（机械工程专业论文）钻机起升实验台测控系统设计.pdf

摘要教育事业飞速发展，高校越来越重视教学实验设备的研发，各种辅助教学实验设备的作用越来越明显。高等教学设备是培养学生实践能力和创新精神必不可少的教育资源，目前得到广泛的应用。机电学院机械馆大实验室现有一台钻机起升实验台，它是学生实验课的操作系统。该实验台机械系统可以正常使用，但其设计时间较早，导致很多仪器设备过于陈旧，传感器已全部损坏，学生已经不能进行钻机起升实验。为充分利用现有的仪器设备，并充分发挥其功能，本文对钻机起升实验台重新进行设计，编写了用计算机控制、测量的可视化测控软件。本文依据模块化设计思想，把钻机起升实验台测控系统设计分为硬件系统设计和软件系统设计两部分。在硬件部分，设计并选择了转矩转速传感器、拉压力传感器和测速电机的型号以及应变片的测量方式；设计调理电路；采用盘式刹车取代带式刹车；采用交流变频电驱动；在软件部分，采用l a b v i e w 编程语言，选择数据采集卡，将实验台与计算机连接，设计接口连线，将传感器测量得到的数据传输到计算机中进行显示、存储，并对数据进行处理，最后在计算机上以图形或曲线等形式给出直观的数据处理结果。简单进行基于微分方程的钻机起升系统动载特性分析。此实验台可以进行石油钻机课程中绞车起升动力学及运动学教学实验，此外还可进行新型刹车机构盘式刹车的实验研究，液力变矩器传动对绞车性能影响的实验研究以及动载荷对井架的影响等的研究。关键词：起升系统，测试系统，变频调速，数据采集，动力学d e s i g no f t e s ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rd r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a lp l a t f o r mw a n gj u n j i ( m e c h a n i c a l - e l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g )d i r e c t e db yp r o f g a ox u e s h ia b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe d u c a t i o n , c o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e sp a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt or e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta b o u tt e a c h i n gl a b o r a t o r ye q u i p m e n t v a r i o u sk i n d so fl a b o r a t o r ye q u i p m e n tb e c o m ei n c r e a s i n g l ye v i d e n t a d v a n c e dt e a c h i n ge q u i p m e n tc u l t i v a t ep r a c t i c a la b i l i t ya n ds p i r i to fi n n o v a t i o no fs t u d e n t s n o ww eh a v ead r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a lp l a t f o r m ，w h i c hi se x p e r i m e n t a lo p e r a t i n gs y s t e mf o rs t u d e n t s i t sm e c h a n i c a ls y s t e m sc a nb ec o r r e c t l yu s e d ，b u tp a r to fi ti st o oo l d ，a n ds e n s o r sh a v eb e e nd a m a g e d s t u d e n t sc a n td ot h ee x p e r i m e n ta n ym o r e i nt h i sp a p e r , ir e d e s i g nt h ed r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a lp l a t f o r m ，a n dw r i t ec o n t r o ls o f t w a r ei no r d e rt om a k ef u l lu s eo fe x i s t i n ge q u i p m e n t n ed r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a lp l a t f o r mi sd i v i d e di n t oh a r d w a r es y s t