单片机技术在钻机远程控制机械电气装置中的应用

引言

随着工业自动化水平不断提高，钻井行业 控制或者简单的电器控制实现，不能很好地满足有效、安全、智能等作业要求 远程控制并能快速获得数据反馈信息；此外，单片机有着 极大地提升控制精度与系统的响应时间。钻机的作业环境日益复杂，对于 技术提高钻机的控制系统水平已是当前的个重要研究方向，可以有力地推动钻机系统向着 发展 方案 行充分的研究之后，针对以后发展的趋势、方向进行了分析。

一、单片机在钻机远程控制中的应用背景

1.1 单片机技术发展现状

（ADC）历经多年积累、打磨，从小巧廉价的8 能微 制器 算速度以及集成度不断提高。市面上主流 MCU 件资源供给 满足了复杂的运算与多任务操作。MCU 内部的 ADC 最高可 也能准确测得数据信息。现代MCU 更加重视低功耗特性，MCU 的功耗 业领域提供保障。而 MCU 的稳定性非常强，在通过长期严苛的可靠性测试 厂家甚至将无故障运行时间定到了上万小时级别。正是由于这些原因，使得MC 在高精度工业控制中得到广泛应用。

1.2 钻机远程控制技术需求

随着能源开采越来越注重安全、高效，所以对于 作业来说，要保证钻井 境相对比较严苛，传统的控制方法在动态上的响应以及精度上都存在问题，控制的误 不能满足于对精度的钻进。但是对一个钻机来说，钻机作业会受到地层的影 偏斜或者是钻机的损坏，就会造成损失，这是不可控的，这种情况我们 能及时做出反应，把控制系统的响应时间降到50ms 以下，精确度达到了 及钻井工作量的节约。钻机远程控制除了关注硬件本身的高性能外，同时还需要使用先进的控制算法和进行良好的系统集成，使单片机能更好地发挥作用。

1.3 单片机钻机控制的优势分析

之所以能在钻机远程控制中大量应用单片机，这和单片机的良好综合性能分不开。从钻机身上看，由于占用空间小、集成度高、功耗低等优点，使单片机可以在极为有限的空间之内嵌入钻机之中；再者由于单片机成本远远低于PLC 系统，仅为PLC 系统的20％左右，因而大大节约了企业的投入；另外由于单片机电路相对简单、接口少，导致硬件损坏及接插等故障的比例很小，因而降低了整个系统的故障率40％左右；在控制精度和响应速度上，采用单片机技术比传统的PLC 提高近70％，可快速采集与处理，提高了钻机的动作精度及可靠性，避免了因人为操作产生误差造成的钻机损坏和隐患，提高了钻机的整体智能化水平。

二、钻机远程控制系统设计方案

2.1 系统总体结构设计

钻机远程控制系统采用了分布式的设计思路 TM32 单片机作为核心控制器 利用 通信模块实现了其与上位机或者远程终端的通信。系统从全局出发，在整个系统规划中， 的节点分 数据处理、无线通信以及执行控制等方面的相辅相成又互相隔离的关系。通信模块 保持较好的远程操作效果。经实验，该系统的通信时延小于20ms，即使是在环境干扰严 电磁环境较差的情况 ^-6 以内。由于采用了分布式结构，系统的拓展性和接入容量大增，可以添加更多的传感设备以及 入机器人，并且预留了充分的接口，方便与其他多种工业协议集成使用。

2.2 控制系统硬件设计

选用性能稳定、资源丰富STM32F103 单片机作为钻机 B4 程高精度、高实时性的控制需求；采用了12位高精度AD转换芯片ADS1115，AD转换精度为 制，无线通信部分采用了NRF905模块，具有良好的抗干扰性能以及1.5km 的通信距离， 出现误码的几率低于 10−6，可保证远距离传输数据的可靠性。采用高集成度、低功耗 护的设计方法，能够较好地应对钻机大载荷、强干扰的情况；整个硬件布局优化散热和防护设计，即便是在恶 条 也能保持正常工作状态，使得设备有更强的工程适用性。

2.3 控制系统软件开发

控制系统软件采用 Keil 作为开发环境， 号处理部分、通信管理部分以及执行控制部分单独编程，并且当对某一 作效率。同时，由于该控制系统软件采用了 PID 控制算法，能够实现对 该控制系统软件经过程序优化，可以提高整体执行效率约30%， 基础。此外，加入了多任务调度功能，即使存在多任务并 试得出，经过本次优化后软件的可靠性提升幅度超过25%，长时间连续使用无明显问题。 此 精确化以及之后的功能添加提供了技术支持。

