趙 良
(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077;2.長安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院,陜西 西安 710064)
隨著地面煤層氣抽采鉆孔施工需求的快速增長,煤層氣車載鉆機(jī)的市場需求越來越旺盛,各個(gè)生產(chǎn)廠家的競爭也非常強(qiáng)烈,設(shè)備的功能及技術(shù)水平便成了現(xiàn)代車載鉆機(jī)的核心競爭力。煤層氣車載鉆機(jī)集成化程度高,便需要全面的反映鉆機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài),給司鉆人員及時(shí)提供鉆進(jìn)依據(jù),但由于鉆井工作面工況條件比較惡劣,屬于野外作業(yè)和移動性設(shè)備,柴油機(jī)載荷變化幅度大,動力分配復(fù)雜,鉆進(jìn)過程中伴有灰塵、泥漿、震動甚至煤層氣突出,對司鉆人員和井口輔助人員帶來不便,不僅造成勞動強(qiáng)度大而且存在安全隱患,甚至容易引發(fā)不同程度人員安全事故,所以液控操作方式很難完全滿足需求[1-3];鑒于此,著重分析煤層氣車載鉆機(jī)的整機(jī)功能,引入便攜式遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng);由于該控制系統(tǒng)具有大量的信號數(shù)據(jù)交換,CAN總線便作為首選通訊方式,其是一種支持分布式或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò),可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強(qiáng)[4,5],不僅使車載鉆機(jī)具備遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能,而且能通過遠(yuǎn)程總線傳輸,來控制液壓電磁閥驅(qū)動負(fù)載,當(dāng)鉆機(jī)在遇到惡劣天氣或高危鉆進(jìn)時(shí),可隨時(shí)應(yīng)用其來進(jìn)行不間斷施工,不耽擱鉆井進(jìn)度,保證鉆進(jìn)或提鉆的順利進(jìn)行。
遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)主要由多路電液雙控電磁閥、遠(yuǎn)程控制臺及防爆攝像頭組成。遠(yuǎn)程控制臺獨(dú)立于煤層氣車載鉆機(jī)電控系統(tǒng)以外,其于電控系統(tǒng)通過航空插頭快速配接,在車身防爆箱體預(yù)留有對接插口,通訊電纜僅有供電和CAN通訊共四根導(dǎo)線;通過CAN總線通訊,遠(yuǎn)程控制臺內(nèi)控制器負(fù)責(zé)接收操作指令,防爆箱體內(nèi)擴(kuò)展控制器負(fù)責(zé)對相應(yīng)的電磁閥輸出執(zhí)行信號。車載鉆機(jī)自身電控系統(tǒng)只具備監(jiān)控功能,而遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)具備鉆進(jìn)控制功能。遠(yuǎn)程控制臺裝配有兩塊顯示屏,一塊用來顯示監(jiān)測鉆進(jìn)狀態(tài),另一塊用來遠(yuǎn)程視頻;其他控制器及操作器件都集中于遠(yuǎn)程控制臺內(nèi)部,如圖1所示。
圖1 車載鉆機(jī)遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)布局
電液雙控電磁閥既可以通過液控方式近端操作,也可以通過遠(yuǎn)程控制臺執(zhí)行電信號操作。閥體分為比例電磁鐵及開關(guān)量電磁鐵,根據(jù)不同功能對電磁線圈提供不同信號方式。由于執(zhí)行動作較多,內(nèi)部控制器選用Bosch Rexroth RC28-14和擴(kuò)展RCE12-4并用;該控制器體積雖小,但具有4路單獨(dú)CAN總線通訊接口,輸入接口具有受壓保護(hù),以防過電壓和電氣干擾,對電流控制的比例電磁鐵輸出進(jìn)行脈寬調(diào)制(PWM),并對其提供溫度和電壓補(bǔ)償,以保證精確度和最小滯后,可對系統(tǒng)中比例電磁閥實(shí)現(xiàn)良好的控制。遠(yuǎn)程控制臺采用數(shù)字化顯示,顯示屏選用Eaton 7寸顯示屏,亮度高達(dá)1000cd/m2,環(huán)境及工作溫度范圍-40~80℃,能夠滿足司鉆人員在陽光下直視及溫差巨大的區(qū)域使用。雙路攝像頭采用VGA 信號,該信號具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點(diǎn),在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,但不支持熱插拔。
