旋挖钻机钢丝绳寿命极限报警仪设计

采油 、采矿等行业经常用到钢丝绳吊运重物，油田钻井队旋挖钻机用的钢丝绳是-种易耗品，有时使用三个多月就需要更换，目前对钢丝绳的更换往往是凭借操作人员的经验 ：当肉眼观察到钢丝绳磨损严重或者有断丝现象时就更换以避免发生断绳事故。为了科学地检测钢丝绳的使用状态，部分钻井队装备了无损检测设备，这种设备价格昂贵，很难普及，而且也不能对钢丝绳实时监测。市场上缺乏能对钢丝绳寿命进行实时监控、报警的相关仪器。除了钢丝绳本身的使用损耗外，影响钢丝绳的寿命的因素还有选绳不当、操作不规范 、缺乏 Et常维护等1]。除开以上人为因素，在假定钢丝绳正常使用的情况下，以钢丝绳本身所做的功作为它寿命的主要衡量标准，设计了钻井钢丝绳寿命极限报警仪，作为操作人员换绳的参考依据。该报警仪以C8051F410微控制器(MCU)为核心来实现设计和研制，其价格低廉，操作方便 ，能对钢丝绳的使用寿命进行实时监测。

1硬件电路设计1.1掉电保护电路每次上电开机，报警仪要在原来的基础上不断对钢丝绳做的功进行累加，这就要求系统在正常使用过程中不能意外掉电，否则以前的累加数据就会丢失，这显然是不允许的。我们设计了如图 1的供电方案，确保系统正常供电。当市电正常时，D2导通，Dl截止 ，通过 12V适配器给系统提供电源 ；当突然停电时，D1导通 ，D2截止，系统自动切换为 12V可充电镍氢电池组供电。利用低功率发光二极管 L1进行电源指示。大部分情况下系统是由变压器供电，电池处于浮充方式，当电池电量下降时，可以通过电阻 刚 对其充电，这样就能让电池维持在-个满电的状态。这种供电方式通常使用在紧急电源或者备用电源等不允许断电的地方，如电子钟表等。

图 1系统整体供电图该款处理器具有功能非常强大的片上实时时钟拈，如图 2所示 ，它不仅能够提供 日历时钟而且内置了 64字节 RAM。正常情况下 RAM 由来 自MCU的电源供电，MCU电源电压为 3V，U2是 3V的纽扣锂电池，通过二极管 D3后得到 2V电压 vr。如果系统供电电路发生故障，使 MCU电源电压低于 vr时，该拈内部vb Vr 内部开lU2 I c 关逻辑 片上RAM U hF 片上实 (64B)时钟图2内部 RAM 拈自 动 信 恩 AUTOMATION INFORMATION开关逻辑就会自动做出判断，让RAM切换到由外部的Vr供电。

MCU在停止工作前也能检测电压的下降，在电压下降引起的中断程序中将重要数据保存到片上RAM中，从而对数据起到二次保护功能。

1.2信号调理电路钢丝绳的行程经过现场传感器已经转化为脉冲信号，此脉冲信号的高电平为 12V，由于MCU端口耐压值是 5V，为了进行隔离保护和电平转换，采用光电隔离芯片TLP521-1对脉冲信号进行处理，如图 3所示。TLP521-l内有-路光电隔离电路 ，输入端的典型前向导通电流If16mA，典型前向电压降 vF1.15V，所以限流电阻：R(V -Vf)/If(12-1.15)/160.678K1)，此处我们取1KQ。输出侧为晶体管型，根据数据手册，上拉电阻 R6也取1KF/，其输出 D 与处理器的 P0.0端 口相接，190.0检测到外部的下降沿时可以发生中断，在中断子程序中可以对钢丝绳做的功进行计算累加。钢丝绳每运动 3.3cm就产生-个脉冲，-般钢丝绳的运动速度不会超高3rds，所以运算频率不超过 100Hz。系统频率为24.5MHz的C8051F410完全能够满足要求。

AiGNDDiDi-：R4 ilo F-Ti-uF A。 ]图 3信号调理电路6 5V钢丝绳受的拉力在现场已经通过液压传感器转化成了4-20mA标准电流，此电流通过 110fl精密电阻后转化为电压，然后被 C8051F410的片上 12位 A/D转换器采集 ，该 ADC跟踪采样信号的方式有三种 ：前跟踪、后跟踪、双跟踪 ，设计中采用前跟踪方式，也就是ADC-直在跟踪着被采样信号，当接收到转换命令后立即进行模数转换，这种方式采集的信号更快速，更稳定2。

为了抑制高频噪声干扰 ，在 ADC之前采用”兀型抗混频低通滤波器 ，二极管 D4可以防止瞬时高压的冲击 ，集成运算放大器LM258构成电压跟随器，具有阻抗变换的作用，如图3所示。A/D转换器为 12位精度，4-20mA对应电压0.44-2.2V，对应转换数字量为 80.2-4095，对应实际拉力为 20.43KN-420KN。

1.3声光报警及人机接口报警仪采用高亮度红色发光二极管和-个压电式蜂鸣器构成声光报警，它们都由PNP型开关三极管2N4403驱动。键盘显示部分采用 HD7279A与 MCU接口，管理着 8个功能键盘和 4个共阴极数码管，用户可以在数码管功能码的提示下进行参数设定和查询，所有的查询数据都对应着由片上实时时钟拈提供的实时时钟信息。图4是设计的报警仪主电路板和键盘显示电路板。

图4报警仪主板和键盘显示板2013年3月 第3册 总第 143册旋挖钻机钢丝绳寿命极限报警仪设计2应用软件设计整个报警仪系统的软件采用 c语言编写，其主程序和中断子程序流程图如图5所示。系统上电后首先进行系统初始化，主要包括端口中断初始化、定时器初始化、ADC初始化、实时时钟初始化以及设定数码管显示字符等；然后系统会读取 RAM中的历史数据，主要包括钢丝绳的型号、做过的功、受冲击载荷的次数 CntF等；最后系统进入-个循环。系统会在行程信号中断子程序中触发 AD采集 ，在 AD中断子程序中进行-次功的计算并累加，并判断钢丝绳拉力是否超限，当累加的功达到设定值时触发蜂鸣器报警。

开始系统初始化读取 RAM历史数据回 豳 豳 崮 Y图5主程序和中断子程序流程图为了数据安全，系统会每过 2min自动保存-次数据 ；另外该 MCU的内部电压调整器单元，具有检测电压下降的功能，当它的输出电压由于消耗电流的增大等原因下降了接近极限值65mV时，可以触发-个欠压中断，在中断子程序中，将重要数据进行存储保护。该 MCU的内部有看门狗定时器，可以保证系统程序不会因发生死循环而死机。

3结 语由于现场的油田钻机平台大都配备了测量钢丝绳拉力和行程的传感器，所以该报警仪可以非常方便地安装到钻机平台上。

因钢丝绳种类不只-种[3]，所以使用之前应该通过键盘设置好被测钢丝绳”型号”这-参数。此报警仪作为钢丝绳寿命极限检测的简易仪器，试运行-年多来效果 良好，为工人换绳提供了科学的数据参考。

鲞耋窒蓝[1陈辉，杨明友加何提高旋挖钻机钢丝绳的使用寿命JJ 工程2002(6)。

[2童长飞.C8051F系列单片机开发与c语言编程fM].北京：北京航空航天大学出版社，2005：60-63。

[3]曹家麟.重型钻机提升用钢丝绳的品种与结构分析 [J].石油机械，2007，35(8)。

堡宋皆 男，生于1982年，硕士，工程师，技术专长为仪表与通讯设备系统调试。