三、单片机控制钻机机械电气装置的实现方法

3.1 控制信号采集与处理

正确的钻机机械电气装置的控制需要有高精度的信号采集和实时处理的能力。系统配有高性能的模拟量、数字量输入端口，利用精密传感器来采集位移、压力、转速等关键参数，采样频率20 次/s，信号采集精度可达到0.01%，作为以后的运算的参考数据；系统的主控核心利用 PID 闭环控制算法针对不同的作业工况和机械负载自动调整各控制参数以保证输出动作与控制指令完全一致，使得控制误差小于±0.2mm，满足精确定位要求，并且在控制误差较小的前提下，提高速度的跟随性；并且，在控制过程中根据工艺需要设置合适的提前上行和下行程的补降速度从而避免冲击或者高速的落锤现象出现；另外，合理利用并优化控制器内的算法结构和数据缓存策略使响应时间控制在50ms 左右之内，让整个钻机的操作过程变得更为顺滑。只有这样，在如此多变又杂乱无章的钻井环境下才能完美地发挥出这套钻机机器的工作效能。

3.2 控制信号远程传输

钻机远程控制系统需要无线通信的高可靠性和低延时。NRF905 无线模块具有50kbps 的最大传输速率、最远1.5 公里的传输距离等优点，并且支持多信道工作，利用频率跳变技术，不会出现频段干扰现象，能够保证通信的正常进行。实验发现实际的传输延迟最低可以达到20ms，低于其他无线模块在同样条件下传输的延时。信号稳定率为 99%以上，在高噪声的钻井现场高干扰的电磁环境下依然能够传输大量的高质量数据。利用独立的帧校验方式来降低误码率，所有重要的控制指令以及反馈信息都实现了互相之间的确认，不会导致控制指令和反馈信息遗失，充分利用了远程传输的优点提高了钻机的操作性，对异地监控与数据分析的可靠性有了充分地保证。

3.3 系统抗干扰设计

钻机工作场地容易产生较高的强度电磁干扰 十站 个极大的挑战。单片机控制系统使用了硬、软件的共同保护措施，可以大大地提高系统的 屏蔽层措施来防止外界干扰信号耦合进来；在软件上通过加一个数字滤波器来过滤掉瞬态脉冲 从实测的数据可以看出，电磁兼容性较传统系统提高了 40%以上，在电焊、变频器等强干扰源附 外系统还加入了 一种异常的判断方式，当发现干扰信号大于警戒值时会通过数据回读或者延 指令删除，来避免对设备运转造成不良影响。该装置中的单片机因其抗干扰能力强，在恶劣的工作条件下仍具有较好的可靠性和精确的控制。

3.4 安全防护措施

单片机控制钻机设备时，数据安 两重安全验证系统，采取数据传输、存储的每一个环节都使用AES 加码的方 的位数来实现数据保护，防止外部非法监听以及篡改信息。同时为了保 接收的数据包进行冗余校验，如果存在传输错误便会予以纠正；而且软硬件联 法指令或者是出现异常通信的现象，就立刻封锁其对应的操作权限，让钻机处 防 能力可以提升 50%，恶意攻击或是误操作概率大幅度减少。同时分层防护下的单片 能也能给钻机提供良好的安全保障。

四、单片机控制系统应用效果评估

4.1 控制精度效果

单片机控制系统控制精度极高，在这个系统下可以把钻机定位精度控制到± 0.15mm，对比传统的机械或者继电器控制方式来说提高了85%，精度上的优势不仅可以体现在钻机静止定位，还能反应到钻机钻进过程中的每一寸的位移当中。正是有此系统帮助钻机实现精准纠偏、快速纠偏，并保证钻头始终保持稳定的前进方向和速度。对于复杂地层来说可以有效防止钻井偏斜、轨迹偏移等情况的发生。并且由于有了高精度控制的原因，避免了多打一趟钻以及多次返工的情况出现，大大地提高了作业效率，有利于为下一步井下工作提供良好井眼。使用现场大多数操作人员感觉操作简单明了，精度可靠，在高难度工艺下的操作也要比原来的控制效果好得多。

4.2 系统响应速度

单片机应用于远程控制系统具有优秀的响应速度，在实验结果中可以看出，在接到指令之后，仅需不到40ms 的时间就可以完成整个系统的指令识别、数据处理、执行动作的过程，相比于以前的控制方式来说，在速度上提高了86.7%，由于速度上的优势，所以在遇到突发工况时可以快速做出判断并马上做出反应来避免造成更大的风险。而所具有的快速响应功能还有利于减少机器的磨损以及能耗方面的浪费问题。

4.3 故障率分析

单片机控制系统应用于钻机上大大降低了故障率。系统的平均无故障运行时间（MTBF）提高到了 4000 小时左右，相比传统的控制法约提高了 45％。系统无故障运行时间的提高的原因主要是由于单片机集成度高、结构简单、减少了电路连线及机械接触面、减少了出错的可能性；同时单片机具备自检与故障诊断的功能，在检测到异常信号后可记录下故障的位置，并进行报警，使运维人员可以准确找到故障点；系统内部预留了足够的软硬件冗余，若发生某些部分故障仍能保障基础功能的正常运作，降低了出现故障的概率。

