基于LabVIEW大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

羅光強(qiáng)，胡郁樂

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734;2.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 問題的提出

巖心鉆探是固體礦產(chǎn)勘察不可缺少的技術(shù)手段[1]。在鉆探過程中，對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測和監(jiān)控非常重要，這是進(jìn)行科學(xué)有效打鉆的基礎(chǔ)。在這些鉆進(jìn)參數(shù)之中，大鉤高程是非常重要且實(shí)用的參數(shù)。大鉤高程即大鉤位置，根據(jù)大鉤高程可以準(zhǔn)確計(jì)算出孔深、機(jī)上余尺和鉆具長度，并且可以進(jìn)行防撞頂天車報(bào)警和判斷大鉤與二層臺(tái)之間的相對(duì)位置。孔深是鉆井最重要的參數(shù)，機(jī)上余尺是實(shí)時(shí)了解鉆井進(jìn)尺的直接指標(biāo)，也是鉆探原始班報(bào)表中最重要的部分之一[2]。鉆具長度、回次進(jìn)尺、機(jī)械鉆速和回次鉆速等參數(shù)的計(jì)算與大鉤高程直接相關(guān)。

目前，國內(nèi)外對(duì)大鉤高程測量方法的研究比較多，但是測量方法大都存在缺陷，測量計(jì)算需要復(fù)雜的邏輯判斷，并且計(jì)算過程繁瑣，測量精度不高，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件復(fù)雜，可操作性不強(qiáng)。例如通過在絞車上安裝傳感器－光學(xué)編碼器來測量大鉤高度這種方法，是通過絞車上鋼絲繩的長度變化來確定大鉤移動(dòng)距離的[3]。由于絞車上鋼絲繩的層數(shù)不同，要經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，才能得出大鉤移動(dòng)距離。這種測量方法不僅需要硬件設(shè)備，還需要將軟件編程，每次測量過程中都有邏輯判斷，并且需要定期校核，在實(shí)際測量中極不方便。另外，鉆井過程中，鉆井工人經(jīng)常爬上鉆機(jī)，人工測量機(jī)上余尺，特別是目前鉆深比較大的巖心鉆機(jī)XY－8或者XY－9鉆機(jī)的機(jī)高較高，人工測量既不方便，不安全，又耽誤工時(shí)[4]。因此，準(zhǔn)確實(shí)用并且自動(dòng)測量大鉤高程顯得尤為重要。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 大鉤高程檢測原理

該系統(tǒng)是通過測量鋼絲繩長度變化間接確定大鉤高程的。如圖1所示，大鉤在移動(dòng)的過程中，天車上的定滑輪會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，通過傳感器測量定滑輪的轉(zhuǎn)角，進(jìn)而計(jì)算出鋼絲繩下放或者上提的長度值，就可以確定大鉤的位置了。與以往的測量方法不同的是，穿過定滑輪的鋼絲繩只有一股，不會(huì)像絞車上的鋼絲繩卷繞直徑會(huì)發(fā)生變化，因而不需要考慮鋼絲繩卷繞的層數(shù)，不需要進(jìn)行邏輯判斷，就可以很準(zhǔn)確地測量鋼絲繩長度變化值。

圖1 大鉤高程檢測原理示意圖

測量大鉤高程最實(shí)用的用途之一就是實(shí)時(shí)顯示機(jī)上余尺和鉆孔深度，以便鉆井工人及時(shí)獲得鉆進(jìn)進(jìn)尺的參數(shù)，進(jìn)行科學(xué)打鉆[5]。如圖1所示，圖中H即代表機(jī)上余尺。根據(jù)機(jī)上余尺的定義，機(jī)上余尺的公式為[6]:

式中:H——機(jī)上余尺;L——鉆具總長;h——機(jī)高;L孔——孔深。

鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時(shí)，機(jī)上余尺就是大鉤高程。大鉤高程零參考點(diǎn)也是機(jī)上余尺的零參考點(diǎn)。由式(1)知，只要能準(zhǔn)確測量機(jī)上余尺，就能快速、準(zhǔn)確地得到孔深值。在鉆進(jìn)的過程中，只要確定了大鉤的位置，很容易便能計(jì)算出機(jī)上余尺和相關(guān)參數(shù)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該監(jiān)控系統(tǒng)需要測量天車上定滑輪的轉(zhuǎn)角，因而必須將傳感器安裝于天車上，然后通過數(shù)據(jù)線傳輸下來，將信號(hào)傳輸給數(shù)顯表，通過數(shù)顯表和LabVIEW軟件平臺(tái)將處理過的信號(hào)顯示出來。

如圖2所示，在天車定滑輪的側(cè)面安裝磁鋼，將雙通道霍爾傳感器固定在對(duì)應(yīng)位置，與磁鋼的最近距離為5～7 mm。大鉤上提或者下放時(shí)，定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)磁鋼從雙通道霍爾傳感器端部經(jīng)過時(shí)，雙通道霍爾傳感器便產(chǎn)生脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)通過數(shù)據(jù)線傳輸給數(shù)顯表頭，數(shù)顯表頭經(jīng)過信號(hào)處理后直接顯示，同時(shí)可以將處理后的信號(hào)通過RS485串口通信傳輸給PC機(jī)，利用LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等工作。以鉆機(jī)立軸外殼的上平面為基準(zhǔn)面，可測得大鉤與基準(zhǔn)面的相對(duì)距離，即機(jī)上余尺，直接通過數(shù)顯表頭顯示大鉤高程。機(jī)上余尺的計(jì)算公式為:

圖2 大鉤高程檢測傳感器安裝示意圖

式中:H——大鉤行走距離，m;l——鋼絲繩行走距離，m;N——?jiǎng)踊嚿箱摻z繩數(shù);r——天車定滑輪半徑，現(xiàn)場測量為200 mm;n1——天車定滑輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)圈數(shù);n2——天車定滑輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。

如圖1所示，定滑輪最左端鋼絲繩連接主卷揚(yáng)端，定滑輪最右段鋼絲繩連接死繩端。當(dāng)大鉤以速度v勻速向下移動(dòng)時(shí)，定滑輪從左到右的轉(zhuǎn)動(dòng)線速度分別為 6v、4v、2v、0，即大鉤每行走距離 L，定滑輪處鋼絲繩行走距離分別為6L、4L、2L、0。將最左邊快繩端鋼絲繩行走距離除以6即為大鉤行走距離，由此可見，將傳感器安裝于快繩端測量精度最高。如圖2所示，將雙通道霍爾傳感器安裝于最左側(cè)。

考慮到測量精度和現(xiàn)場安裝環(huán)境，在左側(cè)定滑輪側(cè)面呈120°安裝3個(gè)磁鋼，即霍爾開關(guān)每接受3個(gè)脈沖信號(hào)，表示滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。所以機(jī)上余尺的公式為:

式中:u1——霍爾傳感器接收的順時(shí)針脈沖信號(hào);u2——霍爾傳感器接收的逆時(shí)針脈沖信號(hào)。

由于天車定滑輪的半徑和鋼絲繩數(shù)為固定值，只需檢測霍爾傳感器接收的逆時(shí)針和順時(shí)針脈沖信號(hào)就可以得出機(jī)上余尺，從而得出大鉤的高程，再根據(jù)式(1)計(jì)算孔深。

2.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由雙通道霍爾傳感器、磁鋼、智能計(jì)數(shù)/計(jì)米數(shù)顯表頭、RS485串口通信和 Lab-VIEW軟件平臺(tái)組成。天車定滑輪上的磁鋼使雙通道霍爾傳感器產(chǎn)生脈沖信號(hào)，以模擬信號(hào)輸出，再傳入智能計(jì)數(shù)/計(jì)米數(shù)顯表頭;經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，設(shè)置數(shù)顯表參數(shù)之后，可以直接顯示大鉤高程;再通過RS485串口與工控機(jī)通訊，將信號(hào)傳入電腦通過LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等工作[7]。