e ma n ds o f t w a r es y s t e mb a s e do nm o d u l a rd e s i g n i nt h eh a r d w a r e ，is e l e c tt h et y p eo ft o r q u es p e e ds e n s o ra n dp u l lp r e s s u r es e n s o r , d e s i g nt h ep a s t eo fs t r a i ng a u g e s ，u s ed i s ct y p eb r a k er e p l a c e dw i t l lb r a k e ，a n du s ea cf r e q u e n c yc o n v e r s i o ne l e c t r i cd r i v e i nt h es o f t w a r e ，ic o n n e c tt h ec o m p u t e r 埘t ht h ep l a t f o r mb yl a b v i e wa n dd a qc a r d d a t ao b t a i n e db ys e n s o r si st r a n s p o r t e dt oc o m p u t e r su s e df o rp r o c e s s i n g t h ep l a t f o r mc a nb eu s e df o rt e a c h i n ge x p e r i m e n ta b o u tr e s e a r c ho nw i n c hh o i s t i n gd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c ，d i s ct y p eb r a k ef u n c t i o n ，t o r q u ec o n v e r t e rt r a n s m i s s i o no nt h ew i n c h ，a n dt h ei m p a c to fd y n a m i cl o a do nt h ed e r r i c k k e yw o r d s ：h o i s t i n gs y s t e m ，t e s ts y s t e m ，v v v f ，d a q ，d y n a m i c s关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：幽日期：如，。年石月工日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：至筮锺指导教师签名：垂奎丝一日期：州年占月知日e t 期：为内年6 月2 - e l中国石油大学( 华东) 硕士学位论文第一章绪论1 1 课题的背景和意义教育事业飞速发展，高校越来越重视教学实验设备的研发，各种辅助教学实验设备的作用越来越明显。辅助教学设备是高校教学质量的一种具体体现。在高等教育过程中，我们要摒弃以前只注重理论教学的做法，因为这会降低学生学习的主动性，不利于培养学生的学习和工作能力，所以现代化的教学设备在很大程度上关系到学生的学习质量。学校教育中最新的只是理论和技术结合配套的先进教学设备，会让学生加深对专业知识的理解，培养专业技能。高等教学设备是培养学生实践能力和创新精神必不可少的教育资源，目前得到广泛的应用。它参与了教学过程，体现了正确的教育理念和科学有效的教学方法，提高了教学质量和效率。高校的实验室中的仪器设备如果从国内或国外购买有几点不足之处【l 】：首先周期比较长，从商品仪器研制成型进行生产再到使用者手中，将需要两年左右；可购买的品种比较少，很多具有特殊用途的设备仪器无处购买；进口仪器成本高，不适合大量购买。而自制仪器设备则是商品化仪器设备的补充。自制仪器设备研制周期短，节约资金，能够弥补商品仪器品种的不足，使用和维护比较方便。机电学院机械馆大实验室现有一台钻机起升实验台，它是学生实验课的操作系统，目前该实验台机械系统可以正常使用。由于其设计时间较早，很多仪器设备过于陈旧，传感器部分己全部损坏，学生已经不能进行钻机起升实验。因此需要对钻机起升实验台的部分器件进行重新设计，计算机测控系统需要重新开发。需要编写用计算机控制、测量的软件。计算机测控技术在国民经济的各行各业中都有应用。应用计算机测控技术，在大大提高生产效率的同时也为安全生产提供了保障。通过计算机可以对各个运行参数和状态进行监测，同时也可以对采集到的数据进行分析处理，对事故进行预测并进行分析和处理，并可进行数据的储存。非电量电测法便于对被测量进行连续测量、记录和远距离集中控制；便于实现测量过程的自动化。电测装置具有精度高、频率响应高、人机交互性好等优点。为充分利用现有的仪器设备，并充分发挥其功能，本论文将钻机起升实验台系统与计算机连接，设计接口连线，并编辑一套实用的可视化测控软件，将仪器测量数据传输到计算机进行显示、存储、动态监视测量通道，并对数据进行处理，实现自动控制数据1第一章绪论数据采集与处理。最后在计算机上以图形或曲线等形式给出直观的数据处理结果。1 2 钻机的发展现状1 2 1钻机的发展现状及发展趋势石油钻机是完成石油钻井任务的一套综合性机组。