巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

梁鑫

摘 要：為實(shí)現(xiàn)巖心鉆機(jī)作業(yè)自動(dòng)化、智能化，提高鉆機(jī)智能化水平，文中設(shè)計(jì)研發(fā)巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于LabVIEW圖形編程工具設(shè)計(jì)，結(jié)合數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（datalogging and supervisory control，DSC）模塊和工業(yè)控制通訊（OLE for process control，OPC）技術(shù)，

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊、鉆進(jìn)過(guò)程控制模塊、鉆井工況識(shí)別模塊和通信連接模塊的研發(fā)，進(jìn)行了巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型、軟件設(shè)計(jì)，完成了巖心鉆機(jī)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)搭建鉆進(jìn)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，將傳感器4，5，6，7通道用于傳輸模擬量信號(hào)，電源連接線(xiàn)路，在鉆進(jìn)試驗(yàn)中20 Hz變頻器輸出電源頻率，40 r/min轉(zhuǎn)速，1.95 MPa鉆壓，1.25 cm/s進(jìn)尺速度，234.98 N·m立軸轉(zhuǎn)矩。監(jiān)測(cè)到的參數(shù)值與實(shí)際估計(jì)值相符合，達(dá)到監(jiān)測(cè)巖心鉆機(jī)的鉆進(jìn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)的效果;試驗(yàn)平臺(tái)模擬自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與指令輸入，可以控制鉆進(jìn)過(guò)程;該巖心鉆機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，可提高鉆機(jī)設(shè)備鉆進(jìn)工作自動(dòng)化、智能化水平。研究結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：巖心鉆機(jī);自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng);LabVIEW;模塊化;參數(shù)監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：?????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2022）01-0176-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0123開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and application of automatic monitoring

system of core drill

LIANG Xin

（Xi’an Research Institute Co.，Ltd.，

China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Xi’an 710077，China）Abstract：In order to realize the automation and intelligentization of core drilling operations and to improve the intelligent level of drilling rigs，an automatic monitoring system is designed for core drilling rigs.Based on? LabVIEW graphical programming tool design and DSC module as well as OPC technology，the research has been made of the data acquisition module，control module of drilling process，drilling condition identification module and communication connection module.And the hardware selection and software design of automatic monitoring system for core drilling rig are carried out，with the core drilling rig computer data acquisition control system design accomplished.By building the drilling test platform，the 4，5，6 and 7 channels of sensors are used to transmit analog signals and connect power lines.In the drilling test，the 20 Hz frequency transformer outputs the power frequency and the speed is 40r/min.1.95 weight on bit，1.25 cm/s footage speed，234.98 N·m vertical shaft torque.The monitored parameter values are consistent with the actual estimated values，so as to achieve the effect of monitoring the relevant parameters of the drilling process of the core drill.The test platform simulates the data acquisition and command input of the automatic monitoring system，which can control the drilling process.The automatic monitoring system of core drilling rig can improve the automation and intelligent level of drilling equipment.The research results provide a reference for further development of automatic monitoring system technology of core drilling rig.Key words：core drill;automatic monitoring system;LabVIEW;modularization;parameter monitoring

0 引 言

鉆探裝備的進(jìn)步主要體現(xiàn)在設(shè)備的自動(dòng)化、智能化、模塊化、輕便化等方面[1]，隨著我國(guó)現(xiàn)代化工業(yè)水平的逐年提高，對(duì)智能控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)需求也隨之增加。在工業(yè)領(lǐng)域中，鉆探作為直接勘探和開(kāi)采能源的關(guān)鍵手段，出于鉆探行業(yè)對(duì)自動(dòng)化技術(shù)的需求，可以將自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于鉆探工程的鉆進(jìn)過(guò)程中，作為鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)、科學(xué)分析和決策等工作環(huán)節(jié)的重要工具，能夠?qū)崟r(shí)反映鉆進(jìn)工作的具體進(jìn)展情況，從而確保鉆井工作的優(yōu)質(zhì)、安全、快速、高效開(kāi)展[2]。

