【《液压动力钳扭矩控制系统总体方案设计案例概述》4100字】

液压动力钳扭矩控制系统总体方案设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u11235液压动力钳扭矩控制系统总体方案设计案例概述 1283961.1液压动力钳扭矩控制系统需求分析 122631.2系统的总体方案设计 27531.2.1系统的总体方案 2108201.2.2测控终端设计方案 3276031.1.3上位机设计方案 4223411.3液压动力钳扭矩控制系统的通信方案 5165151.3.1扭矩控制系统的通信方案 536411.3.2扭矩控制系统的通信协议 61.1液压动力钳扭矩控制系统需求分析根据1.3节所述的企业对于液压动力钳扭矩测控系统的技术需求，本项目应完成液压动力钳扭矩控制系统的控制仪表和上位机软件的开发。本文将技术需求中所述的控制仪表称为测控终端。液压动力钳扭矩控制系统由测控终端和上位机组成。本文液压动力钳扭矩控制系统应用于油田的钻修井施工，在起下钻杆、钻具、油套管的作业中，对上卸螺纹的扭矩、上扣圈数进行实时测量、显示、存储、报警和控制。根据液压动力钳的作业性质和环境，液压动力钳扭矩控制系统需要满足以下要求：1.功能需求（1）当液压动力钳进行现场作业时，实时测量和显示作业扭矩、上扣圈数。（2）当液压动力钳上扣扭矩达到设定值时能够声光报警，并能够输出开关量信号用以切断液压动力钳的油路。（3）扭矩设定值能够根据油管管径大小方便的设定。（4）测控终端能够存储每一根油管的上扣扭矩值和上扣圈数，并能方便的导出。（5）测控终端与上位机之间的通信方式可以采用有线或无线通信方式。（6）上位机能够实时采集液压动力钳的上扣扭矩和上扣圈数，能够以图形的方式显示扭矩-时间曲线或扭矩-圈数曲线。（7）上位机能够长期存储液压动力钳的作业数据，包括上扣扭矩、上扣圈数、作业时间、井号、油管规格。（8）上位机应具有检索功能，能够根据作业时间、井号或油管规格等信息进行检索。1.性能需求（1）测控终端能够方便安装于液压动力钳的适当部位。（2）测控终端应具有隔爆功能，体积小巧，方便安装。（3）测控终端应采用低功耗技术，以便延长电池的使用寿命。（4）测控终端能够有效抑制静电、电磁等干扰，以保证工作可靠性。（5）上位机用户界面应简洁美观。（6）系统要满足结构简单、低成本、稳定、可靠的设计要求。3.技术指标（1）测控终端工作电源：充电电池或开关电源。（2）测控终端与上位机之间的通信方式：有线通信或无线通信。（3）扭矩测量范围：0~2T。（4）上位机软件：运行于win7以上系统。1.2系统的总体方案设计1.2.1系统的总体方案液压动力钳扭矩控制系统的总体实现方案如图2-1所示。系统包括测控终端、APP和上位机三部分。测控终端由开关电源供电，安装于液压动力钳本体适当位置，实现液压动力钳作业时的上扣扭矩、上扣圈数的测量，当测量扭矩超过油管所需设定值时，进行超限声光报警，开关量输出用于扭矩超限时切断液压动力钳的供油回路或调节供油回路的压力，控制扭矩进一步增大而损坏油管。预留开关量输入接口，用于液压动力钳动力系统溢流阀、换向阀等的状态采集，以进行液压动力钳作业的全面监测和控制。考虑液压动力钳特殊的作业环境，采用LED显示，方便现场作业人员观察扭矩数值、上扣圈数等信息。测控终端与上位机之间采用RS485通信方式，满足通信距离的要求，也能保证液压动力钳作业特殊环境下的通信可靠性。测控终端与APP之间采用蓝牙通信方式，实现测控终端的人机交互功能。APP一方面用于上扣扭矩设定值、井号、油管规格等参数的设置，另一方面实现扭矩、上扣圈数实时测量值、扭矩-时间曲线或扭矩-圈数曲线的显示，还实现液压动力钳作业数据的存储和导出功能。