王 锐

(武汉理工大学 湖北 武汉 430070)

0 引 言

随着井下电动工具的发展，在现有的电缆车上使用井下磁定位仪和井下电动工具下井作业已经成为非常普遍的作业方式。井下电动工具主要指的是利用电源供电、电机控制驱动机构在井下实现一定功能的工具，例如电动桥塞工具、电动投灰工具、电动切割工具等。每一种工具都必须搭载相应的控制设备，有的设备体积笨重，而且使用井下磁定位仪和井下电动工具的时候，必须切换使用设备，操作流程繁琐。目前使用的井下磁定位仪和井下电动工具技术成熟，使用电源和监测方式趋同，采用集中统一的监测控制系统成为电缆车井下作业的趋势。根据以上应用背景，本文讨论设计一种基于STM32单片机的井下电动工具集成监测控制系统。

1 系统组成以及工作原理

井下电动工具井下作业一般流程是，将井下电动工具接在井下磁定位仪下面，通过电缆线下放入井。先通过井下磁定位仪反馈信号计算工具下放位置。确定工具到达工作深度后，通电启动井下电动工具，监测供电电压和电流判断电动工具工作状态。作业完成后关闭井下电动工具，上提电缆线取回工具。

1.1 控制系统组成

集成控制系统以STM32单片机为核心，充分利用内部硬件资源，配合可编程电源模块、切换开关、电压变送器、电流变送器和上位机完成井下电动工具整个作业流程。系统结构框图如图1所示，单片机控制系统通过控制可编程电源模块和切换开关，控制电缆线电源输出的电压；通过电压和电流变送器监测电源输出线两端的电压和通过的电流，来判断井下磁定位仪和井下电动工具的工作状态；通过RS232与上位机通讯，获取操作人员的控制指令，并在人机交互界面实时显示井下电动工具状态数据。

图1 系统结构框图

1.2 变送器模块

对井下电动工具状态的监测是通过变送器模块监测电缆线的电压和电流来实现的。电压变送器1用于监测井下电动工具电压电源电压，井下电动工具工作电压一般为50VDC～400VDC。电流变送器用于监测井下电动工具工作电流，根据电流数据可以判断井下电动工具的工作状态。电压变送器2用于监测井下磁定位仪的反馈信号。井下磁定位仪不需要提供电压，经过接箍的时候，反馈信号只有几十毫伏，所以测量量程选择最小的。变送器模块输出为电流信号，与STM32单片机控制系统连接如图2所示。

图2 变送器与单片机系统连接图

1.3 电源切换及工作流程

可编程电源模块通过STM32单片机程序控制输出0～400VDC电源，与切换开关配合，为井下电动工具不同阶段提供所需的电源。切换开关通过STM32单片机程序控制闭合和断开。当工具下放的时候，切换开关如图3所示，使电缆线电源输出正极呈开路状态，电压变送器2接入电缆线电源输出正极，电压变送器2监控井下磁定位仪反馈信号。当井下电动工具到达工作位置时，通过上位机设置工作电压，电压变送器1监控可编程电源模块输出电压。当模块输出电压调整到工作电压，切换开关如图4所示，电压变送器2与电缆线电源输出正极断开，可编程电源模块正极接入电缆线电源输出正极，为井下电动工具提供所需电源。

图3 工具下放时候的切换开关状态

图4 电动工具工作时候的切换开关状态

1.4 程序流程

工具下井之前启动集成监测控制系统，操作人员根据工作流程，通过上位机交互界面对系统发送控制指令。集成监测控制系统程序流程如图5所示。

图5 集成监测控制系统程序流程图

控制系统电源开启后，各功能模块均启动进入待命状态。操作人员通过上位机人机交互界面点击按键，向单片机控制系统发送控制指令。当操作人员点击“开始监测”指令后，人机交互界面向单片机控制系统发送“开始监测”指令，单片机控制系统收到指令后，读取电压变送器和电流变送器的采集数据，上传给人机交互界面。

人机交互界面收到数据后，再次发送“开始监测”指令。这样循环读取电缆线电源输出线上的检测数据。如果需要暂停监测，操作人员点击人机交互界面上的“停止监测”按键，人机交互界面就停止向单片机控制系统发送“开始监测”指令。操作人员可以点击“闭合开关”或者“打开开关”的按键，控制闭合开关打开或者关闭。

2 结束语

本系统通过可编程电源和切换开关，给使用有线电源下井作业的井下电动工具提供需要的电源，并且准确监测井下磁定位仪和井下电动工具的工作状态。该系统硬件电路简单，测量准确，能够很好兼容井下电动工具的功能，简化操作流程。