鉆探機(jī)組自動(dòng)化控制的技術(shù)研究

吳 雄

（核工業(yè)二一六大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830011）

0 前言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化控制技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)中具有廣泛的使用，在對資源進(jìn)行勘察的過程中鉆探機(jī)組的自動(dòng)化控制技術(shù)的問題是提高工作效率，進(jìn)行安全勘測的重要因素。

1 鉆探機(jī)組現(xiàn)狀以及技術(shù)水平

1.1 國內(nèi)鉆探設(shè)備及技術(shù)問題

鉆探設(shè)備技術(shù)水平參差不齊，有些單位的鉆探設(shè)備在國內(nèi)比較先進(jìn)，但在實(shí)際的工作當(dāng)中并不能發(fā)揮其應(yīng)有的自身的先進(jìn)性能，這樣就造成了一定程度上的資產(chǎn)閑置。從國內(nèi)購置的新設(shè)備來看，兩年的新設(shè)備投資也僅僅3500余萬元，由于利潤附加值的相對較低，資金更新技術(shù)落后的舊設(shè)備沒有得到支持。從國內(nèi)現(xiàn)有的設(shè)備狀況以及資產(chǎn)總量來看，地勘主業(yè)的專業(yè)特征不是十分突出，目前鉆探設(shè)備現(xiàn)狀與自身應(yīng)有的只能地位不相匹配，沒有相應(yīng)的提升地看裝備資產(chǎn)總量尤其是先進(jìn)的鉆探設(shè)備的資產(chǎn)量。從國內(nèi)鉆探設(shè)備系統(tǒng)來看，一些單位的發(fā)展后勁不足，主業(yè)建設(shè)需要進(jìn)一步的加強(qiáng)提高。定位也需要進(jìn)一步明確，沒有對未來的鉆探設(shè)備發(fā)展提出一些新目標(biāo)和新戰(zhàn)略。

1.2 國內(nèi)鉆探設(shè)備的現(xiàn)狀

在我國，鉆探設(shè)備經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，并且取得了令人矚目的巨大成就。早期，我國的鉆探設(shè)備完全是靠向國外購買、或者是仿型設(shè)計(jì)制造得來得，而今我國已成功的研制和設(shè)計(jì)出了多系列、多型號(hào)、多品種和較齊全的鉆探機(jī)組，例如：巖心鉆機(jī)有XY系列，TK系列和YL系列等；坑道鉆機(jī)有鉆石系列；水文水井鉆機(jī)有SP系列等，還有許多其他的特殊用途的鉆機(jī)，如螺旋鉆、水平鉆等。在我國鉆探設(shè)備都有其各自的特點(diǎn)和用途，完全可以經(jīng)受住生產(chǎn)實(shí)踐對其進(jìn)行的檢驗(yàn)。從國民經(jīng)濟(jì)各部門所需要的鉆機(jī)來看，我們是完全有能力有優(yōu)勢有信心研制出和設(shè)計(jì)出任何種類的鉆機(jī)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)有了一定的經(jīng)驗(yàn)和成熟的技術(shù)支持。但是，從國外的某些現(xiàn)代化鉆探設(shè)備技術(shù)可以看出，我國的鉆探設(shè)備雖然已經(jīng)擺脫了以前考國外購買防型設(shè)計(jì)的途徑自行研發(fā)和設(shè)計(jì)出鉆機(jī)，與國外相比我們還是存在著不小的差距，在性能方面、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面，以及通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化方面都存在一些差距，這些問題的出現(xiàn)有待于我國繼續(xù)在鉆探設(shè)備上進(jìn)行革新和改進(jìn)。

2 鉆機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)化鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體結(jié)構(gòu)要與鉆機(jī)設(shè)備融到一起設(shè)計(jì)，從鉆機(jī)總體考慮集成結(jié)構(gòu)和設(shè)備，結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安裝、設(shè)備的動(dòng)力和控制統(tǒng)一考慮。自動(dòng)化鉆機(jī)應(yīng)把常規(guī)鉆機(jī)的絞車、井架、天車、游車、頂驅(qū)、轉(zhuǎn)盤、大小鼠洞、各種操作鉗、鉆桿排放裝置、動(dòng)力源及驅(qū)動(dòng)、各個(gè)管匯閥門以及這些設(shè)備的控制、檢測、維護(hù)等等，整體一體化設(shè)計(jì)而言，一定要把鉆機(jī)提升系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、固定部分三者結(jié)合在一塊來設(shè)計(jì)，使設(shè)備融合到結(jié)構(gòu)中，打破常規(guī)鉆機(jī)設(shè)備和工具面貌，來實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)設(shè)備和工具操作控制的自動(dòng)化。

