一种海底取样钻机控制系统的设计

机电一体化技 术一种海底取样钻机控制系统的设计 张鑫平,严　延 (中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院,湖北武汉430074)Design of Cont rolling System of t he Subsea Sampling Drilling RigZHANG Xin 2ping ,YAN Yan(Faculty of Mechanical and Electronic Information ,China University of G eosciences ,Wuhan 430074,China ) 摘要:为了实现海底取样钻机的远程遥控控制,提出了以RS485作为远程数据通讯方式,来实现船上设备和海底钻机之间的控制命令和工作参数的传输;以单片机为控制核心,来实现振动器频率的调整和电磁阀的控制等.介绍了海底取样钻机控制系统的总体方案,硬件控制电路,以及相关软件的设计.关键词:海底钻机;RS485通讯;PWM 调速;电磁阀的控制中图分类号:TP271.4文献标识码:B文章编号:100122257(2009)0320024202收稿日期:2008210231基金项目:中国地质调查局项目(20002010005126)Abstract :In order to carry out a remote con 2t rolling of t he subsea sampling ,provide a commu 2nicating met hod which is based on RS485to com 2plete t he communication between t he onboard e 2quip ment and t he subsea sampling rill ;and provide a cont rolling met hod which is micro 2comp uter to complete t he adjust ment of t he frequency of t he vi 2brator and t he cont rolling of elect romagnetic valve.It int roduces t he holistic design ,and t he design of hardware circuit and software.K ey w ords :subsea sampling ;communicate by RS485;PWM timing ;control of electromagnetic valve0　引言“海底遥控取样钻机"项目来源于国土资源部,是为浅海海底地质勘察而专门设计的,该项目研发的设备可在500m 水深范围内使用,设计取样深度为3m.考虑到海底取样钻机需要沉入大海,其密封性要求很高,以及钻进过程对海底土层的扰动要求小,海底浅层土壤硬度低等因素,本设备选用振动钻进将取样钻杆逐步贯入土体中.由于海底地层构造复杂,钻机在钻进过程中的钻压将随地层不同而变化,因此,需要根据工作油压的变化来改变振动器的工作频率.同时,工作人员无法进入海底操作该设备,只能通过远程遥控来控制取样钻机的工作.1　控制系统总体设计钻机在取样过程中依靠自身携带的液压泵站来提供动力,使用远程遥控振动头将取样管逐步贯入海底表层土体中,从而为进行海底地质勘察提供宝贵的土体样品.控制系统如图1所示,工作人员在船上通过操作界面反映的各种参数信息,及时地向海底取样钻机发送相应的操作命令.因此,海底取样钻机的控制核心(单片机)不仅要负责接收船上工作人员发送过来的操作命令,也要将各项工作参数和工作状态发送到工作人员使用的电脑上,同时还要实时地分析和处理各个传感器(如压力)检测的信号,根据海底取样钻机的操作工艺,来有序地分配相应控制信号,以实现液压绞车的升降、振动器工作频率的变化、卡盘的夹紧和松开、油泵电机的开关、蓄能器的充放、支腿的伸展和收缩、振动器的提升和下降等操作,保证取样过程的顺利完成.图1　海底遥控钻机的控制系统・42・1机械与电子22009(3)2　硬件电路设计2.1　RS 485通讯设计[1]由于船上设备和海底设备是通过700m 的电缆连接,需要远距离通讯,同时抗干扰能力强.RS485总线采用差分信号传输,能有效地抑制远距离传输中的干扰,传输距离最多可达1200m.因此,采用RS485总线方式能有效地满足本系统的要求,其通讯方案如图2所示.图2　PC 机的RS485通讯的原理方案图2中,芯片MA X485是RS485通讯的低功率收发器,控制驱动器使能端和接收器使能端,就可以实现远程数据的传输.MA X232是RS232收发器,用于实现T TL 电平与微机串口的RS232电平信号之间的转换.2.2　近年来,振动技术已经被广泛地应用到工程地质钻探、海底浅层取样钻探和砂矿床钻探中.振动钻进的方法是通过振动器带动钻杆和钻头振动,当钻杆的振动频率与土壤颗粒的自振频率一致时,土壤颗粒产生共振.此时,土壤颗粒有足够的振动速度和加速度,能迅速破坏钻具与土壤间的粘结力,使两者由压紧状态过渡到瞬时分离状态,钻具的侧面阻力大大降低,促成其顺利沉入土壤[2].影响振动钻进的因素有振动器的振动频率和振幅、激振力和沉入压力.振动器的往复运动是通过电机旋转带动2个偏心块运动和弹簧的形变来实现的.其振幅的大小是通过偏心块的偏心距离来实现的,在工作过程中是无法调节的.振动频率(即往复频率)可以通过改变振动电机的转速来调节[3].由此可以看出,振动电机转速的调节在海底取样钻机钻进过程中起着至关重要的作用.