上位机除了具有APP的所有功能外，还具有长期存储和检索液压动力钳作业数据的功能。图2-1系统总体方案框图1.2.2测控终端设计方案测控终端主要采集液压动力钳扭矩数据、上扣圈数数据并将其显示在LED显示屏上，通过有线+无线通信的方式与上位机和手机APP进行数据交换，测控终端的硬件结构如图2-1虚线框内所示。测控终端由开关电源、MSP430F5438A主控电路、声光报警电路、LED屏接口电路、日历时钟电路、RS485通信电路和预留的开关量输入输出电路组成。开关电源为测控终端提供工作电压，RS485通信电路上挂载了Bluetooth蓝牙无线通信模块以及RS485-USB转换器，负责与上位机和手机APP进行通信。存储模块负责存储不同工作时间段所测得的扭矩和上扣圈数历史数据。上扣圈数检测可检测液压动力钳工作时的上扣圈数并以数字量的形式传输至主控芯片中。扭矩检测可获取当前的扭矩大小，以模拟量的形式通过放大电路放大后输入至主控芯片中，主控芯片经过运算得到扭矩值的数字量。时钟日历电路负责计算当前的日历时间，主控芯片可对其进行读写获取时间标签。主控芯片负责将传感数据和时间标签按规定的通信协议格式进行打包并将其转发RS485通信电路，同时控制安装在LED接口电路上的LED屏幕同步显示扭矩大小、上扣圈数和当前日历时间，当扭矩和上扣圈数超出预先设定的报警阈值时，主控电路控制声光报警电路动作发出报警。根据上述方案设计的测控终端硬件电路如图2-2所示。1.1.3上位机设计方案根据技术需求，上位机应能够实时监测液压动力钳的上扣扭矩和上扣圈数，并以图形的方式显示扭矩-时间曲线或扭矩-圈数曲线。上位机能够长期存储液压动力钳的作业数据，包括上扣扭矩、上扣圈数、作业时间、井号、油管规格。上位机还应具有检索功能，能够根据作业时间、井号或油管规格等信息进行检索。根据企业的技术需求，设计上位机软件功能架构，如图2-3所示。软件采用C++语言开发，采用VisualStudio开发环境，采用Qt5进行界面设计。在实时监控页面中，可向工作人员展示当前监控的井号、油管号、当前设备的参数信息，工作人员可手动关闭和打开监控开关；在历史数据页面中，工作人员可自行输入井号、油管号、时间来查询历史扭矩和圈数；数据分析页面中，输入对应的井号和油管号，软件将自动生成扭矩与上扣圈数两者之间的关系曲线；在参数配置的页面中，输入对应的井号和油管号，可下行设置测控终端报警阈值，液压动力钳的压力值和上扣速度。图2-2测控终端硬件原理图图2-3上位机软件功能架构1.3液压动力钳扭矩控制系统的通信方案1.3.1扭矩控制系统的通信方案液压动力钳扭矩控制系统的三个组成部分中，测控终端测量液压动力钳的作业扭矩和上扣圈数，当测量到的扭矩值超过报警阈值时，进行报警，同时将测量的扭矩、上扣圈数、作业时间等信息上传给上位机和APP，在上位机和APP显示界面显示液压动力钳的作业数据。扭矩报警阈值、作业井号、作业油管号等信息可以通过APP、上位机软件的操作下发至测控终端。因此，测控终端、APP和上位机三部分之间的应有可靠的通信方式。1.测控终端与上位机之间的通信测控终端与上位机之间采用有线通信，以太网、RS232和RS485等是用的有线通信方式，其中以太网通信需移植TCP/IP协议栈至测控终端内，加大了程序的复杂性，进而降低了测控终端的鲁棒性。RS232的最大传输距离不足20米，仅支持点对点通信，显然并不适合用于液压动力钳扭矩控制系统中。RS485的传输距离可达到1200m，支持一对多的通信，仅需两根信号线便可进行通信，传输速率最大可达10Mbps，非常适合用于液压动力钳扭矩控制系统中，因此选择其作为测控终端与上位机之间的通信方式。