2.2 自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式

自動(dòng)化鉆機(jī)設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式有電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，根據(jù)使用環(huán)境和驅(qū)動(dòng)方式選擇使用哪種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，然后再選擇哪種動(dòng)力傳遞方式。

2.3 自動(dòng)化鉆機(jī)總體控制設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體控制包括工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化鉆機(jī)所有控制設(shè)計(jì)應(yīng)集成設(shè)計(jì)，按照自動(dòng)化鉆機(jī)安裝工藝和鉆井工藝，對鉆機(jī)所有控制點(diǎn)進(jìn)行程序號(hào)化設(shè)計(jì)，使用可視和參數(shù)修改的計(jì)算機(jī)處理界面，使鉆機(jī)控制和操作方便容易，鉆機(jī)工作安全可靠。

2.4 自動(dòng)化鉆機(jī)總體檢測設(shè)計(jì)

自動(dòng)化鉆機(jī)總體檢測包括設(shè)備自身性能檢測、鉆機(jī)工作時(shí)各模塊連接參數(shù)檢測、整個(gè)鉆機(jī)工作環(huán)境氣體檢測、鉆機(jī)泥漿配比和容量損失檢測、井下鉆井及環(huán)境參數(shù)檢測等，檢測與控制同步，檢測與安全維護(hù)和預(yù)防同步。

3 鉆探機(jī)組自動(dòng)化技術(shù)在實(shí)際勘測工程中的運(yùn)用

3.1 鉆進(jìn)壓力實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法

根據(jù)HXY-1500型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)主泵是一個(gè)變量雙聯(lián)單泵，主閥組是一個(gè)中位閉心結(jié)構(gòu)、帶有流量自動(dòng)控制閥和壓力補(bǔ)償閥的多路閥，作業(yè)時(shí)可檢測出負(fù)載壓力，使泵的供油壓力始終高出負(fù)載壓力一個(gè)很小的壓差，操縱先導(dǎo)閥改變主閥閥口開度，泵能自動(dòng)調(diào)節(jié)并輸出與負(fù)載速度要求相適應(yīng)的流量，而與負(fù)載大小無關(guān)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)泵的輸出功率與負(fù)載需要的最佳匹配等特點(diǎn)。運(yùn)用 “機(jī)——電——液”一體化控制技術(shù)，通過在鉆機(jī)第一路操縱閥安裝麥克MPM483電子壓力傳感器，檢測出適時(shí)壓力，通過西門子（CPU226）數(shù)字單片微機(jī)PLC的計(jì)算顯示出給定孔底鉆進(jìn)壓力。其操作方式按照鉆機(jī)操作規(guī)程中的要求調(diào)節(jié)溢流閥旋鈕，把系統(tǒng)壓力調(diào)到鉆探工藝要求給定的值進(jìn)行鉆進(jìn)，壓力可通過鉆機(jī)機(jī)臺(tái)上A75GSTD液晶顯示器顯示出適時(shí)壓力值。這樣使鉆機(jī)操作起來更方便、舒適，需要加壓時(shí)就可以及時(shí)加壓，保證鉆探施工過程中鉆進(jìn)參數(shù)的要求。在不同地層施工時(shí)都能知道鉆孔孔底給進(jìn)壓力的變化，給予操作人員明確的指示，需要加壓時(shí)就可以及時(shí)加壓，保證鉆進(jìn)施工的鉆進(jìn)效率中紅虛線部分。

3.2 給進(jìn)壓力實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法

根據(jù)鉆孔深度和地層要求，在鉆進(jìn)過程中有減壓鉆進(jìn)和加壓鉆進(jìn)，通常當(dāng)鉆具的重量超過鉆探工藝規(guī)程規(guī)定的壓力時(shí)，就需要進(jìn)行減壓鉆進(jìn)，反之為加壓鉆進(jìn)。通常情況下操作人員都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)操作，而通過運(yùn)用PLC編程，把M=B-Q和Q-B=M寫入程序中（BKN：鉆具重量；QKN：鉆進(jìn)壓力；M：給進(jìn)壓力），按照鉆機(jī)和鉆探規(guī)程規(guī)定要求，把鉆機(jī)操縱手把搬到上升或下降位置，調(diào)節(jié)溢流閥手輪，進(jìn)行加壓或減壓鉆進(jìn)，此時(shí)通過模塊EM221數(shù)據(jù)采集，在A75GSTD液晶顯示器數(shù)字顯示出的壓力數(shù)據(jù)為給進(jìn)壓力值。