因为需要提高劳动生产率、降低劳动强度，提高安全性、可靠性和环保要求，降低消耗，降低成本，钻井技术和设备不断发展。2 0 0 2 年9 月，我国第一台变频电驱动钻机z j 7 0 d b 顺利通过出厂验收，这是当时国内最先进的钻机。2 0 0 5 年1 2 月，我国第一台9 0 0 0 m 交流变频超深井石油钻机通过验收，我国在超深井石油研制方面取得重大突破，这代表了当时我国钻机研发的水平。2 0 0 7年1 1 月，1 2 0 0 0 m 特深井石油钻机研制成功，我国的石油钻采装备研制再次取得了重大突破，成为全球第二个能研制特深井石油钻机的国家乜1 。在满足石油钻井工艺要求方面比机械驱动钻机和直流电驱动口1 钻机更优越的交流变频调速电驱动钻机是国外2 0 世纪9 0 年代新发展起来的一种先进电动石油钻机，它采用了交流变频调速技术，能够适应钻井工艺的要求，简化了钻机的机械结构，减轻了维护保养工作，提高了安全性、可靠性和移运性。2 0 世纪9 0 年代初，挪威液压装置公司和英国石油公司共同研制出一种新型液压石油钻机，钻机的提升机构取消了绞车、井架、油车等，采用了液压缸。国外对小井眼石油钻井技术研究比较早，进入2 0 世纪9 0 年代以后，许多公司加大了对小井眼石油钻井技术的研究，小井眼石油钻机在世界上得到迅速发展。小井眼钻井技术优点表现在降低油气勘探和开发成本，提高了经济效益、减轻了环境污染等。在整体技术方面，我国石油钻机发展水平与国外存在差距。我国的超深井钻机配套设备不能满足目前钻机的配套要求及技术发展需要；交流变频钻机的转盘防倒转技术不成熟，钻机曾不止一次发生转盘倒转问题；钻杆自动排放系统和液压升降式液压钻机没有得到发展。我国钻机在总体方案方面存在不足；在钻机设计方面，没有形成自己的系统成熟有自主创新开发能力的设计思想、设计理论和设计技术。在品种系列方面，缺少适用于特殊区域要求的特种钻机；在机械化工具方面，不能生产搬家车，从而限制了钻机的模块化设计。在辅助设备和基础原件方面没得到足够重视；在设备外观质量和h s e 方面，主机满足要求，细节和辅助设备上不能满足要求；随机技术资料不规范等。2中国石油人学( 华东) 硕士学位论文为了适应不同地带的勘探，如浅海、海滩、沙漠及丘陵等，很多国家已经先后研制开发了各种类型的石油钻机。其中，钻机技术和销售量均属首位的是美国。今后石油钻机的发展趋势是h 1 ：1 钻机的类型趋于多样化。2 钻机体积趋于两极化，向深井钻机大型化和轻便钻机小型化发展。3 钻机控制趋于自动化。顶部驱动钻井装置将遇阻、遇卡事故降至最低；盘式刹车替代带式刹车，制动力矩大、稳定、安全、可靠，遥控操作的出现，使操作更省力安全；容易实现自动送钻；电驱动钻机比机械钻机操作更安全，特别是数字系统的出现使控制功能更加完善，可靠性变高，调整更容易，操作维护也更简单。4 钻机设计趋于人性化。新型钻机将最大限度满足h s e 要求。1 2 2 钻机绞车的发展现状石油钻机绞车用来控制大钩载荷的起下放、停止及控制大钩载荷的下放速度，是石油钻机上一个非常重要的组成部分。因其刹车系统性能的好坏决定着石油钻机的安全问题，所以一旦刹车系统出现了故障则会引起停钻，造成一定的经济损失，严重时会造成墩钻、溜钻，甚至会造成设备砸转盘现象和重大设备事故或人身事故。由此，为了保障石油钻机能够正常、安全地工作必须研究钻井绞车的刹车系统璐】。钻机绞车主刹有以下几种形式：带式刹车( 刹把控制) 、液压盘式刹车和气控刹车。石油钻井绞车主刹车的发展方向是气控刹车和液压盘式刹车两种形式。石油钻机辅助刹车形式有辅助水刹车，电磁涡流刹车和伊顿气控辅助刹车，其中伊顿气控制刹车和电磁涡流刹车是辅助刹车的发展方向。现用绞车包括机械驱动和电驱动两种，它们的基本模式相同，其中机械驱动绞车结构较复杂。电驱动绞车随着交流变频控制技术的发展和电器元件可靠性的提高有了较大的发展，结构也逐步趋于简单化。国外钻机制造采用了先进的绞车控制技术、电动机四象限传动技术以及电子( 自动)司钻控制技术。这些绞车控制系统可以通过钻压、机械钻速、转盘转速和扭矩等参数控制钻井钢丝绳连续递送，这样能够保证稳定的钻井状态，从而提高钻井效率。国外单齿轮传动绞车正处于起步和发展阶段，适用于a c s c r - d c 电驱动、液压驱动和a c 变频电驱动，多电动机或液压马达传动。单齿轮传动绞车只有一根滚筒轴，电驱动绞车采用3 档或4 档变速箱，液压驱动绞车采用1 档或4 档齿轮变速箱，采用液空盘式刹车或计3第一章绪论算机控多盘刹车，采用自动送钻装置蚓。我国石油钻机在总体上技术水平落后。在近几年里我国研制成功了z j 3 0 d b 、z j 4 0 d b 等交流变频电驱动钻机，但仅绞车的驱动型式采用了交流变频电驱动，绞车的结构形式和传动方式没有大的变化。我国石油钻机及绞车种类比较少，型号不够全，适应能力不够好，设备结构不合理，不能满足各种不同钻井工况的需要。机械传动及多轴结构还是大部分钻机绞车的主要形式。现在使用的钻机及绞车老化现象严重，不能得到及时更新，先进钻机及绞车太少。适应特殊钻井条件的石油钻机研制工作刚刚起步。产品质量和可靠性需要加强。国内外绞车发展趋势是发展交流变频电驱动、大功率、单轴齿轮传动绞车。