遠(yuǎn)程控制臺由于在野外使用,環(huán)境惡劣,外殼體結(jié)構(gòu)采用IP65設(shè)計(jì),鉆機(jī)鉆進(jìn)功能的操作有手柄、按鈕、旋鈕等,根據(jù)不同的動作需求,選用符合操作習(xí)慣的指令器件,使得操作更加符合人體工學(xué)。動作控制方式見表1。
表1 鉆機(jī)動作控制方式
遠(yuǎn)程控制鉆進(jìn)系統(tǒng)將鉆機(jī)液控功能高度集中,不僅包括動力頭及回轉(zhuǎn)、卸扣器、卷揚(yáng)、給進(jìn)裝置、孔口夾持的操控,而且可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近油門切換、熄火以及急停,可達(dá)到對發(fā)動機(jī)必要的遠(yuǎn)程操作,防止出現(xiàn)突發(fā)狀況[11-13]。
電液控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行核心便是電液比例閥,可按給定的輸入電壓或電流信號連續(xù)的按比例遠(yuǎn)距離的控制流體方向、壓力和流量。傳統(tǒng)的控制方式為采用放大驅(qū)動板控制比例閥的電流,模擬式功率輸出至比例閥線圈的是連續(xù)電流,電子器件功耗大,發(fā)熱嚴(yán)重,容易造成比例閥穩(wěn)定性差,控制精度低,故障率高等問題。因此,在該系統(tǒng)中利用控制器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號實(shí)現(xiàn)對車載鉆機(jī)鉆進(jìn)功能的比例控制,該技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù),廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中,抗干擾、抗污染能力強(qiáng),滯后時(shí)間短,可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性[14,15]。
PWM控制通過導(dǎo)通和關(guān)斷,把直流電壓變成電壓脈沖列,通過電壓脈沖的寬度和周期來控制電液比例閥,其作用在比例電磁線圈上為脈沖寬度可調(diào)的矩形波,占空比則為PWM時(shí)鐘周期內(nèi)高電平的保持時(shí)間與周期時(shí)間之比。因此,為了使比例閥電流平均值保持穩(wěn)定,便需要選取比較合適的占空比,占空比較小時(shí),存在著流量死區(qū),占空比較大時(shí),易出現(xiàn)流量飽和[6]。
控制器的底層程序和顯示屏的程序編寫為軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容,其中底層軟件的設(shè)計(jì)更是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化控制的重點(diǎn)。控制器編程基于CoDeSys開發(fā)的BODAS-design3.0環(huán)境,編程語言為IEC61131-3的六種綜合性編程語言,與顯示器的開發(fā)環(huán)境基本相同。用戶的編程方式可以從六種語言中選擇熟練的方式進(jìn)行編寫,也可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)庫調(diào)用功能模塊,采用順序執(zhí)行方式,給用戶在編寫代碼時(shí)提供更多的方便[7,8]。該系統(tǒng)指令信號輸入及執(zhí)行信號輸出采用FBD語言進(jìn)行編程,該語言可直接調(diào)用模塊,直觀、易編寫。
比例閥的控制精度與輸入信號的精度和比例閥閥芯位移反饋有關(guān)??刂破鞯腏oyFilter功能塊函數(shù)即是對手柄輸入信號的處理,如圖2所示。JoyFilter是一個(gè)雙向的模擬量標(biāo)定塊,也就是說是對輸入的模擬量進(jìn)行預(yù)處理,可把輸出范圍調(diào)整成-10000~10000之間。
圖2 雙向模擬量標(biāo)定模塊
在該函數(shù)輸入中,部分參數(shù)說明及變量輸入如下:
Par_Neg/Par_Pos:正負(fù)向輸入的調(diào)節(jié)參數(shù)。主要用于當(dāng)正負(fù)向輸入最大時(shí),調(diào)節(jié)參數(shù)使得OUTPUT也為正負(fù)向最大。
Par_Zero:零輸入的調(diào)節(jié)參數(shù)。主要用于當(dāng)手柄在零位時(shí),即零輸入時(shí),調(diào)節(jié)參數(shù)使得OUTPUT也為零。
Par_Deadband:死區(qū)設(shè)置參數(shù)。取值范圍:0~100。當(dāng)輸入進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置范圍,輸出為零。值得注意的是在實(shí)際的應(yīng)用中通常會有5%的死區(qū)值。