薛倩冰，張金昌的研究根據(jù)煤層氣壓裂系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，編寫(xiě)了現(xiàn)場(chǎng)壓裂的數(shù)據(jù)采集軟件，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)存軟件，客戶(hù)端的壓裂曲線(xiàn)顯示軟件，采用GPRS或McWiLL等無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)，利用TCP/IP協(xié)議構(gòu)建了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]。目前我國(guó)自動(dòng)化巖心鉆機(jī)技術(shù)已成功開(kāi)發(fā)電控自動(dòng)化系統(tǒng)，采用的技術(shù)包括機(jī)電液一體化[4]、PLC邏輯反饋控制，配置鉆進(jìn)參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，與鉆桿自動(dòng)移擺管系統(tǒng)技術(shù)，這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆進(jìn)過(guò)程自動(dòng)化和信息化，極大的提高了鉆進(jìn)效率[5]。實(shí)現(xiàn)鉆探系統(tǒng)自動(dòng)、智能化發(fā)展是今后行業(yè)發(fā)展必然所趨，目前國(guó)際上多數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家都已成功研發(fā)應(yīng)用了自動(dòng)化鉆探系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，能夠自動(dòng)化控制鉆機(jī)設(shè)備相關(guān)參數(shù)，這樣很大程度降低了鉆機(jī)設(shè)備在運(yùn)行中發(fā)生事故的幾率，也提高了經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[6]。所以文中研究設(shè)計(jì)了巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的自動(dòng)智能水平，為我國(guó)勘探工作提供先進(jìn)工藝技術(shù)設(shè)備，并推廣應(yīng)用該系統(tǒng)培養(yǎng)高素養(yǎng)鉆探技術(shù)隊(duì)伍，從而提升中國(guó)在國(guó)際的地質(zhì)鉆探行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，創(chuàng)造更高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[7]。如今對(duì)鉆探設(shè)備先進(jìn)技術(shù)程度進(jìn)行衡量的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一就是鉆探設(shè)備自動(dòng)化水平高低，想要實(shí)現(xiàn)鉆探設(shè)備自動(dòng)化，就需要與目前先進(jìn)電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆井各規(guī)程參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋鉆井最優(yōu)化規(guī)程參數(shù)，通過(guò)以太網(wǎng)、局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程終端建立實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[8]。雖然將自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用于鉆探作業(yè)中，有效提高了鉆探作業(yè)的安全、快速、高效性，但是就目前來(lái)看學(xué)術(shù)界對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控這一領(lǐng)域的研究成果有限，所以在文中深入研究巖心鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決鉆探技術(shù)和鉆探設(shè)備跨越式發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 鉆進(jìn)過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)總方案

1.1 鉆進(jìn)過(guò)程試驗(yàn)平臺(tái)為滿(mǎn)足巖心鉆機(jī)自動(dòng)化鉆進(jìn)工作所需，本次設(shè)計(jì)鉆機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、控制、鉆機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成，文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于OPC（OLE for Process Control，OLE/COM技術(shù)）和LabVIEW DSC模塊化技術(shù)（LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊），設(shè)計(jì)了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及控制軟件，能夠?qū)︺@進(jìn)工作中優(yōu)化控制采集鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等數(shù)據(jù)，經(jīng)以太網(wǎng)通信無(wú)線(xiàn)路由器，

通過(guò)控制模式經(jīng)ATV71WD30N4，ATV71WD22N4施耐德變頻器，精準(zhǔn)調(diào)控電動(dòng)機(jī)、泥漿泵的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、泵量、泵壓、溫度、鉆速等相關(guān)參數(shù)，并對(duì)這些鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[9]。

1.2 鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測(cè)與硬件選型

1.2.1 鉆壓在鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆壓參數(shù)監(jiān)測(cè)時(shí)，運(yùn)用CST-102通用壓力變送器設(shè)備，選用了高穩(wěn)定性、高精度擴(kuò)散硅充油芯體，運(yùn)用了電子束焊接技術(shù)和隔離膜片，可以采用數(shù)字補(bǔ)償傳感器應(yīng)用產(chǎn)生的靈敏誤差、偏移和溫漂，轉(zhuǎn)換被測(cè)介質(zhì)壓力獲得標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。運(yùn)用壓力變送器設(shè)備獲得液壓油缸的進(jìn)出口壓強(qiáng)參數(shù)，經(jīng)油缸上腔、下腔的橫截面完成進(jìn)出口壓力值計(jì)算，最后獲得鉆進(jìn)壓力。

