機械電子式軟起動裝置控制系統在鉆探設備中的應用研究

（1.石家莊理工職業學院， 河北 石家莊 050228； 2.河北建勘鉆探設備有限公司， 河北 石家莊 050031）

摘 要： 隨著鉆探行業的不斷發展，鉆探設備施工中的動力提供已經由原來的單一柴油機作為動力源，演變為由電機、柴油機混合或直接用電機作為鉆機系統的動力輸入。例如在水井和地熱井施工中，由于施工位置大部分能提供電網供電，使其得到了廣泛的應用。雖然，鉆井設備的電機動力源改造在近年來得到不斷更新發展。但是，由于鉆機自身結構的復雜性，使其自身在實際運行的過程中出現了比較多的問題，特別是電機啟動裝置與電機的匹配問題。這里針對機械電子式軟啟動裝置控制系統，對其進行深入的分析和探究，得出機械電子式軟啟動裝置控制系統能夠有效解決上述問題。除此之外，該控制系統還能夠進一步提高鉆機的運行效率，并保障其運行時的安全性和可靠性，讓其可以實現自動化控制的這一運行過程。

關鍵字： 鉆機； 軟起動裝置； 自動化； 機械電子控制系統

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）07?0121?03

機械電子式軟起動裝置控制系統，是一個“主從式二級控制”系統，它的組成結構比較復雜，包括：變頻器、傳感器、上位計算機以及可編程控制器等。其中，主控制器是上位計算機，從控制器是可編程控制器。在整個機械電子式軟起動裝置控制系統中，主控制器的職責是非常多的，比如：它要對從控制器的程序進行規范化的修改、對系統所需的信號進行合理的采集、對系統的所有數據信息進行有效的記錄以及實現輸入或者是輸出操作等。而可編程控制器作為系統的從控制器，它的職責就是對整個系統中的循序動作進行及時并有效的處理。

1 機械電子式軟起動裝置控制系統

機械電子式軟起動裝置的基本結構如圖1所示。

圖1 機械電子式軟起動裝置結構示意圖

該控制系統的工作原理，大致可分為以下幾個部分：

（1） 系統正常運行時，可編程控制器在電流的作用下，開始投入運行。當其運行速率達到一定要求的時候，就會對變頻器的輸出頻率進行合理的控制。此時，變頻器也就會實現間接性控制調速電機的轉速這一過程。而調速電機一旦受到控制，就會依據早已設計好的升速規則，對自身的轉速進行不斷的提升操作。

（2） 當調速電機的轉速達到預期要求時，可編程控制器就會自動連接上位計算機的電源，讓上位計算機開始運行。此時，因系統要為差動輪系合成其必須的速度，所以系統的負載端不會有任何輸出。

（3） 系統上的負載投入運行時，調速電機就會在可編程控制器的作用下，依照之前設計好的降速規則做減速運動。此時，系統的負載端開始進行輸出操作，直到調速電機降低到原來的轉速為止。

（4） 當負載軟停止時，調速電機在可編程控制器的作用下，開始做加速運動，而上位計算機仍會維持額定的轉速進行穩定的運轉。與此同時，負載也會在系統合成的特定速度之下，逐漸降低其自身的運行速度，直到運行速度降低到零為止；

（5） 系統停止運行時，可編程控制器會自動的依次切斷主電機和調速電機的電源。此時，整個系統都處于停止運行的狀態。

2 機械電子式軟起動裝置控制系統的研究

2.1 硬件系統

硬件系統是該控制系統中的一個重要組成部分，且其也能夠對整個控制系統的運行過程產生直接性的影響。因此，技術人員在對該控制系統的硬件系統進行構建的過程當中，就必須要嚴格依照國家的有關規定去進行。另外，為了提高硬件系統的運行效率，技術人員還必須要充分考慮到以下三個方面：

（1） 估算硬件的內存時要保證估計值的科學性與可靠性

由于技術人員對硬件內存容量的需求會隨著各種原因而不斷改變，比如：技術人員自身的編程水平、技術人員對內存進行利用的效率以及模擬量的點數等。因此，技術人員在對硬件內存的容量進行估算時，就要站在整個系統的角度上，對系統的方方面面都進行一番全面的考量，然后再依據內存計算公式，對當前系統所需的硬件內存進行合理的估算，以確保估算值的科學性與可靠性。其中，硬件內存計算的公式為：

[C=（P1+P2）×10+M×150]

式中：[C]代表的是硬件內存的估算值；[P1]和[P2]分別代表的是開關量輸入/輸出時的點數；[M]代表模擬量的點數。

（2） 響應時間的計算要符合規范

一般來說，因可編程控制器具有一種特殊的運行方式，所以它不會在連續很長的一段時間之內，都接受某種小于其自身運行周期的輸入信號。另外，由于響應時間的計算公式為：

[T=T輸入濾波+T輸出濾波+T運行周期]

式中：[T]代表的是響應時間；[T輸入濾波]代表的是濾波輸入的時間；[T輸出濾波]代表的是濾波輸出的時間；[T運行周期]代表的是可編程控制器的運行周期。因此，結合上述兩個方面，并在對可編程控制器進行一番仔細的考量之后，得出最適用于該控制系統的可編程控制器的型號為：西門子系列的CPU226，該型號的可編程控制器的組成結構包括：電源、CPU以及輸入/輸出點。