雙通道霍爾傳感器使用于該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。大鉤在上下行走時(shí)，雙通道霍爾傳感器對(duì)天車定滑輪會(huì)有正反轉(zhuǎn)的判斷，并對(duì)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行加減。雙通道霍爾傳感器是電感式接近開關(guān)，它由振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路3部分組成，無需與運(yùn)動(dòng)部件接觸即可進(jìn)行測量。當(dāng)物體接近開關(guān)的感應(yīng)面到動(dòng)作距離時(shí)，不需要機(jī)械接觸及施加任何壓力即可使開關(guān)工作，輸出脈沖信號(hào)。接近開關(guān)動(dòng)作可靠，性能穩(wěn)定，頻率響應(yīng)快，應(yīng)用壽命長，抗干擾能力強(qiáng)，并具有防水、防震、耐腐蝕等特點(diǎn)。另外，通過數(shù)顯表頭上的兩路參數(shù)報(bào)警，增加兩個(gè)蜂鳴器，設(shè)置一個(gè)參數(shù)到達(dá)報(bào)警，一個(gè)參數(shù)超限報(bào)警。一路二層臺(tái)到位報(bào)信報(bào)警;一路大鉤運(yùn)行位置超過報(bào)警值，即大鉤將要撞頂天車或碰觸機(jī)臺(tái)時(shí)，數(shù)顯表的蜂鳴器可以及時(shí)報(bào)警，提醒鉆井工人進(jìn)行相應(yīng)的安全操作。

2.3.2 LabVIEW 軟件編程設(shè)計(jì)[8]

LabVIEW是由美國國家儀器公司開發(fā)的軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。它采用圖形化編程語言——G語言進(jìn)行編程。LabVIEW平臺(tái)編程包括前面板和程序框圖，有數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放。通過RS485串口與數(shù)顯表頭通信，讀取數(shù)據(jù)，再經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)換和計(jì)算得到大鉤高程的值，在前面板顯示。同時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)保存在Excel表內(nèi)，便于數(shù)據(jù)回放和數(shù)據(jù)的二次開發(fā)。

該系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)設(shè)計(jì)可以判斷鉆機(jī)工況，當(dāng)鉆機(jī)正常鉆進(jìn)時(shí)，大鉤高程就是機(jī)上余尺;當(dāng)鉆機(jī)停鉆時(shí)，機(jī)上余尺不再變化，可以顯示大鉤的位置，并能判斷大鉤相對(duì)二層臺(tái)的位置，LabVIEW軟件檢測原理如圖3所示。

圖3 LabVIEW檢測編程原理圖

3 系統(tǒng)功能

在實(shí)際鉆井過程中，大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)可以解決諸多問題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。該系統(tǒng)具有以下功能。

(1)正常鉆進(jìn)時(shí)，該系統(tǒng)可以測量鉆機(jī)的機(jī)上余尺或者方鉆桿余尺，并能實(shí)時(shí)顯示鉆孔深度。

(2)當(dāng)大鉤到達(dá)二層臺(tái)位置時(shí)，鉆探工人記下大鉤高程的值，在每次提下鉆，加減鉆桿時(shí)，司鉆人員無需抬頭，只需看大鉤高程到達(dá)該數(shù)值附近時(shí)，提引器就位于二層臺(tái)操作區(qū)域，二層臺(tái)上的鉆井工人即可掛卸提引器。這樣，既減輕了司鉆人員勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了事故發(fā)生率。

(3)該系統(tǒng)可以規(guī)定大鉤行走的正常范圍，當(dāng)大鉤超出允許高度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)報(bào)警，提醒司鉆進(jìn)行減速與剎車。大鉤高程數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示，通過參數(shù)超限自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)能迅速剎車制動(dòng)，以達(dá)到安全可靠的目的。