1.2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)于轉(zhuǎn)速參數(shù)監(jiān)測(cè)，選用IMBTT電感接近開(kāi)關(guān)，作為比較理想接近預(yù)期的電子開(kāi)關(guān)量傳感器設(shè)備。在金屬檢測(cè)體與感應(yīng)區(qū)域接近時(shí)，開(kāi)關(guān)可以無(wú)接觸、無(wú)火花、無(wú)壓力，迅速發(fā)出電氣指令，可以將運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)所處行程和位置準(zhǔn)確反映。該設(shè)備具有較高的精準(zhǔn)重復(fù)定位，運(yùn)行穩(wěn)定可靠性和極強(qiáng)的抗振能力，無(wú)噪音、無(wú)火花等技術(shù)特點(diǎn)[10]。

1.2.3 扭矩扭矩參數(shù)檢測(cè)需要應(yīng)使用變頻器輸出扭矩?cái)?shù)值，通過(guò)計(jì)算獲得鉆機(jī)設(shè)備的主軸扭矩。也可以將獲得的輸出功率值，用于扭矩計(jì)算，針對(duì)液壓鉆機(jī)依靠液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)，因此通過(guò)采集液壓馬達(dá)進(jìn)出口存在的壓差，獲得鉆機(jī)立軸回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。1.2.4 泵壓泵壓作為檢測(cè)液體壓力參數(shù)，無(wú)需經(jīng)傳感器變換物理量，因?yàn)槟酀{內(nèi)含有固相顆粒，所以需要采用專(zhuān)用泵壓測(cè)量傳感器。文中選用CST-121泥漿泵專(zhuān)用壓力變送器，主要是為了應(yīng)對(duì)鉆井、測(cè)井工作中，極易發(fā)生的泥漿堵塞引壓孔，以及所處潮濕、較強(qiáng)振動(dòng)情況下設(shè)計(jì)的檢測(cè)設(shè)備，還能夠準(zhǔn)確檢測(cè)壓力數(shù)據(jù)并滿(mǎn)足遠(yuǎn)距離傳輸[11]。實(shí)現(xiàn)直接安裝傳感器，與被測(cè)介質(zhì)直接接觸無(wú)需隔離，保證了檢測(cè)精度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.2.5 回次進(jìn)尺回次進(jìn)尺作為鉆進(jìn)工作開(kāi)展中的重要參數(shù)，通過(guò)計(jì)算當(dāng)前和上次孔深存在差值結(jié)果即可。所以對(duì)于每次下鉆需要記錄2個(gè)數(shù)值：上次孔深值和目前孔深差值，獲得回次進(jìn)尺檢測(cè)結(jié)果。

1.2.6 泵量選擇IMBTT電感式接近開(kāi)關(guān)用于泵量檢測(cè)，將傳感器在泥漿泵的轉(zhuǎn)盤(pán)側(cè)安裝，經(jīng)泥漿泵大轉(zhuǎn)盤(pán)的具體轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)測(cè)量后，計(jì)算獲得泵沖進(jìn)而得出泵量。1.2.7 本次檢測(cè)鉆速選用WEP50-A1型拉線(xiàn)式傳感器[12]，測(cè)量所獲單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的位移，能夠達(dá)到1 000 mm量程，0～5 V輸出電壓信號(hào)，0.1%線(xiàn)性度，1 m線(xiàn)纜接出長(zhǎng)度，IP65防護(hù)等級(jí)，可以檢測(cè)2 000 000次。

1.2.8 大鉤載荷選用CXH-105旁壓張力傳感器，主要用于對(duì)鋼絲繩張力測(cè)量。經(jīng)U型螺栓固定于傳感器上，一旦鋼絲繩所受拉力，可以向傳感器經(jīng)導(dǎo)向輪施加作應(yīng)力，能夠達(dá)到簡(jiǎn)便安裝，后期方便維修。在鋼絲繩的繩端安裝，只需選擇鋼絲繩直徑，在鋼絲繩上應(yīng)用環(huán)套測(cè)量獲得拉力，標(biāo)定計(jì)算后可獲大鉤載荷。

1.2.9 孔深通過(guò)進(jìn)尺累計(jì)獲得孔深，排除其他原因存在抖動(dòng)、提鉆等干擾因素所致誤差下，在鉆進(jìn)模式下累計(jì)進(jìn)尺獲得高精度孔深數(shù)據(jù)，運(yùn)用移位寄存器對(duì)孔深數(shù)值主動(dòng)取舍。

1.2.10 鉆頭位置對(duì)于鉆進(jìn)工作中孔深作為鉆頭所處位置，需要在提下鉆模式下，上升下放提引器次數(shù)，作為上提下放鉆桿根數(shù)。上提過(guò)程中孔深減去提出鉆桿長(zhǎng)度，也就是鉆頭所在位置。下方累計(jì)鉆桿長(zhǎng)度，即鉆頭所在位置。