单轴齿轮传动绞车钻井安全性能可靠、结构比较紧凑、体积较小，质量较轻，运动速度比较均匀，振动小，噪音低，效率高，寿命长，事故和停机时间较少，维护保养简单方便；采用刹车能力强，效果好的液式盘控刹车或计算机控多盘刹车；配备自动送钻装簧。交流变频绞车优点是：体积小、质量轻、故障少、维护方便；调速范围宽，可实现无级调速；能够以极低的速度恒扭矩输出，实现数控恒钻压自动送钻，对提高钻井时效、优化钻井工艺、处理井下事故等十分有利；新型司钻控制系统控制精确、操作简单，司钻在摆脱了繁重的体力劳动的同时，注重了操作技巧和钻井参数的优选。交流变频技术是综合性交叉技术，涉及到自动控制、电力电子技术、微电子计算机技术及电动机理论等。变频器投入使用已经超过了1 4 个世纪，基于电力电子技术和微电子技术的飞速发展，以及新型电力电子器件、高性能微处理器的应用和控制技术的发展，变频器的性价比越来越高，变频器的体积也越来越小。即使如此，厂家仍然在不断地努力改进变频器使其进一步小型化、高性能化、高可靠性。随着技术的发展，变频器的广泛应用，变频器技术将会随着与变频器有关的技术的发展在以下几个方面得到发展：大容量和小体积化；高性能和多功能化；提高操作简易性：增加寿命和可靠性；无公害化h 1 。1 高性能变频器由过去的压频控制提升到矢量控制及转矩控制。2 模块化变频器由高性能的电驱动模块、功能模块、专用模块组成，简单方便。3 功能多变频器具有频率跳跃功能、记忆功能、通信功能。4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文1 3 测控系统发展现状1 3 1 检测系统与传感器的发展现状检测系统是机电一体化产品中用来实现检测功能的部分阳1 。在机电一体化产品中，传感器的作用就是用于检测有关外界环境及自身状态的各种物理量及其变化，如力、位移、速度、位置等，并将这些信号转换成电信号，然后再通过相应的变换、放大、调制与解调、滤波、运算等电路将有用的信号检测出来，反馈给控制装置或显示装置。机电一体化产品中的检测系统就是由实现上述功能的传感器及相应的信号检测与处理电路构成的。计算机及各类智能仪器等高科技随着信息时代的到来得到了广泛的应用。由于各种信息的感知、采集、转换、传输和处理都需要传感器，因此传感器也得到了飞速发展。传感器能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。它通常由敏感元件和转换元件组成。传感器作为测量装置能完成检测任务；它的输入量是物理量、化学量等某一被测量；它的输出量是便于传输、转换、处理、显示等的某种物理量，现在主要是电量。它的输入输出是有一定的精度的对应关系的。传感器一般有敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。如图1 1 。被测量厂 厂 广 电量叫敏感元件h 转换元件h 转换电路卜专i 一i _ ji 一图1 - 1 传感器组成框图f i 9 1 - 1t h ec o m p o s i t i o nb l o c kd i a g r a mo fs e n s o r因为传感器种类繁多，所以分类方法也有很多种，如按被测物理量分类、按工作原理分类、按输出信号性质分类等。当传感器落后于电脑成为桎梏微型计算机进一步发展与应用，但传感器又普遍应用于社会各个领域并带来了明显的经济和社会效益时，传感器的地位和作用越来越突出。但是目前的传感器在数量和质量上已经不能适应社会多方面的发展需要了。人们在利用各种先进技术来提高传感器性能的同时，正在寻找传感器发展的新途径：开发新型传感器；使传感器集成化和多功能化；把传感器和电脑结合实现传感器智能化( 具有自补偿、自诊断、自校正功能；能够进行数据的自动存储、分析、处理与传输功能；微处理器与微型计算机和基本传感器之间具有双向通信功能) ；基于微电子机械系统技术的新型传感器；开发新型仿真传感器、环保化学传感器等。5第一章绪论1 3 2 测控系统的发展现状人类于1 9 5 2 年第一次把计算机用于生产过程中的数据处理和自动测量，为操作人员提供管理有用的信息。1 9 5 4 年又出现了开环计算机控制系统使之能够帮助操作人员对一部分控制参量进行正确的调节。随后又出现了能够用于石油蒸馏过程调节的计算机闭环系统，以及电子计算机在线工程控制系统呻1 。到2 0 世纪7 0 年代中期，以微处理器为核心的数字调节器及可编程程序逻辑控制器随着多种微处理器和微机的出现投入了实际使用。1 9 7 5 年，型号为t d s 2 0 0 0 的分散控制系统问世。分散控制系统功能丰富，具有集中的监视、操作及综合管理功能，可以实现p i d 控制、多种复杂的控制及优化控制。目前国外有几百家企业在制造分散控制系统，我国也在开发这种系统。分散控制系统已经广泛应用于石油、化工、电力、冶金和建材等工业部门。测控装置的两大主流产品是可编程控制器和分散控制系统。7 0 年代中期，由于p l c在逻辑运算基础上增加了数值计算和过程控制功能，它的运算速度高、输入输出规模扩大，出现了以p l c 为基础的初级分散控制系统；7 0 年代末期向大规模、高性能等方向发展；8 0 年代中期开始拓展其应用领域，实现了电气控制和过程控制的结合。现场总线采用全数字式通信，特点是开放式、全分布、可操作性。现场总线是控制网络的发展趋势。