3.3 鉆桿重量操作技術(shù)方法

通過HXY-1500型鉆機(jī)液壓系統(tǒng)與西門子壓力的負(fù)載敏感控制系統(tǒng)的結(jié)合，運(yùn)用數(shù)字單片微機(jī)S7-226 MICRO PLC的主導(dǎo)控制技術(shù)，其中S7-226 MICRO PLC包括一個(gè)中央處理單元（CPU）、電源以及數(shù)字量I/O點(diǎn)，CPU負(fù)責(zé)執(zhí)行程序和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，輸出、輸入是系統(tǒng)控制點(diǎn)：輸入部分從現(xiàn)場設(shè)備中電子傳感器采集信號(hào)輸出部分則控制鉆機(jī)操作閥液壓系統(tǒng)。按照鉆機(jī)操作規(guī)程要求，把鉆機(jī)操作手把放在稱重位置，進(jìn)行鉆具稱重，此時(shí)的操作程序是：先把手把搬到上升位置，使鉆具離開孔底一段距離，手把立刻回到稱重位置上，同時(shí)，快速轉(zhuǎn)動(dòng)給進(jìn)速度閥手輪，使節(jié)流閥的出口關(guān)閉，通過PLC數(shù)字處理，適時(shí)顯示出數(shù)字式的鉆具重量,減少機(jī)械表復(fù)雜讀數(shù)的過程，操作起來更方便、舒適。

3.4 鉆機(jī)扭矩實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法

根據(jù)鉆探機(jī)組電流、電壓的技術(shù)要求，對電路中的交流電流、電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)測量時(shí)，需將其變換為0mA～20mA或4mA～20mA直流電流、電壓。在系統(tǒng)中采用WBI414S41電流隔離傳感器和WBU414S41電壓隔離傳感器采集電壓和電流信號(hào)，運(yùn)用編程把鉆機(jī)變速箱、分動(dòng)箱齒輪模數(shù)和公式M=UICOSФN1/p（式中，U——電壓 ；I——電 流 ；COSФ——電路功率因數(shù)；N1——鉆機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；p——電動(dòng)機(jī)極數(shù)）寫入PLC程序中 ，通過PLC運(yùn)算處理后在液晶顯示器顯示出的數(shù)據(jù)值為鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩值。

鉆機(jī)控制系統(tǒng)首先通過模塊EM221采集系統(tǒng)電壓傳感器信號(hào)、鉆機(jī)電流傳感器信號(hào)、壓力反饋信號(hào)和操作閥控制手柄發(fā)來的指令，在PLC中編程控制數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU處理，通過A75GSTD臺(tái)達(dá)液晶顯示器實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)字顯示，為滿足鉆機(jī)的控制需要，本系統(tǒng)還設(shè)置給進(jìn)壓力值的顯示。通過EM221模塊檢測系統(tǒng)電壓，鉆機(jī)電流，通過PLC編程計(jì)算出鉆機(jī)扭距并實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)鉆機(jī)的正常工作還需要許多輔助系統(tǒng)，在本控制系統(tǒng)中包含有鉆進(jìn)壓力測量控制系統(tǒng)、故障檢測系統(tǒng)和保護(hù)控制系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文重點(diǎn)對鉆探機(jī)組自動(dòng)化在我國的現(xiàn)狀以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題進(jìn)行了詳細(xì)的探索，在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對實(shí)際運(yùn)用問題，進(jìn)行了針對性的設(shè)計(jì)，目的是提高鉆探機(jī)組在實(shí)際工程中的運(yùn)用。

［1］李硯藻.開展科學(xué)化自動(dòng)化鉆探技術(shù)研究[J].國外地質(zhì)勘探技術(shù)，2010.

［2］鄧?yán)?關(guān)于石油鉆井自動(dòng)化技術(shù)的研究[J].中國電子商務(wù)，2013（12）.