基于海底巖心取樣鉆機的自適應鉆進測控系統(tǒng)

徐輝祖，張偉，宋其新，左立標，楊平宇，江曉

(1.長沙礦山研究院有限責任公司， 湖南 長沙 410012；2.杭州瀚陸海洋科技有限公司， 浙江 杭州 310012；3.杭州鯤駿海洋工程技術有限公司， 浙江 杭州 310018)

深海海底蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，目前已發(fā)現(xiàn)的主要有多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼等資源。獲取巖心樣品是多金屬硫化物和富鈷結(jié)殼勘探的一項主要任務，巖心樣品將為認識礦體空間分布規(guī)律、圈定礦化區(qū)礦體及估算礦體資源量提供重要依據(jù)。深海巖心取樣鉆機系統(tǒng)一般由甲板監(jiān)視操控單元、甲板高壓供電單元、液壓動力單元、回轉(zhuǎn)鉆進單元、沖洗排渣單元和通信測控單元等6個單元組成[1-3]，其作業(yè)過程如圖1所示。

圖1 深海巖心取樣鉆機作業(yè)

1 自適應鉆進測控系統(tǒng)簡述

自適應鉆進測控系統(tǒng)根據(jù) Demo采樣時間內(nèi)（如5 min），通過對3要素（鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵壓）傳感器數(shù)據(jù)進行計算分析，對地層類型屬性進行初步判斷分類后[4]，根據(jù)數(shù)據(jù)庫匹配的相應鉆進工藝參數(shù)，自動調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗流量等參數(shù)，匹配目標地層[5]，進行自適應鉆進。自適應鉆進測控系統(tǒng)包括甲板操控單元和水下測控單元2部分。其中甲板操控單元由工控機、顯示屏、光纖通信機和操控軟件等組成；水下測控單元主要由光纖通信模塊、繼電器輸出、數(shù)據(jù)采集模塊、比例閥控制模塊和電源模塊等組成。

2 自適應系統(tǒng)的關鍵技術

2.1 數(shù)據(jù)的采集和處理

海底鉆機傳感器參數(shù)主要包括：鉆進速度、鉆進壓力、回轉(zhuǎn)速度、泵壓和油壓等。其中影響鉆進工藝的直接參數(shù)為鉆進壓力、回轉(zhuǎn)速度和沖洗泵流量[6]。鉆進壓力通過壓力傳感器數(shù)據(jù)讀取并換算出給進壓力。回轉(zhuǎn)速度通過水下測控單元高精度 DI板對動力頭轉(zhuǎn)速進行頻率測量采集，進行加權(quán)計算。壓力參數(shù)通過24 Bit高精度AD單元，對壓力傳感器電流信號進行輸入阻抗匹配，以完成泵壓數(shù)據(jù)采集。以上數(shù)據(jù)為自適應算法提供可靠、高效的反饋數(shù)據(jù)。

2.2 比例閥的PID控制

鉆機鉆進壓力與回轉(zhuǎn)速度的比例控制，是保證自適應鉆進有效性的重要環(huán)節(jié)。通過對液壓伺服與電液比例閥的控制，實現(xiàn)高精準、大扭矩、高線性度、快速響應的鉆進控制[7]。

2.3 鉆進工藝參數(shù)選擇

圖2是鉆進試驗的典型擬合曲線[8]。其中圖2（a）是在其他鉆進參數(shù)保持不變的情況下，鉆壓與鉆速的關系曲線，其中1為硬地層，2為軟地層。由圖2（a）可知，最初鉆壓小，鉆速沿oa段與鉆壓呈平方正比。繼續(xù)增加鉆壓，鉆速增長率逐步下降而沿ab段幾乎與鉆壓成線性關系。隨著鉆壓增加，軟地層鉆速增長緩慢，最終可能趨于平穩(wěn)。

圖2 鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆速的關系曲線

圖2（b）是在鉆壓和其他鉆進參數(shù)都不改變的條件下，轉(zhuǎn)速與鉆速的關系曲線，其中1為軟地層，2和3為硬地層。在軟地層的情況下，鉆速與轉(zhuǎn)速成正比；當?shù)貙幼冇?，鉆速與轉(zhuǎn)速不再成正比，鉆進效率顯著下降。

2.4 自適應鉆進測控系統(tǒng)的算法和數(shù)據(jù)庫

2.4.1 自適應鉆進測控系統(tǒng)的算法

自適應鉆進測控系統(tǒng)的基礎是鉆機能夠?qū)崿F(xiàn)鉆壓恒定、轉(zhuǎn)速可調(diào)，基于深海地質(zhì)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，提供3種地質(zhì)條件的自適應操控模式。通過對圖2的分析可知，鉆壓取ab段上的某一值，在該鉆壓下應該獲得較高的鉆進速度，且鉆頭磨損速度較低，根據(jù)地質(zhì)資料來確定理想的鉆壓值P，一旦P值確定，在某一鉆位的整個鉆進過程中保持鉆壓（P+Δp）連續(xù)鉆進。