测控终端与上位机之间通过RS485串行通信有线连接。测控终端CPU有RS485串行通信接口，通过双绞线与上位机笔记本电脑进行连接，笔记本电脑没有RS485接口，因此在电脑端经RS485/USB转换器接入电脑的USB口，实现测控终端与上位机之间的有线通信。1.测控终端与APP之间的通信测控终端与手机APP之间采用近距离无线通信，常用的近距离无线通信包括有24L01射频通信，WIFI通信、Zigbee、Bluetooth蓝牙通信和GPRS/4G通信，其中24L01射频通信和Zigbee需要收发双方同时配置相应通信芯片，考虑到液压动力钳扭矩控制系统的接收端是APP与上位机，那么可供选择的只有WIFI、Bluetooth和GPRS/4G，这三种通信技术的对比如表2-1所示。表2-1WIFI、Bluetooth、GPRS/4G技术对比技术WIFIBluetoothGPRS/4G通信距离1~50m1~10m1km以上通信速率≥11000kbps≥720kbps≥1.7kbps/50Mbps工作频段1.4GHz/5GHz1.4GHz运营商频段应用领域办公、家庭小范围设备通信公网传输从表2-1对比中可以看到，GPRS/4G可无视通信距离的限制，但需要额外的芯片与SIM卡，测控终端工作环境恶劣，金属遮挡物较多，这会让GPRS/4G网络信号衰减剧烈，若工作地点附近无通信基站，会丧失通信能力。WIFI的通讯距离和通信速率比较高，也无需依靠通信基站，但其穿墙能力并不强，测控终端所处的工作环境有较多的遮挡物，WIFI信号在经过遮挡物后其强度会下降很多，导致通信稳定性下降。Bluetooth使用1.4GHz的ISM频段，采用跳频技术，通过79个1MHz频宽的无线信道分别传输数据。蓝牙通信与上述两个通信方式相比，无论从通信速率、通信距离和通信的稳定性上，均满足液压动力钳扭矩控制系统的要求，因此选择其作为测控终端与手机APP之间的通信方式。1.3.2扭矩控制系统的通信协议测控终端与APP和上位机之间的通信本质是串口通信，且传输的数据信息相同，采用相同的通信协议。数据经过测控终端内的MAX13085串口转RS485芯片后被送至RS485总线中，通过RS485总线分别传输至蓝牙模块与和RS485-USB转接器中，最终到达APP与上位机处。串口通信的帧格式如表2-2所示，其中数据内容的格式规定如表2-3所示。8字节协议头详细说明如表2-4所示，协议头中的命令和操作详细说明如表2-5所示。帧格式中各类数据均为十六进制。表2-2串行通信帧格式开头标志头部标记数据长度头部标记数据内容校验和尾部标记0xFEFE0x684Byte0x6828Byte2Byte0x16表2-3数据内容格式协议头上报数据协议版本号命令操作时间井号油管扭矩圈数2Byte2Byte2Byte2Byte8Byte2Byte2Byte4Byte4Byte表2-4协议头说明数据意义说明0x0001协议数据采集字节协议0x0001版本号液压动力钳扭矩采集0x00xx命令不同的命令对应不同的操作数据例如上报数据0x00xx操作例如上报扭矩圈数数据表2-5命令和操作代码及说明命令操作代码功能代码意义说明0x0001控制命令0x0001启动0x0002停止0x0002下发参数0x0001扭矩设定值0x0002扭矩告警值0x0003速度设定值0x0003上报数据0x0001上报日期时间、上扣扭矩、上扣圈数测控终端与APP和上位机之间的通信采用自定义通信协议，通信帧格式为16进制不定长数据包，每个数据包均包括开头标志