随着科学技术的发展，大规模集成电路及微型计算机的出现，测控技术有了更大的提高，构成了各种类型的计算机测控系统。上世纪6 0 年代，由于半导体集成电路和数字计算机的飞速发展，各类型的自动测试系统相继出现。计算机测控精度高、速度快、功能强，广泛应用于智能仪表、工业过程测试和智能测试等领域。1 3 2 测控系统装置的发展方向n 们1 智能传感器技术热点化由于智能传感器技术具有强大的现场信息处理能力、网络通信能力、更强的控制能力、具有工业化的标准接口及远程通信能力等特点使它成为了研究的热点。2 现场总线技术1作为在智能仪表和分布式集成控制思想基础上发展起来的新型思想和技术的现场总线技术是工业控制系统的必然趋势，也是控制理论新的研究方向，促进了计算机通信等技术的发展。现场总线作为工业网络体系有突出的特点：互可操作性与互用性、开放6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文性的系统、智能化及功能自治性的现场设备、高度分散性的系统结构及对现场环境的适应性等。3 控制系统的网络化由于计算机及其网络的快速发展和普遍应用，测控系统也要快速网络化以适应技术的进步。要利用i n t e m e t 技术来改造传统的工业信息监测系统，建造新的监视系统以及产品的检测系统。1 4 课题研究的主要内容结合钻机起升实验台对实验设备进行改进，采用交流变频电驱动，选择所需型号的传感器及对应的数据采集卡，开发一套钻机起升实验台测控系统，实现数据的测量、图形的显示、数据的处理和储存等功能。具体研究工作和结构安排如下：第一章为绪论。介绍课题的背景和意义，阐述钻机及绞车的发展现状，计算机测控系统的发展现状及其在工业发展中的应用。第二章为钻机起升实验台总体设计方案。依据模块化设计思想，针对钻机起升实验台具体特点和要求进行实验台总体设计。第三章为钻机起升实验台硬件设计。针对实验台原结构，依据实验要求提出改进方案，进行转矩转速传感器、拉力传感器、测速发电机的选型；测滚筒轴扭矩应变片及滚筒内壁应力应变片的选择及粘贴方式设计；变频器的选择及调试。第四章为钻机起升实验台测控系统软件设计与实现。依照模块化设计思想，进行数据采集程序、数据存储程序、历史数据查询程序、参数设置程序、报警程序和通信程序的设计。第五章为钻机起升实验台测控系统的实现与动载分析。详细介绍了测控系统的界面设计及软件各部分功能。对钻机起升实验台的动载特性加以分析。7第二章钻机起升实验台总体设计方案第二章钻机起升实验台总体设计方案2 1钻机起升实验台的设计思想2 1 1钻机起升实验台的设计思想钻机起升实验台的设计采用模块化的设计思想n 幻n 副，即根据具体功能按照自顶向下的顺序，将硬件系统和软件系统划分为许多独立的模块，然后对各个小的功能模块分别进行设计和调试，最终把每个功能模块按照实验台结构连接起来进行总体调试。由于不论是硬件系统还是软件系统的功能模块都是相对独立的，所以可以根据各自的要求分别进行设计、研制、调试和改进。采用模块化的设计思想使实验台的设计思路更清晰，同时也降低了整体设计的难度和复杂度。按照上述模块化的设计思想，钻机起升实验台的设计分为两大部分来实现：硬件系统的设计和软件系统的设计。硬件系统的设计包括钻机起升实验台基础设备的改进、传感器的选型及安装、转换电路的设计、信号调理电路的设计、采集卡的选择及安装等几个部分。软件系统的设计包括实验台测控程序的设计和软件系统界面的设计两大部分。测控程序包括数据采集( d 转换) 、数字滤波、参数设置、数据采集、数据存储、数据显示、数据查询、报警系统、帮助系统、变频器的控制程序等。软件系统的界面主要包括主界面、历史数据查询界面、报警系统界面和参数设置界面。2 1 2 测控系统的设计步骤每个测控系统随对象及设备种类的不同会有一些差异，但是其设计基本内容和步骤大同小异。一般分为以下几步。1 ：1 明确测控系统设计的任务。进行一个测控系统设计时，首先要调查哪些问题需要解决，对问题进行分析论证，确定如何解决问题之后，根据问题所提出的要求，明确系统要完成哪些任务和技术指标。根据任务要求进行系统调试及软件开发方式。2 进行测控系统总体设计( 1 ) 对系统硬件功能和软件功能进行分配。以数据采集系统为例，它包含硬件系统和软件系统。有一些功能既可以通过硬件来实现，也可以用软件来实现。在测控系统总体设计时，如果巧妙使用硬件，则可使软件8中国石油大学( 华东) 硕士学位论文设计工作得到简化，并且系统速度会得到有效改善，但它的成本会增加。如果用软件功能实现硬件功能，虽然可以使系统灵活性得到提高，成本降低，但是系统的工作速度也会下降。这时就需要我们根据系统的各项要求，在设计系统总体方案时，合理的对其进行分配。( 2 ) 系统模数转换方案的设计如果采用d a q 数据采集系统，要确定模数通道方案选择，选择能够满足系统要求的芯片以及相对应的电路结构，可以从以下几方面考虑：【l 】确定模拟信号的输入范围；确定采样信号的分辨率和采集频率：【2 】分析模拟输入信号的特征规律以确定需不需要滤波，确定信号的最高频率；【3 】需要测试的模拟信号有几个，共需要多少传输通道；【4 】如果是多路通道，那么需要确定通道切换的频率，确定采样保持器的采集时间；【5 】确定保持数据时电压降的范围；【6 】考虑通过信号源串联电阻和多路开关的保持旁路电流引起的偏差；【7 】确定需要的精度，如线性度、偏置误差、增益及相对精度：【8 】确定各种误差的范围，密切注意环境参数对其的影响；【9 】是否需要同步采集所有通道的模拟信号；【1 0 】确定所有通道的数据传输速率，看可否采取相同速率；【ll 】确定数据通道采取的是串行操作还是并行操作；【1 2 】确定数据通道选择方式，是随机还是按照一定的顺序；【1 3 】分析系统电源稳定性要求，确定电源变化引起的误差； 1 4 】电源切断是否会引起芯片损坏；( 3 ) 通过状态图等方法分析设计系统的采样策略，确定系统工作的主要信号时序图，明确电路工作框架。