基于STM單片機(jī)的井下電動工具集成監(jiān)測控制系統(tǒng)設(shè)計

王 銳

(武漢理工大學(xué) 湖北 武漢 430070)

0 引 言

隨著井下電動工具的發(fā)展，在現(xiàn)有的電纜車上使用井下磁定位儀和井下電動工具下井作業(yè)已經(jīng)成為非常普遍的作業(yè)方式。井下電動工具主要指的是利用電源供電、電機(jī)控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)在井下實現(xiàn)一定功能的工具，例如電動橋塞工具、電動投灰工具、電動切割工具等。每一種工具都必須搭載相應(yīng)的控制設(shè)備，有的設(shè)備體積笨重，而且使用井下磁定位儀和井下電動工具的時候，必須切換使用設(shè)備，操作流程繁瑣。目前使用的井下磁定位儀和井下電動工具技術(shù)成熟，使用電源和監(jiān)測方式趨同，采用集中統(tǒng)一的監(jiān)測控制系統(tǒng)成為電纜車井下作業(yè)的趨勢。根據(jù)以上應(yīng)用背景，本文討論設(shè)計一種基于STM32單片機(jī)的井下電動工具集成監(jiān)測控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成以及工作原理

井下電動工具井下作業(yè)一般流程是，將井下電動工具接在井下磁定位儀下面，通過電纜線下放入井。先通過井下磁定位儀反饋信號計算工具下放位置。確定工具到達(dá)工作深度后，通電啟動井下電動工具，監(jiān)測供電電壓和電流判斷電動工具工作狀態(tài)。作業(yè)完成后關(guān)閉井下電動工具，上提電纜線取回工具。

1.1 控制系統(tǒng)組成

集成控制系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，充分利用內(nèi)部硬件資源，配合可編程電源模塊、切換開關(guān)、電壓變送器、電流變送器和上位機(jī)完成井下電動工具整個作業(yè)流程。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，單片機(jī)控制系統(tǒng)通過控制可編程電源模塊和切換開關(guān)，控制電纜線電源輸出的電壓；通過電壓和電流變送器監(jiān)測電源輸出線兩端的電壓和通過的電流，來判斷井下磁定位儀和井下電動工具的工作狀態(tài)；通過RS232與上位機(jī)通訊，獲取操作人員的控制指令，并在人機(jī)交互界面實時顯示井下電動工具狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 變送器模塊

對井下電動工具狀態(tài)的監(jiān)測是通過變送器模塊監(jiān)測電纜線的電壓和電流來實現(xiàn)的。電壓變送器1用于監(jiān)測井下電動工具電壓電源電壓，井下電動工具工作電壓一般為50VDC～400VDC。電流變送器用于監(jiān)測井下電動工具工作電流，根據(jù)電流數(shù)據(jù)可以判斷井下電動工具的工作狀態(tài)。電壓變送器2用于監(jiān)測井下磁定位儀的反饋信號。井下磁定位儀不需要提供電壓，經(jīng)過接箍的時候，反饋信號只有幾十毫伏，所以測量量程選擇最小的。變送器模塊輸出為電流信號，與STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)連接如圖2所示。

圖2 變送器與單片機(jī)系統(tǒng)連接圖

1.3 電源切換及工作流程

可編程電源模塊通過STM32單片機(jī)程序控制輸出0～400VDC電源，與切換開關(guān)配合，為井下電動工具不同階段提供所需的電源。切換開關(guān)通過STM32單片機(jī)程序控制閉合和斷開。當(dāng)工具下放的時候，切換開關(guān)如圖3所示，使電纜線電源輸出正極呈開路狀態(tài)，電壓變送器2接入電纜線電源輸出正極，電壓變送器2監(jiān)控井下磁定位儀反饋信號。當(dāng)井下電動工具到達(dá)工作位置時，通過上位機(jī)設(shè)置工作電壓，電壓變送器1監(jiān)控可編程電源模塊輸出電壓。當(dāng)模塊輸出電壓調(diào)整到工作電壓，切換開關(guān)如圖4所示，電壓變送器2與電纜線電源輸出正極斷開，可編程電源模塊正極接入電纜線電源輸出正極，為井下電動工具提供所需電源。

圖3 工具下放時候的切換開關(guān)狀態(tài)

圖4 電動工具工作時候的切換開關(guān)狀態(tài)

1.4 程序流程

工具下井之前啟動集成監(jiān)測控制系統(tǒng)，操作人員根據(jù)工作流程，通過上位機(jī)交互界面對系統(tǒng)發(fā)送控制指令。集成監(jiān)測控制系統(tǒng)程序流程如圖5所示。

圖5 集成監(jiān)測控制系統(tǒng)程序流程圖

控制系統(tǒng)電源開啟后，各功能模塊均啟動進(jìn)入待命狀態(tài)。操作人員通過上位機(jī)人機(jī)交互界面點(diǎn)擊按鍵，向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送控制指令。當(dāng)操作人員點(diǎn)擊“開始監(jiān)測”指令后，人機(jī)交互界面向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送“開始監(jiān)測”指令，單片機(jī)控制系統(tǒng)收到指令后，讀取電壓變送器和電流變送器的采集數(shù)據(jù)，上傳給人機(jī)交互界面。

人機(jī)交互界面收到數(shù)據(jù)后，再次發(fā)送“開始監(jiān)測”指令。這樣循環(huán)讀取電纜線電源輸出線上的檢測數(shù)據(jù)。如果需要暫停監(jiān)測，操作人員點(diǎn)擊人機(jī)交互界面上的“停止監(jiān)測”按鍵，人機(jī)交互界面就停止向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)送“開始監(jiān)測”指令。操作人員可以點(diǎn)擊“閉合開關(guān)”或者“打開開關(guān)”的按鍵，控制閉合開關(guān)打開或者關(guān)閉。

2 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過可編程電源和切換開關(guān)，給使用有線電源下井作業(yè)的井下電動工具提供需要的電源，并且準(zhǔn)確監(jiān)測井下磁定位儀和井下電動工具的工作狀態(tài)。該系統(tǒng)硬件電路簡單，測量準(zhǔn)確，能夠很好兼容井下電動工具的功能，簡化操作流程。