肖卓名，廖 攀

1 設(shè)計(jì)背景

在石油測(cè)井行業(yè)，由于所使用測(cè)井儀器中張力短節(jié)工作一段時(shí)間容易出現(xiàn)傳感器不準(zhǔn)或失靈等故障，若沒有及時(shí)校驗(yàn)測(cè)試會(huì)導(dǎo)致重大事故發(fā)生；且油田測(cè)井操作人員長(zhǎng)期駐外工作，若將測(cè)井儀器帶回總部計(jì)量校驗(yàn)，則路途遙遠(yuǎn)，操作不便。因此開發(fā)便于攜帶、方便使用的張壓力校驗(yàn)設(shè)備，對(duì)測(cè)井儀器張力短節(jié)中的張力傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)，或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試電纜、弱點(diǎn)螺釘?shù)鹊睦瓟嗔τ葹楸匾?，可配備于油田各駐外基地現(xiàn)場(chǎng)使用。為此，本文介紹了一款智能張壓力測(cè)試系統(tǒng)。它使用研華數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)作為主控單元，使用Labwindows/CVI進(jìn)行上位機(jī)編程，通過PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)壓力，對(duì)待標(biāo)定儀器進(jìn)行標(biāo)定，構(gòu)成一種虛擬儀器的控制系統(tǒng)[1]。

2 基本原理和重要技術(shù)參數(shù)

由于所測(cè)試內(nèi)容為張力短節(jié)中傳感器校驗(yàn)，或測(cè)井電纜、弱點(diǎn)螺釘、三錐套等的拉斷拉脫測(cè)試，因此所選傳感器量程必須大于所測(cè)試對(duì)象最大測(cè)試范圍。根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，測(cè)井儀器中張力短節(jié)傳感器量程均在10 t以下，φ11.8 mm規(guī)格電纜最大拉斷力不超過12 t；對(duì)于剛性構(gòu)件，拉伸或壓縮時(shí)彈性形變非常微小，對(duì)于電纜拉斷，1.5 m電纜拉斷最大拉伸量不超過20 cm.因此，所選張力傳感器量程應(yīng)大于12 t，所選位移傳感器量程應(yīng)大于200 mm.

2.1 基本原理

智能張壓力測(cè)試系統(tǒng)主要包括：工控機(jī)、力加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓缸及其夾具、力測(cè)試原件及其夾具。其中工控機(jī)作為主控單元，包括電腦主機(jī)和研華數(shù)據(jù)采集卡，為控制系統(tǒng)的核心；力加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓缸及其夾具構(gòu)成一個(gè)完整的液壓動(dòng)力系統(tǒng)，具體構(gòu)成見第3節(jié)。組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

開始測(cè)試前，先將試樣用工裝夾具固定于液壓缸和力測(cè)試原件之間，之后可啟動(dòng)工控機(jī)，打開編寫的測(cè)試軟件選擇測(cè)試模式，測(cè)試板卡將會(huì)根據(jù)程序?qū)α虞d系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制。即通過寫有測(cè)試軟件的工控機(jī)對(duì)力加載驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和液壓缸及其夾具組成的液壓動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而完成對(duì)試樣的標(biāo)定或拉斷或拉脫試驗(yàn)。

2.2 重要技術(shù)參數(shù)

2.2.1 環(huán)式壓力傳感器

由于受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)影響，所測(cè)試儀器必須穿過液壓缸，因此壓力傳感器應(yīng)定制為環(huán)式結(jié)構(gòu)，所選量程大于12 t即可；為保證精度，以免信號(hào)傳輸中信號(hào)失真，傳感器輸出信號(hào)應(yīng)為電流信號(hào)。參數(shù)如下：

①最大測(cè)量：±15 t

②供電電壓：5~15 VDC

③輸出阻抗：350 Ω

④輸出靈敏度：2 mv/V

⑤輸出信號(hào)：4~20 mA

2.2.2 赫斯曼插入式一體式溫度傳感器

系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器沒有太大要求，常用油溫計(jì)即可。參數(shù)要求如下：