( 4 ) 设计系统抗干扰方式测试系统对抗干扰能力要求比较高，尤其是存储测试系统。所以在系统设计的整个过程中都要考虑抗干扰问题。3 硬件系统和软件系统的设计。( 1 ) 硬件系统设计硬件设计一般包括实验设备选择、模拟电路设计及数字电路设计。为避免以后工作不返工并顺利进行，在正式设计之前，首先要熟悉设计任务要求，o第二章钻机起升实验台总体设计方案分析设计指标，确定各部分之间的控制关系和时间关系，作出详细规定。然后再绘制尽可能详细的逻辑图和电路图以保证在设计工作进展时可以不断的对电路图进行修改完善。最后就是按照绘制的电路图制作电路，在实验板上连接完成之后进行调试，排除设计中存在的问题使硬件设计更加完善。( 2 ) 软件系统设计软件系统设计是测试系统中另外一个组成部分。测试系统的任务要求不同，其使用的程序语言也不同，所以设计格式或流程图也各不相同。一般的软件设计过程是在明确软件设计任务后按功能划分程序模块，然后分别绘制各模块的流程图，再选择程序语言进行编程并调试。4 系统总体调试硬件调试和软件调试都完成之后就可以进行总体调试，然后进行修改和完善。总之，测试系统的设计很难一次完成，所以需要多次修改完善才能达到良好的效果。2 2 钻机起升实验台的总体设计方案如图2 1 是钻机起升实验台工作流程图，该图给出了钻机起升实验台的工作过程。该套钻机起升实验台操作过程为：( 1 ) 打开实验室总电源，给实验设备供电。( 2 ) 将变速箱调节为一档，使电动机与其他设备连接起来。从电控箱启动电动机电源，电动机、液力变矩器、变速箱、链条传动系统部分开始工作。( 3 ) 从电控箱启动气体压缩机的电源，操作气控台为气胎离合器供气。观察气控台的气压表，当气压达到一定值时，启动气胎离合器，滚筒、游动系统、大钩在电机的带动下开始运转。( 4 ) 通过主控系统对变频器控制系统进行设置，对电动机进行变频调速，得到实验所需的电机转速。( 5 ) 各个传感器所测量到的信号经过信号调理电路的调理后，经过数据采集接口采集到主控系统的计算机中，通过软件系统对采集到的数据进行处理。( 6 ) 启动刹车系统，使滚筒、游动系统和大钩停止运转。主控系统所采用的计算机可以是工控机或个人用计算机。如果选择的采集卡是p c i型的，那么可以直接用普通计算机或工控机。但是随着科技的发展，普通计算机几乎已经淘汰了i s a 插槽，所以如果采集卡需要i s a 插槽的话则需要选择工控机。鉴于实验室1 0中国石油大学( 华东) 硕士学位论文的实际环境接近工业环境，建议采用工控机。各传感器在经过信号调理之后集中到采集接口，通过采集卡与计算机相连。其中信号调理电路主要作用是完成模拟信号的转换和信号的硬件滤波，消除工频对信号的干扰，从而保证采集到的数据的真实性。传感器所测量的数据为转速、转矩、滚筒轴扭矩、滚筒内壁应力、大钩拉力和测速电机转速。采集的数据在计算机中得到分析并储存，可以通过打印机打印需要的数据。图2 - 1 钻机起升实验台工作流程图f i 9 2 1w o r kf l o wc h a r to fd r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a lp l a t f o r m1 1第- 二章钻机起升实验台总体设计方案按照模块化的设计思想和测控系统的设计步骤，本课题针对钻机起升实验台提出如图2 2 所示的总体设计方案。图2 - 2 钻机起升实验台总体设计方案f i 9 2 2g e n e r a ld e s i g ns c h e m eo fd r i l l i n gr 唔h o i s t i n gl a b o r a t o r i a ip l a t f o r m钻机实验台的具体设计步骤如下：1 钻机起升实验台设备选型。石油钻机包括八大系统设备n 8 1 ：旋转设备：常规钻机配有转盘、水龙头，顶驱动钻机配有顶驱钻井装置；循环系统设备：钻井泵、地面高压管汇等；起升系统设备：钻井绞车、辅助刹车、游动系统、井架等；动力驱动系统设备：柴油机及其供油设备或电动机及其供电、保护、控制设备等；传动系统设备：减速、并车、转向、倒转及变速机构等；控制系统和监测显示仪表；钻机底座辅助设备。钻机起升实验台主要用来进行钻机起升方面的实验，所以要包含钻井绞车、辅助刹车、游动系统和井架。钻机起升实验台结构包括三相异步电动机、液力变矩器、变速箱、链传动副、气胎离合器、绞车、井架、天车、游车、大钩、刹车系统、气控系统、液压系统等。1 2中国石油人学( 华东) 硕士学位论文根据钻机起升实验台的功能要求，我们要对各个设备进行选型，主要包括传感器的选择( 包括传感器类型及型号) ，变频器的选择，刹车的选择。