周 靜，常 鵬，彭琰舉，周海洋

（1.西安石油大學(xué) 井下測控研究所，陜西 西安 710065；2.陜西鼎元石油有限公司 陜西 西安 710065）

在井場的測試系統(tǒng)中要對井口的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而由于油田環(huán)境的特殊性，要求測試系統(tǒng)必須具有較高的可靠性和抗干擾能力，在工業(yè)控制系統(tǒng)中，PLC以其適應(yīng)性強(qiáng)、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、編程簡單等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)以PLC控制器為核心，以VB6.0為上位機(jī)構(gòu)成的調(diào)焦系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確快速地控制直流電機(jī)的運(yùn)動從而達(dá)到調(diào)焦效果，并且為用戶提供了人性化的操作界面、實(shí)現(xiàn)了對于現(xiàn)場壓力數(shù)據(jù)的采集，還能夠?qū)崟r(shí)的控制現(xiàn)場壓力測試系統(tǒng)；本系統(tǒng)選型考究，采用了小型可擴(kuò)展性強(qiáng)的FX2N系列PLC[1]，具有通信端口為后續(xù)的升級提供便利，選用了直流電機(jī)和絲桿及具有12位精度的位置傳感器的組合進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)焦，而沒有采用昂貴的伺服電機(jī)，這也充分兼顧了系統(tǒng)的成本和實(shí)用性。這對于實(shí)現(xiàn)油田智能化、自動化、可視化、實(shí)時(shí)化提供了可靠保證。構(gòu)成系統(tǒng)在水平和垂直方向的位移，為了使系統(tǒng)快速、準(zhǔn)確的完成調(diào)焦，控制垂直位移的直流電機(jī)電壓可在12 V和5 V之間來回切換，使電機(jī)以不同的速度運(yùn)動，分別完成攝像頭對焦距的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。為了使調(diào)焦系統(tǒng)在調(diào)焦過程中具有高可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)采用由電機(jī)、絲桿及位置傳感器組成的閉環(huán)系統(tǒng)[2]。同時(shí)系統(tǒng)還采用CCD圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使調(diào)焦效果最佳，而CCD圖像數(shù)據(jù)處理技術(shù)不是本文的重點(diǎn)所以在這里不做贅述。另外考慮到系統(tǒng)的可靠性，除了軟件可控制系統(tǒng)的調(diào)焦外，本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了硬件的調(diào)焦控制臺，使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件界面保持了高度一致，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)焦系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of focusing system

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

調(diào)焦系統(tǒng)以電機(jī)的位置為調(diào)節(jié)參數(shù)，兩臺直流電機(jī)分別

當(dāng)系統(tǒng)得到預(yù)設(shè)的坐標(biāo)后控制直流電機(jī)的運(yùn)動，直流電機(jī)帶動攝像頭靠近預(yù)定位置，位置傳感器檢測到坐標(biāo)后與給定值比較最后完成調(diào)焦，系統(tǒng)采用最少的機(jī)構(gòu)完成調(diào)焦也體現(xiàn)了最簡即最優(yōu)的控制原則。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

2.1 調(diào)焦系統(tǒng)硬件組成

調(diào)焦系統(tǒng)通過兩個(gè)位置傳感器檢測攝像頭所在的位置；通過控制電機(jī)的運(yùn)動控制攝像頭的運(yùn)動，由位置傳感器[3]和電機(jī)構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)最終完成準(zhǔn)確調(diào)焦。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)硬件部分主要由FX2N系列PLC、上位機(jī)、位置傳感器、直流電機(jī)等組成。主要包括：1）FX2N系列PLC、FX2N-232-BD串行模塊、FX2N-2AD[4]模塊各一臺；2）位置傳感器兩個(gè)；3）直流電機(jī)3臺；圖2是該調(diào)焦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of hardware system

2.2 調(diào)焦控制臺組成

調(diào)焦控制臺是為了現(xiàn)場能夠快速靈活的調(diào)焦而設(shè)計(jì)的，使整個(gè)系統(tǒng)同時(shí)具備電腦自動控制和手動控制，與在控制室里進(jìn)行電腦自動控制形成互補(bǔ)。

調(diào)焦控制臺主要由調(diào)焦控制盒、通信電纜、表盤按鈕組成，實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 控制臺實(shí)物圖Fig.3 Console physical map

實(shí)現(xiàn)功能：4個(gè)方向按鈕分別實(shí)現(xiàn)電機(jī)在水平方向和垂直方向的運(yùn)動，快上快下按鈕則將電機(jī)的供電電壓切換到+12 V，是電機(jī)快速移動到預(yù)定位置，急停按鈕則實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在非正常工作狀況下的關(guān)閉。

3 控制系統(tǒng)原理

為了使系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確調(diào)焦，本系統(tǒng)采用了由直流電機(jī)和位置傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，為了提高調(diào)焦的精度系統(tǒng)的位置傳感器采用12位精度的，在水平推桿和垂直推桿[5]都為0.3 m的情況下，精度為1.0×10-4m。系統(tǒng)的首次調(diào)焦要通過手動調(diào)節(jié)或者在人為參與的情況下進(jìn)行調(diào)焦，當(dāng)通過CCD技術(shù)達(dá)到最佳的調(diào)焦效果后位置傳感器會記錄此時(shí)的位置，然后將坐標(biāo)輸入到上位機(jī)的設(shè)置中，開機(jī)后電機(jī)就會根據(jù)給定的參數(shù)進(jìn)行移動，同時(shí)位置傳感器會檢測攝像頭的坐標(biāo)，經(jīng)過FX2N-2AD模塊將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號送給控制器PLC，然后將獲得的參數(shù)與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，在逐漸縮小偏差達(dá)到設(shè)定位置后系統(tǒng)就完成了自動調(diào)焦的功能。在控制系統(tǒng)中有6個(gè)限位開關(guān)、12個(gè)按鈕開關(guān)共18個(gè)輸入點(diǎn)和8個(gè)輸出點(diǎn)，PLC的輸入口接收來自限位開關(guān)及按鈕開關(guān)的動作信號，位置傳感器通過FX2N-2AD接PLC控制器。系統(tǒng)接線圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)接線圖Fig.4 System wiring diagram