自動送鉆基于自適應FuzzyPID控制算法[9]，在自動送鉆控制方案中，通過速度環(huán)和鉆壓環(huán)雙環(huán)控制，在鉆進過程中實現(xiàn)控制策略選定鉆壓的恒定，實現(xiàn)自動送鉆，自動送鉆控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示。

圖3 自適應控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3中，外環(huán)是鉆壓調(diào)節(jié)部分，這里鉆壓調(diào)節(jié)器根據(jù)給定鉆壓W1和實際鉆壓W2的偏差，算出一個速度的給定值ΔW；在此環(huán)Vl與實際速度V2的偏差經(jīng)過運算后，輸出一個液壓系統(tǒng)的壓力給定值ΔV，內(nèi)環(huán)保證輸出的速度V2與給定速度V1相同；液壓給定值P1送入內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)是液壓壓力調(diào)節(jié)部分，該部分保證液壓機構(gòu)輸出的實際壓力P2與給定壓力P1相同。于是在給定速度V1的情況下，輸出鉆壓W2就會與給定鉆壓W1相同，從而達到恒鉆壓控制的目的。

自適應算法模型如圖4所示，通過計算比對，調(diào)整鉆壓和轉(zhuǎn)速，當鉆速穩(wěn)定，且接近設定鉆速的±20%時，即判定其鉆速穩(wěn)定，從而保持當前的鉆進參數(shù)。當鉆速超出20%或者低于20%，則根據(jù)自適應算法自動調(diào)整鉆進參數(shù)后繼續(xù)鉆進。

圖4 自適應算法模型

2.4.2 鉆進工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫搭建

結(jié)合目前海底鉆機作業(yè)所取得的巖心樣品特性與鉆進工藝參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，建立相關地質(zhì)特點的海底鉆進工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫?？赏ㄟ^該自適應測控系統(tǒng)實時真實反映底質(zhì)地層力學特性參數(shù)，并將真實反饋工藝參數(shù)歸類存儲至對應地質(zhì)特性分區(qū)的庫文件中[10]。通過數(shù)據(jù)邏輯推演和算法針對不同的地質(zhì)地形調(diào)整參數(shù)，更進一步匹配生成相應的鉆進迭代參數(shù)。

2.5 系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

硬件架構(gòu)可以分為兩大類，第一：傳感器采集系統(tǒng)；第二：算法執(zhí)行層。傳感器采集系統(tǒng)作為物理層，必須保證數(shù)據(jù)的實時及高精度有效，傳感器的采集分為兩類，數(shù)值型傳感器和模擬型傳感器。算法執(zhí)行層基于 ARM Cortex-A8構(gòu)架，運行于Linux系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)仲裁和算法執(zhí)行的多任務運行，避免由于系統(tǒng)瓶頸影響算法的有效性。

3 結(jié)束語

自適應鉆進測控系統(tǒng)以鉆機自適應算法模擬演示為基礎，支持算法執(zhí)行過程的數(shù)據(jù)可視化，并預留與未來鉆機項目傳感器采集等有關部分的接口，通過這些接口實現(xiàn)實時測量、軟件算法、硬件抗干擾、監(jiān)控系統(tǒng)字幕疊加、計算機應用系統(tǒng)等的集成，實現(xiàn)綜合信息處理、智能控制、提高產(chǎn)品的集成度和市場影響力。

（1）開放性。采用國際現(xiàn)行標準通信協(xié)議、操作系統(tǒng)和專用調(diào)試軟件，采用符合標準的設備和部件，保證整個系統(tǒng)具有開放特點，增強與異機種、異構(gòu)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)能力。提供標準的數(shù)據(jù)接口、網(wǎng)絡接口、協(xié)議接口及各種應用接口，解決不同系統(tǒng)和產(chǎn)品之間接口和協(xié)議的“標準化”，以便各個系統(tǒng)和產(chǎn)品之間達到互通和互操作性。

（2）模塊化。系統(tǒng)設計、設備選型都必須考慮整個系統(tǒng)的可管理性。系統(tǒng)按模塊化結(jié)構(gòu)設計與實施，以滿足通用性、可替換性。提供必要的調(diào)試工具軟件，通過管理軟件即可實現(xiàn)部分模塊單元的動態(tài)配置、監(jiān)控運行等。

（3）易操作性。系統(tǒng)要求具有良好的用戶界面和管理接口，采用諸如菜單、按鈕等直觀的操作手段和面向目標的管理技術；系統(tǒng)要求具備模式化形式控制，系統(tǒng)具備高智能化的聯(lián)動控制，為整個系統(tǒng)打造更人性化，更快捷簡易的操作界面。