根据所选择的传感器建立调理电路，完成模数转换。根据测控系统功能要求选择适当的数据采集卡，对采集卡进行设置。完成之后，根据图2 1 钻机起升实验台总体方案工作流程图进行设备的组装，使实验台能够正常运转。然后对电路进行修改并调试。钻机起升实验台要求测量的参数有：电动机经过变速箱之后的转矩转速；滚筒轴的扭矩：滚筒内壁的应力；大钩拉力载荷；盘式刹车的液压力等。根据上述要求可以知道所需要用到的传感器包括转矩转速传感器、测轴扭矩应变片、侧滚筒内部应力应变片、测速发电机、拉力传感器，其中液压力由液压表直接读出。关于各类型传感器的选择、工作原理及调理电路设计将在第三章给出。2 钻机起升实验台软件设计。根据钻机起升实验台测控系统功能要求选择适当的编程语言，安装采集卡驱动程序。编程时先对钻机起升实验台系统进行总体规划，按功能分模块，采用模块化程序设计。先画出流程图，然后进行程序编写。软件系统包括数据的采集程序、数据的处理及实时显示、数据的储存、历史数据的查询、报警系统、通信系统以及软件系统的界面设计。3 把全套设备开启，将硬件系统与软件系统结合起来进行调试。检查并排除期间的故障，使硬件软件都能正常运行。根据需求对软件系统和硬件系统进行改进。4 钻机起升实验台总体组装完善，编写实验软件使用说明。钻机起升实验台可以让学生进行石油钻机课程中绞车起升动力学及运动学教学实验，此外还可进行新型刹车机构盘式刹车的实验研究，液力变矩器传动对绞车性能影响的实验研究以及动载荷对井架的影响等的研究。2 3小结钻机起升实验台测控系统开发采用了模块化设计思想，把测控系统设计分为两大模块进行钻机起升实验台硬件部分设计和测控系统软件开发。由于实验台硬件系统和测控软件系统的功能模块是相对独立的，所以可以根据各自的要求分别进行设计、研制、调试和改进。最后再进行综合调试。通过分析实验要求，建立了钻机起升实验台具体操作流程图及原理图，确定了最终设计方案。1 3第三章钻机起升实验台硬件设计第三章钻机起升实验台硬件设计3 1测控系统的硬件构成测控系统的设计是一个系统的工程，一般包括机械设备、电子设备和软件等方面的设计。在一个简单的测控系统中，各种数据如速度、温度、压力等信号通过传感器传给单片机，单片机把采集到的数据发送到计算机中进行处理，计算机再对通过测量得到的数据进行存储分析等后续处理。如下图3 1 简单测控系统的组成n 引。信号1 、传感器1信号2 单1 一一入计传感器2片广 算1机机l信号n 。传感器n图3 - 1 简单测控系统的组成f i 9 3 1t h ec o m p o s i t i o no fs i m p l ec o n t r o ls y s t e m随着现代计算机技术的发展，最初的简单的测控系统远远不能满足现在技术发展的需要。在工业控制领域，出现了各种各样的传感器和单片机系统。在很多的测控系统中，往往采用了很多单片机，构成了一个多节点测控系统。由于单片机之间通讯方式有很多种，而且单片机上连接的传感器也增多，此时就引入了总线结构。在这个系统中，计算机是一个检测平台的中心，各个节点都可以从计算机接收数据或命令，然后按照相应的协议解释这些命令或数据。随着数字仪表在测试领域中的广泛应用，现场总线技术发展迅速。现场总线具有开放性和可互相操作性，这样用户可以自由选择生产厂商的产品，连接构成所需要的测控系统。在工业测试控制系统中，其测试和控制的量可以归为以下几类，a j d 转换，d a 转换，i o 输入输出。这时会有一些商家在一块多功能卡里集成这样的一些功能模块，这样的卡就可以直接插在计算机的i s a 或者p c i 的插槽里，通过商家开发好的各种各样的驱动程序，我们可以方便的利用商家提供的库函数进行开发。测控系统本质上是计算机控制系统，因此需要对被控对象的参数和状态进行检测。其功能和任务为采集或检测、处理和控制。如下图3 2 多功能卡构成的测控系统。1 4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文电瓜信号、i显示器电流信号。一i一1 ”9工温度信号。控i打印机|，r多机，r i“1 ”其他信号、功l 键盘鼠标能电机卜接叫控制阀口卡i报警器卜一叫温度调节器i变频器卜一叫其他设备图3 - 2 多功能卡构成的测控系统f i 9 3 - 2c o n t r o ls y s t e mc o n s i s to fm u l t i f u n c t i o nc a r d3 2 钻机起升实验台原结构实验原理如图3 3 所示：图3 - 3 石油钻机起升综合实验台原理简图f i 9 3 - 3t h e o r yd i a g r a mo fd r i l l i n gr i gh o i s t i n gl a b o r a t o r i a ip l a t f o r m1 交流电动机2 液力变矩器3 变速箱4 m n 传感器5 链传动副6 双( p 8 0 0 气态离合器7 ，滚筒8 钩载9 3 x 4 游动系统1 0 拉力传感器li 测轴扭矩应变片1 2 测滚桶内壁应力应变片1 3 测速齿盘1 4 。