①測(cè)溫范圍：-50℃~100℃

②供電電壓：24 VDC

③輸出信號(hào)：4~20 mA

2.2.3 位移傳感器

位移傳感器主要用于測(cè)試電纜拉斷時(shí)電纜的拉伸長(zhǎng)度，因此量程應(yīng)大于測(cè)試電纜最大拉伸量200 mm的范圍，因此選擇如下參數(shù)：

①量程范圍：0~325 mm②供電電壓：24 VDC

③輸出信號(hào)：4~20 mA

3 液壓動(dòng)力系統(tǒng)

3.1 液壓動(dòng)力系統(tǒng)的組成及主要參數(shù)

液壓系統(tǒng)由液壓泵站、溢流閥、球閥、電磁比例閥、高速油管軟管、壓力表、手動(dòng)液壓閥、手壓泵、加熱帶、溫度傳感器、油箱和液壓缸等組成。

主要技術(shù)參數(shù)為：

①油泵壓力：21 MPa（額定工作壓力為14 MPa）②油泵流量：3.5 L/min

③各種閥門壓力：31.5 MPa（額定工作壓力<16 MPa）

④油泵電機(jī)：?jiǎn)蜗嘟涣麟姍C(jī)。功率：750 W，轉(zhuǎn)速：1 400 r/min，電壓：220 VAC

⑤液壓缸最大拉力：150 kN

3.2 結(jié)構(gòu)方案及工作原理

系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。其中，電機(jī)泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力；過濾器防止顆粒污染物進(jìn)入液壓系統(tǒng)損壞液壓元件；三位四通電磁比例溢流閥通過上位機(jī)軟件可以控制液壓缸的負(fù)載能力，來(lái)達(dá)到不同的張、壓力需求，和壓力傳感器形成閉環(huán)控制，可以提前設(shè)定目標(biāo)值；手動(dòng)開關(guān)用于切換自動(dòng)化控制和手動(dòng)操作控制；溢流閥設(shè)定值為系統(tǒng)最高壓力負(fù)載，用于保護(hù)整個(gè)液壓系統(tǒng)；壓力傳感器檢測(cè)整個(gè)系統(tǒng)壓力負(fù)載，同時(shí)帶有指示表頭，用于在斷電情況下顯示系統(tǒng)壓力；位移傳感器用于檢測(cè)液壓缸位移，從而檢測(cè)試件被拉伸長(zhǎng)度；手動(dòng)液壓源用于在沒有電的情況下，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用。

圖2 液壓原理圖

工作原理為：油泵電機(jī)啟動(dòng)后帶動(dòng)齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)，從油泵排出的液壓油經(jīng)閥組進(jìn)入液壓缸，推動(dòng)活塞桿移動(dòng)。活塞桿的拉伸（收回油缸）和回程（推出油缸）是通過比例換向閥切換液壓油的流向來(lái)實(shí)現(xiàn)的。油泵的啟動(dòng)和停止、油缸拉伸和回程、油缸停止等功能均可用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，也可手動(dòng)控制。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制時(shí)，油缸拉伸和回程達(dá)到設(shè)定值后可自動(dòng)停止。

4 電氣部分

4.1 電氣部分主要組成

智能張壓力系統(tǒng)的電氣部分主要由信號(hào)調(diào)理箱、試樣裝卡電機(jī)、油泵電機(jī)、電磁換向閥、傳感器、計(jì)算機(jī)六大部分組成。傳感器信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理箱進(jìn)行濾波、放大等處理進(jìn)入采集卡，通過上位機(jī)軟件自動(dòng)控制，計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)再次通過調(diào)理箱對(duì)固態(tài)繼電器、比例閥等器件進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)多功能控制。

4.2 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

裝有研華PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部分，基于Labwindows/CVI平臺(tái)編寫的上位機(jī)控制軟件對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行操作，可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)如系統(tǒng)張、壓力、液壓缸位移、溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，它起著操作設(shè)備完成試驗(yàn)和顯示數(shù)據(jù)、打印試驗(yàn)結(jié)果兩大任務(wù)。除此之外，計(jì)算機(jī)還能把每次試驗(yàn)結(jié)果長(zhǎng)期保存，以便查找。系統(tǒng)信號(hào)原理圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)信號(hào)原理圖