(4)LabVIEW軟件平臺(tái)可以實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)Excel存儲(chǔ)和回放并能進(jìn)行參數(shù)錄入和修改。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)多次應(yīng)用于不同地區(qū)的鉆井現(xiàn)場，并且安裝于不同類型的鉆探設(shè)備上，都能正常運(yùn)行。2010年10月將該系統(tǒng)應(yīng)用于山東萊州“中國巖金勘察第一深鉆”4000 m科研深鉆，2011年5月將該系統(tǒng)應(yīng)用于西藏羅布莎2500 m科學(xué)鉆孔，2012年3月將該系統(tǒng)應(yīng)用于甘肅金川深部探測JCSD－1鉆孔，2012年4月將該系統(tǒng)應(yīng)用于云南騰沖科學(xué)鉆孔，均取得了良好的應(yīng)用效果。經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和反復(fù)改進(jìn)，該系統(tǒng)也逐步完善。如圖4所示，大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)結(jié)果與人工測量的機(jī)上余尺極其吻合，而在主卷揚(yáng)上測量的結(jié)果卻與實(shí)際結(jié)果相差較大，可以很明顯的看出大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性更好，可靠性高。

圖4 大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)主界面

綜合考慮鉆機(jī)平臺(tái)實(shí)際的需要，將該大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)顯表頭設(shè)置的是小數(shù)點(diǎn)點(diǎn)后兩位數(shù)，使數(shù)據(jù)精確到厘米。在一些高精度要求場合，可以精確到小數(shù)點(diǎn)后五位數(shù)。下面對(duì)比金川科鉆鉆井平臺(tái)不同測量方法的數(shù)據(jù)變化曲線(如圖5所示)。

圖5 大鉤高程不同測量方法數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖5中有3條曲線，在天車安裝傳感器的測量方法與人工測量的數(shù)據(jù)極其吻合，說明該方法測量準(zhǔn)確度高;人工測量方法只能精確到分米，精度較低，且測量不方便，測量的數(shù)據(jù)少，不能實(shí)時(shí)顯示;在絞車位置安裝傳感器，回次鉆進(jìn)初期數(shù)據(jù)比較吻合，隨著進(jìn)尺增加，誤差逐漸增大，也就是卷揚(yáng)鋼絲繩不同的層數(shù)，導(dǎo)致誤差變大，特別是提下鉆大鉤高程反復(fù)幾個(gè)來回之后，大鉤高程的誤差能達(dá)到幾米，需要經(jīng)常校正，現(xiàn)場實(shí)用性不強(qiáng)。綜上所述，該大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)測量精度高。

5 結(jié)論

大鉤高程監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)多次應(yīng)用于不同的鉆井平臺(tái)。實(shí)踐證明，該裝置安裝簡便，測試精度高，不需要復(fù)雜的邏輯判斷，現(xiàn)場實(shí)用性強(qiáng)。

(1)直接測量大鉤高程，根據(jù)大鉤高程可以準(zhǔn)確計(jì)算出孔深、機(jī)上余尺和鉆具長度，并且實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)。

(2)根據(jù)鉆塔結(jié)構(gòu)，對(duì)大鉤移動(dòng)距離設(shè)置界限值，實(shí)現(xiàn)參數(shù)超限自動(dòng)報(bào)警功能，防止游動(dòng)滑車上升時(shí)與天車撞頂事故，提醒司鉆及時(shí)減速和剎車。

(3)基于LabVIEW虛擬儀器軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大鉤高程的監(jiān)控，可以很方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示和存儲(chǔ)等，安全經(jīng)濟(jì)高效。

(4)在每次提下鉆時(shí)，司鉆人員無需抬頭，只需看大鉤位于二層臺(tái)操作區(qū)域高度值附近時(shí)就可及時(shí)剎車，二層臺(tái)上的鉆井工人即可掛卸提引器。這樣，既減輕了司鉆人員勞動(dòng)強(qiáng)度，又降低了事故發(fā)生率。

(5)可以方便應(yīng)用于立軸式鉆機(jī)、轉(zhuǎn)盤鉆機(jī)、全液壓鉆機(jī)等不同類型的鉆機(jī)，易于安裝，維護(hù)簡單，適用范圍廣。

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