际的功能要求来选择需要的对象，在功能面板上建立同步操作的流程图。而由于LabView具有模块化的特征，虚拟仪器可以作为独立的运行结构，将独立的软件单元制作成标准模块，以此为基础组件完整系统。从其功能来看，包括数据采集、数据存储、数据显示、数据查询和数据处理等多个模块，其功能性也有显著差异。另外，数据采集之前需要按照变送器信号频率和采样要求来控制采样频率，减少采集信号失真的情况，并将所有实验数据传输到计算机之内进行后续的分析和处理工作。

2.3 系统控制

系统控制模块可以从参数设置入手，程序的主要功能是对传感器参数与数据库参数进行合理配置，使之符合实验的基本要求[3]。按照传感器的设计理念，需要对传感器量程、阈值进行有效设计，尤其是报警阈值的设计工作，直接影响到设备故障时能够及时进行报警。设计环节可以通过对系统参数的更改来获取符合自身需求的系统运行方案。

而报警程序的设计需要考虑到采样值与报警阈值之间的比较结果。钻机起升实验台通过模拟现场作业的方式来获取结果，但由于井架设计的高度有限，实验台在实际运行过程中可能出现起升速度过快，因此需要通过报警称许来确定传感器在合理测量范围内展开工作。

2.4 通信模块

通信模块的作用在于对计算机功能进行监控，依据通用的TCP/IP协议来进行网络通信。另外，还可以实现对现场工作的远程管理，在监控计算机上查看实验进度。在Web网络之中，客户端配置的难度并不高，只需要在监控计算机中安装浏览器即可。另外，客户窗口中也可以打开监控程序的界面，浏览器通过HTTP协议便可以实现与现场工控机Web服务器建立间接。而通信模块中还应该包括帮助系统，可以详细描述系统结构说明与系统操作说明，利用系统来完成实验项目。

3 结语

本次研究分析了钻机起升试验台测控系统的开发工作，从硬件设计与软件设计方面进行了优化。硬件方面改进了对实验台的驱动方式，并改变了相关设备；软件方面，对测控程序进行了编写，完成了对不同模块的功能设计。总体来看，整个实验台结构清晰，可以为教学实验提供相应的技术支持。但是在未来的研究工作中，还需要进行一定的优化设计，例如如何调整系统信噪比、如何改善绞车性能与液力变矩器的传动功能等，以此为基础展开更深层次的系统开发，按照模块化设计的思想来展开各项工作。