Par_Neg_Pro/Par_Pos_Pro:取值范圍:-100~100,設(shè)置正負(fù)向輸出緩沖曲線度,手柄正負(fù)向輸出值相對于輸入值的一個(gè)響應(yīng)曲線。正負(fù)向緩沖響應(yīng)曲線如圖3所示。在手柄信號輸出中,可根據(jù)動作調(diào)節(jié)輸出的響應(yīng)時(shí)間。
圖3 手柄輸入輸出響應(yīng)曲線
DMotion_V模塊函數(shù)主要用于控制比例閥,有兩路PWM輸出,一般為正反向輸出,控制信號范圍-10000~10000,當(dāng)控制信號在0~10000,Out_PWM_UP 輸出,值 0~10000;當(dāng)控制信號在0~-10000,Out_PWM_DOWN輸出,值 0~-10000。由參數(shù)控制最大最小輸出電流范圍。DMotion_V功能塊函數(shù)如圖4所示。
圖4 比例閥控制模塊
在該函數(shù)輸入中,部分參數(shù)說明及變量輸入如下:
Up_Accel:正方向每100ms增加的電流值;Up_Dccel:正方向每100ms減少的電流值;
Down_Accel:負(fù)方向每100ms增加的電流值;Down_Dccel:負(fù)方向每100ms減少的電流值;
Up_Max_Current:正向輸出允許最大值。即比例閥的最大開啟電流;Up_Min_Current:正向輸出允許最小值。即比例閥的最小開啟電流。
Down_Min_Current:負(fù)向輸出允許最小值,即比例閥的最小開啟電流;Down_Max_Current:負(fù)向輸出允許最大值,即比例閥的最大開啟電流。
Scale:輸出放大倍數(shù),電流輸出為默認(rèn)值1000,但在PWM輸出中需酌情設(shè)置,一般指為1。
電液比例閥的理想靜態(tài)特性應(yīng)該是被控參數(shù)與輸入信號是線性的,完全成同一比例,但實(shí)際上,因?yàn)殚y內(nèi)存在的摩擦、磁滯及機(jī)械死區(qū)等因素[9-15],反映出來的動作并非線性,比較明顯的例如死區(qū)、油溫和進(jìn)出口壓力變化容易引起的特性零位漂移,因此可通過死區(qū)設(shè)置及開啟電流來調(diào)節(jié)。
遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)應(yīng)用于中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100型車載鉆機(jī),該鉆機(jī)在山西端氏鎮(zhèn)劉家腰村,坐標(biāo)112.471,35.654附近進(jìn)行煤層氣地面開發(fā)遠(yuǎn)端對接井及不同深度巷道電纜孔施工。為了驗(yàn)證遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)的可靠性,在對鉆井隊(duì)司鉆人員集中培訓(xùn)后,施工中連續(xù)多次使用遠(yuǎn)程控制臺,操作手能夠熟練的掌握操作方法,并順利的完成了多個(gè)鉆井任務(wù),驗(yàn)證了遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及便攜性。
遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)的雙路攝像頭分別放置井口不同角度,可基本實(shí)現(xiàn)操作觀察需求。應(yīng)用表明:操作臺的集中化操控方便,PWM信號控制的比例閥響應(yīng)時(shí)間基本在0.8s以內(nèi),快速、精準(zhǔn)、易操作,大大降低了司鉆人員的勞動強(qiáng)度;簡化了鉆機(jī)液控操作系統(tǒng),避免了大量的遠(yuǎn)距離液壓管線布置;實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離發(fā)動機(jī)急停及工作狀態(tài)讀??;司鉆人員可任意擺放操作臺位置及距離,提高了車載鉆機(jī)的施工安全性,為施工人員提供了安全保障。
煤層氣車載鉆機(jī)的遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng),不僅能夠采集鉆機(jī)作業(yè)運(yùn)行狀態(tài),而且可以對發(fā)動機(jī)及鉆進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制,同時(shí)在雙路攝像頭的視頻輔助下,可完全實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離井口無人操作。該系統(tǒng)鉆機(jī)參數(shù)顯示全面,液壓電磁閥邏輯能力強(qiáng),響應(yīng)速度快,完全滿足司鉆人員對操作的需求;遠(yuǎn)程控制臺采用CAN總線通訊,插拔方便,便攜性好,遠(yuǎn)距離操控安全性可靠。遠(yuǎn)程電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用對煤層氣車載鉆機(jī)的推廣有著積極的意義,也對后期的實(shí)現(xiàn)自動化、智能化奠定了基礎(chǔ)。