振动电机采用直流电机,其控制电路如图3所示,额定电压24V ,调速采用PWM 调速方法,利用单片机I/O 口,通过软件对该引脚的不断地输出高低电平来实现PWM 波输出,从而控制开关管MOSFET 的导通和截止来得到不同的占空比,如图4所示.设U 0为电机电枢绕组两端电压平均值;α为占空比;U s 为加在电机电枢绕组两端的电源电压,则U 0=αU s .不同的占空比大小对应不同的电机电枢两端的平均电压,从而对应不同的电机转速[4].2.3　电磁阀的控制电路[5]支腿伸展和收缩、卡盘的夹紧和松开、蓄能器的充放等操作都需要通过改变相应方向阀的工作位置来实现,当海底取样钻机沉入海底时,无法用手动来改变方向阀的工作位置,而电磁阀是利用电磁铁吸力推动阀芯来改变阀的工作位置,因此,可以通过控制电磁阀的输入电压来控制方向阀的工作位置,从而实现远程控制.电磁阀的控制电路原理如图5所示,通过单片机的I/O 口控制电磁阀的通断来实现对应方向阀的动作,从而实现支腿伸展和收缩、卡盘的夹紧和松开、蓄能器的充放等操作.图5　电磁阀控制电路原理3　软件设计系统的功能是在浅海海底实现取样钻杆的贯入和提拔.当船上微机发出开始工作命令后,海底钻机的整个过程完全处于自动化操作,同时向船上微・52・1机械与电子22009(3)机汇报各个操作工序的开始和结束状态,以及相关的监测参数,以便船上工作人员可以随时了解海底钻机的工作状况.系统工作流程如图6所示.图6　系统程序流程4　结束语通过反复的试验表明,该控制系统可以很好地满足海底取样钻机的操作工艺要求,在运行过程中没有出现死机和操作工序混乱等.参考文献:[1]　求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M ].北京:人民邮电出版社,2004.[2]　冯德强.钻机设计[M ].武汉:中国地质大学出版社,1993.[3]　补家武,李吉春,等.YHZ 21型遥控振动式海底取样钻机[J ].探矿工程(岩土钻掘工程),2001,(6):26-28.[4]　王晓明.电动机的单片机控制[M ].北京:北京航空航天大学出版社,2002.[5]　李　华.MCS 251系列单片机实用接口技术[M ].北京:北京航空航天大学出版社,1993.作者简介:张鑫平　(1983-),男,湖北武汉人,硕士研究生,研究方向为机电一体化.特种凸轮发动机活塞部件振动频率与温度的关系李斌茂,钱志博(西北工业大学航海学院,陕西西安710072)Temperature Effect on Vibration Frequency of Special Cam Engine ’s Piston ComponentL I Bin 2mao ,QIAN Zhi 2bo(College of Marine ,Northwestern Polytechnical University ,Xi ’an 710072,China ) 摘要:基于有限元法,应用ANS YS 有限元分析软件,对双曲面凸轮发动机活塞部件进行常温和工作温度下的自由模态和约束模态分析,研究了温度对其振动频率的影响,发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降,而弹性模量的下降又导致了活塞部件在自振频率降低,因此,温度的影响不能忽略.进一步得出活塞部件振动频率与温度的隐式关系,为发动机的减振降噪提供了有益的借鉴.关键词:有限元;模态;自振频率;温度中图分类号:T H113文献标识码:A文章编号:100122257(2009)0320026203收稿日期:2008209218Abstract :The st ruct ural modal parameters of hyperbolical cam engine ’s piston component areobtained ,in normal temperat ure and working tem 2perat ure ,by using ANS YS based on t he finite ele 2ment met hod in t he cases of const rained modality and f ree modality.The temperat ure effect on t he piston vibration f requency is investigated.It is found t hat t he elastic modulus of material decrea 2ses due to t he increasing temperat ure ,as a result ,t he vibration frequencies of t he piston get lower.So effect of t he temperat ure ought to be considered in t he research of t he piston.Furt hermore ,t he rela 2tion between temperat ure and vibration f requency is establish.The research is expected to lay a foun 2dation for t he vibratio n reduction design of t he en 2gine.K ey w ords :finite clement ;modality ;f ree vibra 2tion frequency ;temperat ure・62・1机械与电子22009(3)。