摘要：为了避免游车机械事故或人身伤害事故的发生，设计了一种防过冲型游车防碰系统。该系统以STC89C51单片机为核心，通过测量增量式编码器的信号，实现对游车在钻井作业上下移动过程中的实时监测，当出现上碰天车 、下轧平台、过速下冲故障时，自动刹车从而减少钻井作业工程中安全事故的发生。实践证明，该系统能够对游车的故障做出及时的反应。

　　关键词： 防过冲 游车防碰 单片机 增量式光电编码器 声光报警 电磁阀

　　0 引言

　　在石油钻井施工作业中，由于游车防碰装置失效造成的游车碰天车或砸平台的事故时有发生，如何提高游车防碰系统的可靠性一直是油田和钻机制造厂家关注的焦点。目前，钻机防碰装置有重锤式、过卷阀式、电子式等三种方式。重锤式和过卷阀式属机械防碰装置，为被动防碰，没有提前报警功能，其紧急刹车是突发性的，对设备冲击很大。电子式防碰装置除了具有机械防碰装置的防碰功能外，还具有控制精度高、提前报警以及安装容易等特点。该游车防碰系统是应用先进的智能化控制原理，采用大规模集成电路，结合用户的实际需求而设计、制造的智能化仪表，用于自动监测井队在起下钻作业时的游车高度，实施自动刹车功能，从而能够有效防止游车碰天车或砸平台事故的发生。

　　1 防碰系统的结构

　　该系统由增量式光电编码器、系统控制箱、气源、电磁阀、刹车执行机构、显示、报警等组成，如图1所示。其控制过程是：增量式光电编码器将高度信号转换成 SSI 信号，传输到单片机采集处理单元，由单片机采集处理单元将信号解码计算成高度信号，并控制液晶显示块以图形和数字的方式显示其准确高度。然后再判断是否超过报警值和刹车值，如游车高度超过报警值，则由单片机控制报警器报警进行声光报警，如游车高度超过刹车值，则由单片机控制电磁阀使其打开给刹车执行机构一个气源信号。刹车执行机构刹车指令让游车停止活动。

　　图1 游车防碰系统硬件结构图

　　2 系统硬件设计

　　2.1增量式光电编码器信号处理电路

　　该系统增量式光电编码器采用的型号是TRD-K1024-CS，它的分辨率是1024。编码器的信号由A和B组成，他们之间的相位差是90°。还有一个一圈标定信号C，在编码器旋转一圈的时候产生一个信号，可以消除编码器的累积误差。他的信号的输出格式如图2所示：

　　图2 增量式编码器原理图

　　增量型光电编码器有相位差是90°的A、B两信号线，通过A与B的超前或者滞后判断编码器的正反转。判断方向可以使用一个D触发器进行检测，A、B作为D触发器的输入信号，D触发器的输出端Q作为编码器的方向判断[1]。硬件电路如图3所示：

　　图3 增量式光电编码器信号处理电路

　　2.2按键与液晶驱动电路设计

　　该系统由六个个按键构成，如图4所示，在控制柜中分别用图形进行表示：

　　：运行状态与设置状态切换键。长按SET键约为2s后进入参数设置界面，在液晶显示器的右下角会出现“设置状态”字样表示已经进入设置模块下，用户可以进行参数设置。

　　：屏幕刷新键，当屏幕出现斑点或不清晰时，按下此键进行屏幕刷新。

　　：为光标左移键，此键使光标左移以备调整其大小。

　　：光标右移键。

　　：数值增加键

　　：数值减少键

　　液晶显示部分采用320240液晶进行显示。电路如图4所示，STC89C51单片机接口部分，是由并行接口、串行接口、中断系统、定时/计数器及时钟电路等组成。一个8位(P0.0～P0.7)并行端口来用作输出;RD、WR分别为读操作信号和写操作信号，低电平有效; CS为片选信号，低电平有效;A0为I/O缓冲器选择信号，为1时，写指令代码或读数据，为0时，写数据、参数[2]。

　　图4 按键和液晶显示电路电路

　　2.3 语音报警电路设计

　　语音报警电路采用WT588D语音芯片进行设计，它是一款功能强大的可重复擦写的语音单片机芯片。配套的上位机操作软件可随意更换WT588D的任何一种控制模式，并把信息下载到SPI-Flash上[3]。这里采用一线串口控制模式，电路如图5所示。DATA口是WT588D数据输入口，MCU通过P2.3口对WT588D进行控制。BUSY口是WT588D忙信号输出端，可设置为播放状态LED点亮和播放状态LED熄灭。

　　图5 语音报警电路

　　2.4 掉电保存电路设计

　　掉电保存采用EEPROM存储器芯片AT24C02。该芯片采用I2C总线技术，电路如图7所示。SCL时钟线、SDA数据线分别接MCU的P1.2、P1.3，A0、A1、A2进行物理地址选择，单芯片使用时可以接任意地址。WP端写保护与MCU的P1.1连接，防止误操作损坏EEPROM中的数据[2]。

　　图6 掉电保存电路

　　3 系统软件设计

　　下位机程序设计 采用模块化结构，便于分析、测试和扩充。

　　程序框架主要由初始化程序、主程序、故障处理子程序、液晶显示和报警程序等部分构成。各部分包含其调用的子程序。

　　① 主程序：软件开始执行，首先用默认参数进行系统初始化设置，检查系统配置的EEPROM中是否存在掉电标志，若存在掉电标志，则将EEPROM中数据作为当前参数恢复，然后执行主程序。主程序主要由一个循环构成：正常运行时，程序首先完成计算、控制、异常运行情况的处理功能，如有装置发生故障，则保存故障并传送给主控芯片完成故障处理。同时，程序转到故障处理子程序中执行。若有键盘输入，可进行参数设置。

　　4 结束语

　　通过在某油田实际使用测试 ，结果该防过冲型游车防碰系统都能完成设计要求。本装置的优点如下：①防过冲型游车防碰系统可精确地对现场信号进行采集、分析，实现故障处理，故障判断准确;②该系统操作简单方便，界面友好，具有很高的安全性、可靠性。

　　参考文献

　　[1]. 王晓明，电动机的单片机控制，北京航空航天大学出版社，2002:78-85.

　　邬伟奇.STC89系列高性能单片机及其应用[J].微计算机应用，2004(7)：92-94.

　　张晓东, 计玉芳, 蒯申红, 等. 基于ISD4004智能语音提示系统设计[J]. 皖西学院学报, 2008 (2) :69-71.