4.4 系统能耗情况

单片机控制系统功耗小于0.5W，比传统控制系统节能约55%，因为单片机本身就带低功耗工作模式，在运行时可以根据工作状态进行运算速度及供电选择；某些型号还有睡眠和待机模式，在没有动作或者处于低负载时电流消耗大大降低。节能既可以节省运行成本，又能降低发热，延长电子元器件使用寿命。钻机大多是长时间工作，传统的控制系统由于功耗大而造成钻机散热困难，严重缩短设备寿命。采用单片机以后设备温升较低，所以不需要太大的散热要求，这样其散热管理的压力也要小很多。单片机功耗低的特点更为适合远控系统的工作情况，在无法提供大量能量的情况依然可以保持高效。

4.5 成本效益分析

单片机控制系统使得技术性能有了很大提 经济效 在很大程度 上降低了系统外部电路、外部复杂硬件的需求，使成本降低了大概 25%，其次由于单片 更新的效果，这样使得后期的维护费用大幅度减少，可以下降大约 30%，通过长期来 大量的设计、调试的时间，使得产品能更快地投入市场销售，而且经济方面的节省并不 周期以及节能降耗等方面，特别是对于一些投入巨大、风险较高的行业来说，例如钻井等， 用 和经济两方面的要求之后就会考虑选择使用单片机系统作为钻井用控制系统。

五、单片机技术在钻机远程控制的优化路径分析

5.1 模块化硬件设计优化

由于钻机远程控制系统中各部件都是从零开始完成，而且又是一个全新的产品，所以在这一部分内容中采用模块化的设计方法来对其它如控制器、电源、信号采集及驱动输出模块化、开展标准化建设是十分有效的。这样不仅能提高各个模块的互换性，而且出错之后也能在较短时间内进行定位并更换模块，从而大大提高机器整体的检修速度，使得维护效率达到50％以上；使得系统升级的工时和难度降低40％，方便程度提高到 80％左右；再配合目前市面上使用的各种相关接口和标准化接口来与其他设备连接组合成一个完整的整体，加快了新技术和新元器件的使用。

5.2 软件算法升级优化

单片机控制系统精度和响应速度取决于其内嵌控制算法的先进程度，在应用传统 PID 算法时，在面对无非线性、时变以及多扰动因素的钻机作业时，会存在超调、稳态误差等问题。通过加入模糊PID 控制算法后，可以根据误差及误差变化量实时地调节PID 参数，使得控制器更具有灵活性、自适应性。测试结果显示，经过模糊PID 后，钻机远程控制系统误差减小至±0.1 mm，控制稳定性提高约60%，大大提高了系统的抗干扰性、系统稳定性，增强了对突发负载变化的适应性，减少了钻机工作过程中所造成的振动和机械冲击，提高了钻机钻井工作的精度和安全性。

5.3 通信技术升级

为了实现远程控制系统应有的通信速率、数据可靠传输的要求，现有技术中传统4G 网络的传输速率有限且时延较大，很难满足实时的控制及数据回传需求。而5G 网络由于本身高速率、低时延及高可靠的特性可以大大改进钻机的远程控制问题，经实验得出，在使用5G 通信后，传输延时能降低到10ms 以内，系统的响应速度会大大提高，实现了远控指令和钻机动作的快速响应，可大幅提高钻机远程工作的精准度。同时测试得知，通信链路的可靠性可达99.99%，减少了信号丢失的风险。

5.4 电源管理优化

钻机远程控制系统工作时，需要较大功率、较为复杂的作业环境。因此电源稳定性能也是整个钻机控制系统的重要环节之一，高效率电源管理能够实现电源输入到输出电压的有效调节，保证钻机控制系统中直流电压的稳定输出。经过大量试验与对比发现使用DC-DC 稳压模块作为电源转换器较之开关电源转换效率更高，在各种不同的负载下都可以保持恒定的输出电压，同时可以节约电力，而且还能有效地减小热量的消耗。根据实验得知其效率提高了 20%以上，不仅可以起到节能的作用，还可以使电源寿命延长，更符合绿色环保的要求。它还能防止电源电压的波动而导致的控制器断电以及造成重要信息的丢失等问题，增强了钻机工作时的稳定性和可靠性。