y 2 0 引电器1 5 、1 6 刹带死、活端拉力传感器本实验装置由y 型9 0 k w 三项异步电动机驱动，动力机的能量以转速的形式传递给变速系统- - - - - - c h c 4 2 0 液力变矩器、变速箱，变速系统按照钻机所要执行的动作将转速1 5第二三章钻机起升实验台硬件设计调整到合适的数值范围后传递给绞车运动转换系统，链条传动副带动绞车工作，绞车滚筒上缠绕m 1 3 m m 的钢丝绳，经3 x 4 ( 游车x 天车) 游动滑轮系统，最终完成大钩上移或下方，达到起升或下钻( 放) 钩载( 重物) 的目的。钻机起升实验台采用的是y 2 8 0 m 4 型三相异步电动机。电动机的具体参数如下：额定功率为9 0 k w ：额定电压为3 8 0 v ；额定电流为1 6 4 3 a ：其中y 是系列号，2 8 0 是底座中心高，m 为基座长度中基座，4 代表极数为4 。y系列电动机安装尺寸和功率等级符合i e c 标准，外壳防护等级为i p 4 4 ，冷却方法为i c 4 1 1 ，连续工作制( s 1 ) ，b 级绝缘等级，效率高、节能、堵转转矩高、噪音低、振动小、运行安全可靠。适用于驱动无特殊要求的机械设备。钻机起升系统主要有绞车、天车( 装在井架顶部的定滑轮组) 、游车( 做往复运动的动滑轮组) 、大钩、钢丝绳、井架等；其中，天车、游车、钢丝绳和大钩组成了钻机的游动系统。井架主要用于安放天车，存放立根，以及悬挂游车及大钩等，要求有足够的承载力、工作高度和空间。天车和游车组成的滑轮系统能够在很大程度上降低快绳拉力，从而减轻了钻井作业中的负载和发动机组应配备的功率。钻机起升系统的主要作用是起钻( 换钻头、取钻柱) 、下钻( 钻柱入井) 、下套管，控制钻压。绞车是钻机的核心、关键设备，钻机三大机组之一。钻机三大机组包括绞车、转盘和钻井泵。绞车的功用如下：( 1 ) 用于完成起下钻作业；( 2 ) 钻井过程中用以控制钻压，送进钻具；( 3 ) 完成钻杆上卸扣；( 4 ) 起升井架，吊重物；( 5 ) 作为转盘的传动中间装置或变速机构。绞车的组成：滚筒及筒轴总成；制动机构；锚头和锚头轴总成；传动系统；控制系统：润滑系统；支撑系统。绞车的分类：绞车按轴分有单轴、双轴、三轴及多轴绞车；按筒分有单滚筒和多滚筒绞车；按速分有2 速、3 速、4 速、6 速绞车。绞车有主、辅刹车，用来刹慢或刹住滚筒，控制放速，悬持钻具；调节钻压，送进钻具。1 6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文游动系统钢丝绳有交叉穿法和顺穿法，选择时在保证钻井绳数和最大钻柱重量的情况下，安全系数要大于3 。在最大钩载和最大绳数的情况下，钢丝绳安全系数要大于2 。本实验装置的起、下钻控制仿照钻机的控制系统，由气控来完成起、下钻操作控制，并设有手刹车，防碰天车装置等安全自动及应急气控制系统，气控制系统原理如图3 4 。气图3 - 4 气控制系统原理图f i 9 3 4s c h e m a t i co fg a sc o n t r o ls y s t e m1 三位四通阀；2 、3 两位三通阀；4 梭阀；5 、6 两用继气器；7 快速放气阀；8 导气龙头；9 双m 8 0 0 气态离合器；l o 调压阀；1 1 按钮阀；1 2 顶杆阀；1 3 刹车气缸；1 4 压力表气控实验台工作原理：阀1 左位为工作状态，中位为停止状态，右位为复位状态。实验开始前，2 号阀位于右位，此时5 位于左位，确保9 气胎离合器处于离的状态。按下启动箱主电机启动按钮，给变矩器升温。当阀1 处于工作位置时，气源通过阀l 左位到达阀2 ，由阀2 左位进入阀5 右位，由于阀7 左端压力大于右端，阀芯在压力作用下移动到右端，此时气体通过导气龙头到达气胎离合器，气胎离合器处于合的状态。电动机带动滚筒转动缠绳，开始提升。当到达指定高度时，阀2 、3 动作，换向，气体经由阀1 到达阀3 ，由于气体压力导致两用继气阀5 和6 动作。( 在此气控系统中，如果阀3没有动作时，顶杆阀和按钮阀可以达到同样的效果。当阀1 2 和1 1 位于上位时，气体可以通过梭阀来使5 和6 换向。5 换向，7 通大气压气胎离合器放气，处于离的状态，此时，绞车停止转动，不再提升。6 阀换位梭阀4阀芯到达下位，气体进入刹车气缸，活塞下移，刹紧绞车。调节阀1 0 压力可以控制活塞的移动速度及位置，可以刹慢或刹住滚筒；当阀1 处于右位时，气源进入刹车气缸下腔，活塞杆上移，由于上腔气体与大气相通，所以可以让刹车机构复位。1 7第三章钻机起升实验台硬件设计3 3 钻机起升实验台硬件设计钻机起升实验台始建于1 9 9 5 年，采用的刹车系统是带式刹车，传感器采用了拉力传感器、m n 传感器、测轴扭矩应变片、测滚筒内壁应力应变片、测速齿盘。由于此实验台建造时间比较早，一些设备已经陈旧落后；而且传感器存放时间久、环境差，现已全部损坏；所以实验台部分陈旧实验设备需要更换，传感器需要重新选型，有必要引进一些先进仪器。3 3 1 传感器选择依据现代传感器原理多样，类型也很多。我们选用时要看测量对象、目的及环境。确定选择哪个型号的传感器之后，其配套的测量方法和测量设备也就随之确定。测量结果的正确性与传感器的选择合理性有关。1 选择时要分析测量对象和环境呦3选择适当的传感器要参考被测量的特点以及传感器的使用环境：传感器的量程；被测对象位置对传感器的体积是否有要求；接触式还是非接触式的测量方式；引出信号方式；国内还是国外的传感器、价格是否合适，还是选择自行研发。选择