摘要：以往的传动系统，主要是通过机械传动刚性联接装置实现对不同执行元件的同步控制。钻机电气传动系统在非稳态工况下容易出现低频振荡失真，降低钻机电气传动同步控制的效能。为此提出一种基于PLC的钻机电气传动系统转速控制方法。采用该方法进行钻机电气传动系统同步控制稳定性、稳态性较好，功率输出增益较高。

关键词：PLC;钻机电气传动;同步控制器优化

1.钻机电气传动同步控制器简介

对钻机采用智能电气传动系统进行控制，能够提高钻机的人工智能性和自动化水平。在钻机电气传动系统的设计过程中，优化调节钻机电气传动系统的各个状态变量，根据各个被控参数的最优解对钻机电气传动系统进行同步优化控制，以达到提高其智能化水平的目的，因此研究钻机电气传动系统的智能控制技术具有重要意义。利用传统的比例、积分、微分（PID）控制算法进行钻机电气传动同步控制器的优化设计，存在电机的输出耦合性较大和低频振荡失真等问题，因此需要进行低频振荡控制，结合模糊自适应控制方法进行传动系统的优化控制设计。目前，已有学者对钻机电气传动系统的控制方法进行了研究，并取得了一定的研究成果，主要有基于模糊神经网络的钻机电气传动系统控制方法、基于模糊 PID 控制的钻机电气传动系统控制方法等。上述方法普遍存在系统振荡抑制的效果不好和直流功率调制量受限的问题。对此，本文提出并设计了一种基于可编程逻辑控制器（PLC）的钻机电气传动系统同步控制器优化方法。

2.基于 PLC控制的钻机电气传动同步控制器设计方案

2.1设计思路

PLC 技术由于具有突出的功能及使用的便捷性，在工业控制中的应用十分广泛。在笔者所设计的机械电气传统同步控制系统设计中，主控制器由PLC 充当，各个模块构成可编程控制器，以实现保护系统硬件模块化，可以按照设计需要增减模块数量。

2.2 可编程控制器

出于工程实际需要以及性价比的考虑，笔者所提出的系统保护控制装置设计方案中采用的 PLC是西门子公司的在集散自动化系统中具有突出表现的 SIMATIC S7-200 系列，其使用范围相当广泛，涵盖替代继电器的肩带控制以及复杂程度更高的自动化控制等方面。笔者所选用的 SIMATIC S7-200 系列 PLC 适用范围十分广泛，各个行业及各种场合下的检测、监测及控制均可使用。S7-200 系列强大的功能一方面体现在独立运行过程中，另一方面体现在网络领域，这也有利地证明了 S7-200 系列所无法比拟的性价比。作为逻辑控制器，S7-200 系列具有程序编辑特性，为达到自动化控制要求而对相关设备加以控制。S7-200 系统用户程序指令内容主要有计数器、位逻辑、复杂数学运算、定时器以及智能模块间通讯等，通过对输入状态的监视以及对输出状态的调整，进而达到控制效果。该设计方案所选定的 S7-200 系列的突出优势大致可以归结为以下几点：①可靠性强;②指令集十分丰富;③便于上手和操作;④内置集成功能强大;⑤可以实现实时控制;⑥通讯性能强大;⑦具有可扩展性能。

2.3传感器

当前实践中使用范围率最高的就是光电编码器，其借助转换光电操作即可以实现输出轴上机械几何位移量向脉冲或数字量的转换。光电编码器包括光电码盘及光电检测装置，前者就是在一定大小的圆板上设置数个方形或圆形孔，光电检测装置就是位于光电码盘两边的发光元件及光敏元件。该设计方案中所采用的是 PIE 系列 PIE-512-G05E 型编码器，光电编码器适用范围主要是速度检测及定位，并与 准1.85 m 的拽引机同步，拽引机每运行 1 圈，罐笼运转距离为 5.812 m，光电编码器运行1 圈会有 512 个脉冲产生，每个脉冲罐笼运行 0.01135 m。

2.4钻机电气传动系统输出控制参数

在钻机电气传动系统的多机并联逆变器单元中，电磁耦合器、高频逆变器和并联逆变器共同工作，结合滤波检测和功率增益调节方法，通过功角稳定控制、频率稳定控制和电压稳定控制对传动系统进行同步控制，实现钻机电气传动系统耦合控制。钻机电气传动系统的抗饱和控制过程是一个包含多变量的多目标优化过程，对于钻机电气传动系统的输出电阻 R eq ，依靠调度系统和稳控系统进行负载均衡控制。

2.5基于 PLC 的同步控制器硬件电路设计

以 PLC 芯片作为核心控制芯片进行钻机电气传动同步控制器的多线程控制，采用 VIX 总线处理技术处理钻机电气传动同步控制信号，构建钻机电气传动同步控制器的上位机通信模块，以 PLC 和DSP 作为数据处理中心单元，在 ARM 嵌入式微处理器环境下进行钻机电气传动同步控制器的硬件模块化开发。采用 16 位的 196. 608KSa/Sec/Chan 数字化仪 HP E1433A 进行钻机电气传动同步控制器的自适应总线调节，通过 DSP 发送该控制器控制指令，在执行器中进行控制指令收发和离散信息处理，得到同步控制器的硬件设计。输出电压是衡量电气传动系统传动控制的指标，输出电压的最大幅值和最小幅值控制在 0 ～5V，说明传动控制的稳定性较强、均衡性较好。为了验证本文方法在钻机电气传动系统转速控制中的有效性，进行了仿真实验。钻机电气传动系统的输入电压为 240V，控制器的初始力学参数为 X =[0. 12 0. 25 0. 15 0. 45]T ，钻机电气传动系统的输出电流为2A，功率为1 200kW，磁导率 μ 0 =4π ×10-7 H/m。根据上述仿真环境和参数设定，进行钻机电气传动控制，得到钻机电气传动系统输出电压与时间的关系，如图 4 所示。采用本文方法进行钻机电气传动控制，在 44s ～45s 时段，得到的最大输出电压幅值为 1. 4V，在 49s ～50s 时段，最小幅值约为 -2. 2V，说明采用本文方法进行控制均衡性、输出稳定性均较好。同步控制收敛值能表示钻机电气传动同步控制收敛性，收敛值越大，同步控制的收敛性越高，则同步控制的稳定性越好，功率输出增益就越高。

结束语

为了提高钻机电气传动系统同步控制效能，本文提出了基于 PLC 的钻机电气传动系统同步控制器优化设计。仿真实验表明，本文方法的电气传动控制均衡性较好，有效减少了低频振荡失真的情况，输出稳定性较好，收敛性较强，功率输出增益较高，具有较高的实际应用价值。但是尚存在一些不足，例如控制优化过程稍显复杂，未来研究工作的重点为，在保障优化性能的前提下简化控制优化的过程，进一步加强钻机电气传动系统同步控制的效能。

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