電源：為整個可編程控制器提供可安全、穩定的電力；

CPU：執行控制系統發出的要求，并對控制系統中的所有數據信息進行有效的儲存；

輸入/輸出點：輸入點可以從系統中的各種設備中采集可用信號，而輸出點則負責對系統中的電機或者是其他設備進行有效的控制。

（3） 輸入/輸出點數的估算要符合系統要求

輸入/輸出點數的估算值，對于整個控制系統來說，是非常重要的。其次，技術人員也可以通過輸入/輸出點數的估算值，來選擇最有利于該控制系統的可編程控制器。所以，技術人員就必須要對輸入/輸出點數進行合理并符合規范的估算，并在獲取到估算值之后，按照估算值的大小，選擇一種適用于當前控制系統的可編程控制器。這樣一來，也就可以在很大程度上提高可編程控制器的運行效率。依據估算值選擇可編程控制器時，要預留出15%左右的輸入/輸出點數。結合鉆探設備的應用特性來看，輸入/輸出點數的估算數據如表1所示。

表1 輸入/輸出點數估算示意

2.2 數據通信系統

該控制系統中的“數據通信”指的是：數據在同級或不同級之間實現傳輸或者是接收的一個過程，而該控制系統中的數據通信，也主要是依靠可編程控制器和上位計算機來實現的。其中，可編程控制器和上位計算機進行數據通信時所使用的端口號是RS 485和RS 232，且它們進行數據交互的模式是字符串模式。另外，它們實現數據交互的原理是：由可編程控制器把控制系統中的所有數據信息以及運行狀態傳輸到上位計算機中，上位計算機一旦接收到這些數據信息和運行狀態之時，就會立即對它們進行合理并有效的分析和處理。

2.3 軟件系統

搭建該控制系統軟件系統的依據是控制系統流程圖以及控制系統功能預設圖；采用的編程軟件V3.1 STEP Micro/WIN；編程平臺為計算機平臺；輔助技術為計算機技術與通信技術。另外，技術人員在為該控制系統搭建軟件系統的前一階段，還應當對帶式傳送機的實際運行情況進行更深入的了解，然后再依據了解到的情況，對該控制系統的各個控制進程進行合理的設計。其中，該控制系統中所必備的控制進程包括以下幾個：

（1） 把定時器作為控制系統軟啟動以及軟停車操作的主要控制器，讓操作人員通過對定時器進行時間預設的操作，使控制系統依照預定的速度規則，自動的實現軟啟動和軟停車過程。

（2） 如果有停車要求時，控制系統可自動進行順序斷電操作。若遇突發情況導致的停車，控制系統也可直接切斷系統中的所有電源，保證系統不會因此受到任何影響。其中，順序斷電需要借助定時器，其實現原理是：依據操作人員預先設置好的時間，進行斷電操作。

（3） 利用“系統自檢”功能，對整個控制系統的運行狀態進行實時的監測與控制。倘若在監測與控制的過程當中，發現了系統中存在著的錯誤，那么該功能就會自動觸發系統警報器，提示操作人員系統出現了問題。如果，控制系統中不存在任何錯誤，那么該功能就會執行下一個任務，從而讓其繼續對系統的運行狀態進行檢測與控制。

（4） 把定時器合理的運用到軟件系統中，可以讓可編程控制器在定時器的作用之下，實現自動起動或者是停止的操作。其具體表現在：當達到操作人員對定時器預置的時間之時，控制系統中的電機會在可編程控制器的作用下，開始實現運行，并在預置的某一時間段之內，達到相應的預置轉速。另外，可編程控制器也可以依據其自身的輸出頻率，對控制系統中調速電機的運行速度進行合理的控制。

3 機械電子式軟啟動裝置控制系統研發的作用

機械電子式軟啟動裝置控制系統的研發，不僅可以提高系統中負載的運行效率，還可以讓整個控制系統實現無極調速的這一運行過程。由此可見， 機械電子式軟啟動裝置控制系統的研發，對我國各行各業來說，都有著一定的實質性應用價值。現對機械電子式軟啟動裝置控制系統研發的作用進行簡單的分析，并將其概括為以下幾點：

（1） 有利于提高施工鉆進的生產效率；

（2） 有利于企業對現場施工進行實施監測與控制，以防止錯誤操作給整個生產線造成的影響；

（3） 有利于降低鉆井過程的生產成本；

（4） 有利于促進我國鉆探行業的進一步發展；

（5） 有利于我國機械電子式軟啟動裝置控制系統的創新；

（6） 有利于提升我國鉆井施工行業的整體水平。

4 結 語

綜上所述，機械電子式軟啟動裝置控制系統作為一種具有較高控制效能的系統，它在鉆井施工中的運用，無疑能提升了鉆探施工的生產效率。特別是在現代高科技技術的引領之下，機械電子式軟啟動裝置控制系統更是得到了最全面的改進。然而，隨著時代的不斷發展，鉆探施工勢必會提高對機械電子式軟啟動裝置控制系統的要求。因此，在這種情況之下，國家有關部門就應當以“契合社會發展的趨勢”為主要目的，采用最先進的技術對機械電子式軟啟動裝置控制系統進行不斷的創新。唯有這樣，才能夠提高機械電子式軟啟動裝置控制系統的效能，并讓其為鉆探施工行業，甚至各行各業提供最全面、最優質的服務。

參考文獻

[1] 趙明陽.機械電子式軟啟動裝置控制系統的設計[J].通信世界，2014（6）：38?39.

[2] 朱國勇.機械電子式軟啟動裝置控制系統設計[J].裝備制造技術，2013（2）：176?178.

[3] 張維民，盧軍民，楊玉敏，等.機械電子結合軟啟動裝置設計[J].機械設計與制造，2009（2）：212?213.

[4] 朱高偉.機械電子式軟啟動裝置控制系統設計[J].電子世界，2014（4）：105?106.

[5] 宋華明.機械電子結合軟起動裝置設計[J].中國電子商務，2014（12）：238?239.

[6] 何新莊.機械電子結合軟啟動裝置設計[J].科技傳播，2012（1）：33?35.

[7] 劉志國.水文水井鉆探工程技術[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.