5.5 安全防护升级

钻机远程控制系统蕴含很多敏感的工艺数据和设备操控指令，为了保证信息安全，增加网络受攻击的风险。由于网络化程度的提高，传统的安全防护手段难以完全抵消日益增多的各种网络攻击、入侵行为。增强型安全模块通过硬件加密芯片实现对整个系统的信息实时加密，防止敏感数据被截取或修改；实现身份认证与访问权限管理，在非授权状态下不允许进行设备操作，有效避免了人工误操作或非法攻击导致设备损坏的情况出现。据不完全统计，应用该安全模块后，使整个系统防护能力提高了 70%以上，极大地降低了非法入侵、篡改数据的可能性。

六、单片机技术在钻机远程控制的未来发展趋势

6.1 集成化与微型化发展

未来单片机应用于钻机远程控制，会朝着高集成度、微型化的方向发展，在半导体工艺继续精细化以及制造技术不断更新发展的背景下，将会有更多的外设资源被引入到单片机中，比如高精度的模数转换器、无线通讯模块、智能传感器接口及硬件加密单元，大大精简了系统的设计；微型化使得控制系统体积更小、重量更轻、占用的空间更少，对钻机这种存在狭小安装空间的设备有很大的帮助。单片机未来能做出更大的工作量，但是仍然保持低能耗、低发热、耐高温、抗震动、防尘土等特点，并能在高温、高振动、高粉尘等工作环境下正常使用，这就实现了运算能力更高、体积更小、性能更好、可靠性更高的目标，更能胜任一些特殊的环境要求。体积更小、功能更全、可靠性更高使得远程控制系统能够内嵌到其他复杂的工艺流程上，通过各种内外部条件得到更好的检测，并且采用这种方案后可以做到更加精确、智能。

6.2 人工智能技术融合

单片机与人工智能相结合，将会使钻 再仅仅是单纯的指令执行者，而是拥有数据处理、自我学习能力的智能模块。 作业数据和当前工况数据进行分析，并决定是否进入自我优化、 存在的损伤情况，并确定可预见的磨损状态后会基于这 ；如果在突发地层变化或者设备出现异常情况，单片化智能化的 情况发生 ，未来会有一定的机会减少对手工经验的过分依赖，在保证作业安全、降低作业成本的同时 能够延长设备使用寿命，开辟钻机领域的技术新航路。

6.3 边缘计算技术应用

边缘计算的兴起，将会极大地改变单片机在钻机远程控制系统中所处的地位，以往都把很多数据上传到云端去处理，这样整个系统的响应时间就取决于网速，特别是一些偏远的作业点，这样可能会影响到控制的效果。不过以后会把边缘计算的能力下放到单片机上，在单片机本地就可以实现数据的分析和处理了，从而达到反应迅速的目的，提高了系统自身的独立性。由于单片机内部有较好的算法和缓存机制，可以实现在对钻井过程中的重要参数作出正确快速判断及调整，做到毫米级的实时控制，在这种情况下如果网络不好，系统依旧可以单独地完成核心的功能，保证钻井的连续性以及安全性。

6.4 无线通信网络升级

随着无线通信技术的不断发展，使得单片机能够应用于钻机的远程控制中，并提供了更加可靠的支撑。未来无线通信的发展也并不是以当下正在使用的 4G 或者5G 为主，而是会进入后期的6G 时代。届时，能够达到更高的通信速率，更低的时延，更大的连接数量。即，能够实现未来几秒钟完成大量数据的传输工作，使得钻机上的摄像头拍摄得到的实时图像、传感器采集到的数据以及各设备的状态信息等都能够在几秒钟内被控制中心接收。并且，通信速率达到百Gbps 以上，网络时延降低到毫秒甚至是亚毫秒量级，进而使远程控制更加准确及时。

6.5 可持续与绿色发展

全球呼吁保护环境和节省能源，使得可持续发展成为钻机远程控制技术的一个发展趋势；未来的单片机技术会更加重视节能减耗，即在设计低功耗运行模式，优化硬件结构的同时也要采用绿色环保型材料，以降低对环境的影响。还要尽可能提升系统的能效比，在保证作业准确性的基础上，通过更少的能量的消耗来保持钻机的更高水平的产出，同时也可以考虑使用可再生能源驱动机器，降低有害物质含量，延长系统生命周期等作为未来单片机的发展目标。系统能量的每次优化都将带来运行成本上的节约，同时也直接降低了碳排量。而单片机控制的高精度和高智能化也可减小因机械磨损和废料造成的损失，有利于推进整个绿色钻井的工作进程。

结束语

单片机应用于钻机远程控制系统后，使整个系统精度更高、响应更快、可靠性更好，经济效果显著，显示出极高的技术价值与应用前景；提高了钻机工作效率与安全性；降低了故障率、耗损率及成本，也表明单片机有较好的通用性。以后还要往单片机模块化硬件的设计、单片机智能算法开发、新的单片机通信技术的研制、安全保护方面的功能完善、智能化、集成化以及人工智能、边缘计算等等方向去发展，把更多目前先进的技术引进到钻机控制系统中来。

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