简述手轮电位器的信号处理

董增锋

摘 要 本文介绍了手轮电位器在整个信号给定时处理问题的简单应用，達到现场对控制系统的准确控制，更好地满足现场工况的需求。

关键词 转盘;顶驱;线性;非线性;双精度整形

目前在石油钻井行业，控制操作广泛的应用手轮电位器，方法是将模拟信号给定到PLC，由PLC控制变频器，再由变频器来驱动电机如下图，例如：转盘的速度、扭矩的给定和限制;顶驱的速度、扭矩的给定和限制，随着钻井工艺的不断提高，对控制电机的精度要求越来越高，实现一些特殊的要求。

1低速时手轮信号的处理

由于电机是通过变频器控制。在低速时，变频器的输出频率会出现不稳定情况，这时需要电机以间歇方式运行，对手轮控制信号需要采取一些处理，变频器和手轮电位器是无法改变的，只能改变PLC程序，使其和实际工况相一致。在手轮给定低于5m/hour时，变频器的输出频率会出现不稳定情况，这时需要电机以间歇方式运行，就需要在PLC在程序中令变频器以间歇方式输出速度给定。

其数学计算如下：

为手轮给定的速度，在这里就是设定的5m/hour，为运行时间（在此，我们把运行时间定为10s）， 为周期。，为双精度整形数，保证了周期的精确性。由上式变换得：

算出周期后，设计一个计数器（10ms记1个数），让计数器的值在以内时输出1，令速度给定导通，在以后余下的 的时间内不输出速度给定信号，当计数器记满周期后置1从新计数。占空比就有得出。由于双精度整形数的运用，使之控制精度很高。以上是电机低速时，对手轮电位器给定信号的处理的算法，可根据以上算法，在PLC程序中采用此算法，可以很好地解决手轮给定在低频时不稳定的情况[1]。

2整个手轮给定中的信号处理

由于考虑到手轮调速范围非常大，在低速时调速非常不准确、不方便，所以对手轮的速度给定作了一下调整。如下图所示。

在手轮前1/3的量程里，为低速给定区域，在此区域内，手轮给定的速度在0～5m/hour的范围内，此时电机以间歇方式运行;在中间1/3的手轮量程内，调速范围是5m/hour到最大速度的一半，即2304m/hour（在自动送钻方式下为18m/hour），满足了大部分工艺的需求;在最后的1/3的手轮量程内为后面一半的调速范围，到4608m/hour（自动送钻方式下为36m/hour）。由在不同的量程内，手轮电位器输入所给定的值乘以不同的比例来达到以上的给定方式。

其数学公式为：

X1：手轮量程的前1/3值;x2：手轮量程的中间1/3值;x3：手轮量程的后1/3值;K1：手轮量程的前1/3比例值;k2：手轮量程的中间1/3比例值;k3：手轮量程的后1/3比例值;y1、y2、y3均为速度给定。

以上是在整个手轮电位器给定信号时，在PLC程序内采用的算法，该算法的关键在于给定精度，所有数据采用双精度整型，虽然此处将给定的全部速度分成了三部分，也可分成若干份，分的越多控制越平滑，但是程序就会相应增加。

这样处理后手轮调速的精度与易用性都会大大提高，使操作人员不会再为低速给定而感到不便[2]。

3手轮电位器信号给定时注意事项

（1）转盘和顶驱在电机速度和扭矩给定时，都可以采用此方法，但需要考虑在零位时的零位信号漂移情况，必须对零位漂移做相应的处理，使其电机运动平滑，例如：程序低速给定时做死区处理，但是死区范围必须要小，不要和低速时相冲突，只有这样才能更好地使整个手轮在调速时运行平稳。

（2）手轮虽然操作方便好用，但平时也要注意一些问题。由于钻井工况比较特殊，特别是振动比较大，必须对手轮电位器进行保养，使用一段时间，就要进行调零处理，不然回零不正常，就会使信号不正常，从而造成信号的失真、跳变等问题，使转盘和顶驱的速度、扭矩给定无法正常使用。

（3）除了对手轮电位器采取定期的保养外，由于手轮电位器是操作频率比较高的输入元器件，有必要在PLC程序或者变频器参数里进行一些处理。例如：在PLC程序里编写零位程序，做一些软件抗干扰的程序;在变频器里修改一些参数，做一些信号平滑或者死区处理，做到硬件和软件的有机结合处理。

4结束语

随着钻井技术的不断提高，操作人员希望转盘和顶驱的整个电机运行是线性的，但是由于变频器低频的不稳定性，导致工况往往为非线性的，有了以上处理问题的方法，现场的转盘和顶驱工作特性将大大提高，在钻井的一些现场，已经采用了这种方法，收到了很好的效果，现场人员普遍反映使用更加人性化，更加贴近现场工况。由于现在工业控制中大量采用变频器控制电机，特别是在中大型的设备中，这个算法不光能使用在钻井的转盘和顶驱的电控系统中，也可以大量使用在有变频器控制的场合，可以大大提高设备的稳定性和可靠性。

参考文献

[1] 天津电气传动设计研究所.电气传动自动化技术手册[M].北京：机械工业出版社，2006：217.

[2] 谭刚强，王豫，李顺平.现代石油井场电气安全[M].北京：电子科技大学出版社，2008：51.