4 軟件設(shè)計(jì)

PLC主要是為現(xiàn)場控制而設(shè)計(jì)的，人機(jī)界面主要是開關(guān)、按鈕等。其良好的實(shí)用性和可擴(kuò)展能力得到越來越廣泛的應(yīng)用。采用PLC的控制系統(tǒng)具有可靠性高、易于控制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、能模擬現(xiàn)場調(diào)試、編程使用簡單、性價(jià)比高、有良好的抗干擾能力等特點(diǎn)。但是PLC也有其不易顯示各種圖表、無良好的用戶界面、不便于監(jiān)控等缺陷。

計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)可以提供良好的人機(jī)界面，進(jìn)行系統(tǒng)的監(jiān)控和管理，進(jìn)行程序編制、參數(shù)設(shè)定和修改、數(shù)據(jù)采集等，既能保證系統(tǒng)性能，又能使系統(tǒng)操作簡便，便于進(jìn)行生產(chǎn)過程的有效監(jiān)督。而PLC作為下位機(jī)，執(zhí)行可靠有效的分散控制。用上位機(jī)去監(jiān)控下位機(jī)，這就要求PC與PLC之間穩(wěn)定、可靠的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成PC與PLC的通信、編寫相應(yīng)的程序控制系統(tǒng)。

調(diào)焦系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：VB軟件設(shè)計(jì)和PLC軟件設(shè)計(jì)。

4.1 VB軟件設(shè)計(jì)

VB6.0具有可視化，支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)性的事件驅(qū)動編程模式，編程效率高等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇VB6.0提供的串口通信控件MSComm[6]來進(jìn)行通信編程。

4.1.1 MSComm控件

MSComm控件提供了一系列標(biāo)準(zhǔn)通信命令的使用界面。使用它可以建立與串行端口的連接，通過串行端口再連接到系統(tǒng)的控制器PLC，發(fā)出命令，交換數(shù)據(jù)，以及監(jiān)視和響應(yīng)串行連接中發(fā)生的時(shí)間和錯(cuò)誤。

MSComm控件還有很多重要屬性，基本屬性如下：

Commport設(shè)置并返回通訊端口號

Settings以字符串的形式設(shè)置并返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位。

PortOpen設(shè)置并返回通訊端口的狀態(tài)。也可以打開和關(guān)閉端口。

Input從接收緩沖區(qū)返回和刪除字符。

Output向傳輸緩沖區(qū)寫一個(gè)字符串。

4.1.2 PC機(jī)與PLC串口通信

PC與PLC采用主從方式通信，為了測試PC與PLC能否正常通信，要進(jìn)行回路測試，其持續(xù)運(yùn)行界面如圖6所示，首先單擊“回路測試”按鈕，若出現(xiàn)“與PLC通信正常！”信息框，表示線路與硬件連接正常，此時(shí)PC與PLC可以進(jìn)行正常通信；初始化持續(xù)和回路測試持續(xù)如下：

圖6 電機(jī)控制部分PLC梯形圖Fig.6 Motor control PLC ladder

程序初始化：

圖5 程序運(yùn)行界面Fig.5 The program's interface

4.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

自動調(diào)焦系統(tǒng)中電機(jī)控制是精確定位的關(guān)鍵，所以對電機(jī)實(shí)施控制顯得尤為重要，為了保證FX2N系列PLC能夠正常與PC進(jìn)行通信，需要在PLC中運(yùn)行先運(yùn)行一段程序。其功能是設(shè)置PLC通信參數(shù)[7]：波特率是9 600 b/s，7位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇校驗(yàn)，站號位0.，然后在運(yùn)行系統(tǒng)程序，下面是電機(jī)控制的部分梯形圖。

調(diào)焦系統(tǒng)能準(zhǔn)確調(diào)焦或者定位的關(guān)鍵在于有直流電機(jī)、絲桿及位置傳感器構(gòu)成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，由于位置傳感器的精度非常高，加上下位機(jī)程序編寫靈活可以實(shí)時(shí)更新，使得調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)焦更加清晰，根據(jù)調(diào)焦的控制要求，其控制流程圖如圖7所示。

圖7 PLC工作流程圖Tab.7 Flow chart of PLC program design

5 結(jié)束語

自動調(diào)焦系統(tǒng)是為了克服井場不能人為實(shí)時(shí)的對井口壓力進(jìn)行測試而設(shè)計(jì)的，自動調(diào)焦系統(tǒng)充分應(yīng)用了PLC控制優(yōu)勢，并結(jié)合直流電機(jī)的控制，位置傳感器的應(yīng)用達(dá)到了精確調(diào)焦的功能，相對于采用伺服電機(jī)進(jìn)行定位的系統(tǒng)降低了成本；直流電機(jī)在垂直位移方向的電壓的切換可完成粗調(diào)和細(xì)調(diào)，這也使系統(tǒng)能夠快速的定位，整個(gè)系統(tǒng)充分體現(xiàn)了穩(wěn)、準(zhǔn)、快的控制要求；自動調(diào)焦系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用于油田實(shí)際生產(chǎn)中，并且為油田檢測及控制系統(tǒng)朝著智能化、自動化、低成本的方向發(fā)展提供了有力借鑒。

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