簡述手輪電位器的信號處理

董增鋒

摘 要 本文介紹了手輪電位器在整個信號給定時處理問題的簡單應用，達到現場對控制系統的準確控制，更好地滿足現場工況的需求。

關鍵詞 轉盤;頂驅;線性;非線性;雙精度整形

目前在石油鉆井行業，控制操作廣泛的應用手輪電位器，方法是將模擬信號給定到PLC，由PLC控制變頻器，再由變頻器來驅動電機如下圖，例如：轉盤的速度、扭矩的給定和限制;頂驅的速度、扭矩的給定和限制，隨著鉆井工藝的不斷提高，對控制電機的精度要求越來越高，實現一些特殊的要求。

1低速時手輪信號的處理

由于電機是通過變頻器控制。在低速時，變頻器的輸出頻率會出現不穩定情況，這時需要電機以間歇方式運行，對手輪控制信號需要采取一些處理，變頻器和手輪電位器是無法改變的，只能改變PLC程序，使其和實際工況相一致。在手輪給定低于5m/hour時，變頻器的輸出頻率會出現不穩定情況，這時需要電機以間歇方式運行，就需要在PLC在程序中令變頻器以間歇方式輸出速度給定。

其數學計算如下：

為手輪給定的速度，在這里就是設定的5m/hour，為運行時間（在此，我們把運行時間定為10s）， 為周期。，為雙精度整形數，保證了周期的精確性。由上式變換得：

算出周期后，設計一個計數器（10ms記1個數），讓計數器的值在以內時輸出1，令速度給定導通，在以后余下的 的時間內不輸出速度給定信號，當計數器記滿周期后置1從新計數。占空比就有得出。由于雙精度整形數的運用，使之控制精度很高。以上是電機低速時，對手輪電位器給定信號的處理的算法，可根據以上算法，在PLC程序中采用此算法，可以很好地解決手輪給定在低頻時不穩定的情況[1]。

2整個手輪給定中的信號處理

由于考慮到手輪調速范圍非常大，在低速時調速非常不準確、不方便，所以對手輪的速度給定作了一下調整。如下圖所示。

在手輪前1/3的量程里，為低速給定區域，在此區域內，手輪給定的速度在0～5m/hour的范圍內，此時電機以間歇方式運行;在中間1/3的手輪量程內，調速范圍是5m/hour到最大速度的一半，即2304m/hour（在自動送鉆方式下為18m/hour），滿足了大部分工藝的需求;在最后的1/3的手輪量程內為后面一半的調速范圍，到4608m/hour（自動送鉆方式下為36m/hour）。由在不同的量程內，手輪電位器輸入所給定的值乘以不同的比例來達到以上的給定方式。

其數學公式為：

X1：手輪量程的前1/3值;x2：手輪量程的中間1/3值;x3：手輪量程的后1/3值;K1：手輪量程的前1/3比例值;k2：手輪量程的中間1/3比例值;k3：手輪量程的后1/3比例值;y1、y2、y3均為速度給定。

以上是在整個手輪電位器給定信號時，在PLC程序內采用的算法，該算法的關鍵在于給定精度，所有數據采用雙精度整型，雖然此處將給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，但是程序就會相應增加。

這樣處理后手輪調速的精度與易用性都會大大提高，使操作人員不會再為低速給定而感到不便[2]。

3手輪電位器信號給定時注意事項

（1）轉盤和頂驅在電機速度和扭矩給定時，都可以采用此方法，但需要考慮在零位時的零位信號漂移情況，必須對零位漂移做相應的處理，使其電機運動平滑，例如：程序低速給定時做死區處理，但是死區范圍必須要小，不要和低速時相沖突，只有這樣才能更好地使整個手輪在調速時運行平穩。

（2）手輪雖然操作方便好用，但平時也要注意一些問題。由于鉆井工況比較特殊，特別是振動比較大，必須對手輪電位器進行保養，使用一段時間，就要進行調零處理，不然回零不正常，就會使信號不正常，從而造成信號的失真、跳變等問題，使轉盤和頂驅的速度、扭矩給定無法正常使用。

（3）除了對手輪電位器采取定期的保養外，由于手輪電位器是操作頻率比較高的輸入元器件，有必要在PLC程序或者變頻器參數里進行一些處理。例如：在PLC程序里編寫零位程序，做一些軟件抗干擾的程序;在變頻器里修改一些參數，做一些信號平滑或者死區處理，做到硬件和軟件的有機結合處理。

4結束語

隨著鉆井技術的不斷提高，操作人員希望轉盤和頂驅的整個電機運行是線性的，但是由于變頻器低頻的不穩定性，導致工況往往為非線性的，有了以上處理問題的方法，現場的轉盤和頂驅工作特性將大大提高，在鉆井的一些現場，已經采用了這種方法，收到了很好的效果，現場人員普遍反映使用更加人性化，更加貼近現場工況。由于現在工業控制中大量采用變頻器控制電機，特別是在中大型的設備中，這個算法不光能使用在鉆井的轉盤和頂驅的電控系統中，也可以大量使用在有變頻器控制的場合，可以大大提高設備的穩定性和可靠性。

參考文獻

[1] 天津電氣傳動設計研究所.電氣傳動自動化技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2006：217.

[2] 譚剛強，王豫，李順平.現代石油井場電氣安全[M].北京：電子科技大學出版社，2008：51.