采集卡實(shí)時(shí)讀取張力傳感器、位移傳感器等數(shù)據(jù)并返回給上位機(jī)，壓力傳感器、位移傳感器和比例閥開口大小形成閉環(huán)控制，通過PID算法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)比例閥開口大小，從而對(duì)系統(tǒng)壓力和液壓缸移動(dòng)速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)[2]。如測(cè)試系統(tǒng)初始化設(shè)定標(biāo)定最大壓力（或張力）為10 t，標(biāo)定點(diǎn)數(shù)為10個(gè)，則系統(tǒng)自動(dòng)按標(biāo)定區(qū)間和點(diǎn)數(shù)平均分配10個(gè)點(diǎn)，即1 t標(biāo)定1次。當(dāng)系統(tǒng)壓力（或張力）從0升至1 t時(shí)，計(jì)算機(jī)通過PID調(diào)節(jié)會(huì)將系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在1 t，穩(wěn)定時(shí)間超過設(shè)定值或點(diǎn)擊下一點(diǎn)標(biāo)定則進(jìn)入下一點(diǎn)2 t的標(biāo)定。以此類推，直至10個(gè)點(diǎn)標(biāo)定完成。在工件測(cè)試時(shí)，能正確響應(yīng)任意張、壓力值的設(shè)定（設(shè)備張力范圍內(nèi)），當(dāng)系統(tǒng)張力值達(dá)到設(shè)定值后，液壓缸活塞桿停止運(yùn)動(dòng)，張力值保持在設(shè)定值，當(dāng)再次操作時(shí)，液壓缸活塞桿根據(jù)預(yù)設(shè)狀態(tài)繼續(xù)工作。

其中工控機(jī)有自帶有RS-232串口，通過RS232轉(zhuǎn)RS485電路，可將測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)壓力值通過RS485發(fā)送給外掛顯示儀表，以便試驗(yàn)操作時(shí)更直觀了解系統(tǒng)情況。

同時(shí)，該上位機(jī)軟件可針對(duì)不同測(cè)試件（如電纜、弱點(diǎn)螺釘）對(duì)應(yīng)選擇相應(yīng)的測(cè)試模式，進(jìn)行連續(xù)測(cè)試或間斷測(cè)試。

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)電纜、弱點(diǎn)螺釘?shù)鹊睦瓟嗔χ?，檢測(cè)電纜在三錐套的拉脫力值，測(cè)井儀器張力計(jì)等的張力和壓力試驗(yàn)的專用設(shè)備測(cè)試。設(shè)備整體實(shí)物圖如圖4所示，對(duì)測(cè)井儀器張力短節(jié)標(biāo)定曲線如圖5所示。相比于現(xiàn)階段測(cè)試設(shè)備：每次測(cè)試手動(dòng)選擇測(cè)試點(diǎn)，在測(cè)試點(diǎn)處難以保持力的穩(wěn)定，且測(cè)試數(shù)據(jù)手動(dòng)記錄分析，該系統(tǒng)充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行各種參數(shù)預(yù)設(shè)，自動(dòng)測(cè)量控制、數(shù)據(jù)處理、繪制曲線以及打印等。該系統(tǒng)有著良好的人機(jī)界面，可廣泛應(yīng)用于電力供電部門和油田測(cè)井公司及其他工礦企業(yè)、質(zhì)檢單位、學(xué)?？蒲袉挝粚?duì)各種用于長(zhǎng)軟試件破斷試驗(yàn)測(cè)試。

圖4 智能張壓力設(shè)備實(shí)物圖

圖5 力與時(shí)間局部放大曲線

[1]張愛平.LabVIEW入門與虛擬儀器[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]楊 智，朱海峰，黃以華.PID控制器設(shè)計(jì)與參數(shù)整定方法綜述[J].化工自動(dòng)化及儀表，2005，32（5）：1-7.