1.3 鉆進(jìn)參數(shù)采集在采集鉆進(jìn)參數(shù)中，根據(jù)安裝各處傳感器設(shè)備測(cè)量所獲信號(hào)，處理后轉(zhuǎn)換信號(hào)量值為統(tǒng)一電信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡向計(jì)算機(jī)輸入檢測(cè)量。選擇ADAM-6000系列模塊，基于以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，提供數(shù)據(jù)模擬量、數(shù)字量、繼電器各值的輸入和輸出，選用MODBUS TCP/IP通信協(xié)議，擁有獨(dú)特I/O群組化設(shè)計(jì)，將ADAM-6000系列用于獲取并控制數(shù)據(jù)的優(yōu)秀產(chǎn)品[13]。采集模擬量選用ADAM-6017智能A/D轉(zhuǎn)換功能模塊，基于以太網(wǎng)8路帶DO模擬量輸入模塊，設(shè)計(jì)模擬輸入和輸出分別為8路、2路，提供Max，Avg，Min等數(shù)學(xué)函數(shù)功能，具備較高采集精度、較快通訊、安裝快捷抗干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)[14]。采集數(shù)字量選用ADAM-6050，基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制功能模塊，18道隔離數(shù)字量I/O模塊，具備過(guò)壓保護(hù)、容錯(cuò)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，支持干接點(diǎn)、濕接點(diǎn)，可以達(dá)到10/100 Mbps通信速率。

2 鉆進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件需求軟件設(shè)計(jì)需要經(jīng)過(guò)制定計(jì)劃、分析需求、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，通過(guò)建立生命周期模型，考慮文中系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需選擇瀑布模型為主，包括分析需求、設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試、維護(hù)不同階段，分析鉆機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能，就是需要精準(zhǔn)穩(wěn)定的采集并顯示鉆進(jìn)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算采集所獲信號(hào)，將結(jié)果反饋給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，執(zhí)行相應(yīng)的鉆機(jī)啟停、提鉆、下鉆，調(diào)節(jié)鉆進(jìn)工作中的扭矩、泵量、鉆壓、轉(zhuǎn)速等設(shè)備參數(shù)[15]。不僅如此，軟件自身還可以啟動(dòng)設(shè)計(jì)基本參數(shù)，用戶(hù)管理，保存所采集原始數(shù)據(jù)與工程量數(shù)據(jù)，查詢(xún)、打印和及時(shí)故障預(yù)警等系統(tǒng)功能。該軟件設(shè)計(jì)采用了分體總和的模塊化設(shè)計(jì)，優(yōu)勢(shì)在于靈活操作性以及后續(xù)系統(tǒng)易于拓展升級(jí)。

2.2 界面設(shè)計(jì)用戶(hù)界面作為該自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)操作中直接面向用戶(hù)的窗口，保證用戶(hù)界面的良好操作，能夠

節(jié)省用戶(hù)的操作時(shí)間，并且能夠在一些情況下避免發(fā)生故障。運(yùn)用LabVIEW設(shè)計(jì)每一個(gè)功能模塊相應(yīng)的子程序界面，在該監(jiān)控系統(tǒng)的窗口菜單，主要包括了系統(tǒng)設(shè)置、用戶(hù)管理、恒鉆速鉆進(jìn)、恒鉆壓鉆進(jìn)、提升和下放、打撈繩索、數(shù)據(jù)管理多個(gè)界面，可以通過(guò)執(zhí)行不同主界面功能，對(duì)鉆進(jìn)過(guò)程各參數(shù)直接監(jiān)控。根據(jù)主菜單按鍵調(diào)用數(shù)組函數(shù)Ⅵ

方法，圖2為框圖程序選用While Loop循環(huán)結(jié)構(gòu)，

設(shè)計(jì)程序前面板的各界面，在設(shè)計(jì)的框圖程序While Loop循環(huán)結(jié)構(gòu)中，Build Array.vi函數(shù)為輸入元素，在運(yùn)行各功能程序中選定按下某軟按鍵后，輸入相應(yīng)“True”值，否則“False”。

劃分的8個(gè)功能模塊子Ⅵ分別作為Ⅵ1，Ⅵ2，Ⅵ3，…，VI8，在磁盤(pán)中存放調(diào)用數(shù)組函數(shù)Ⅵ的方法，根據(jù)前面所用Build，Search 1D和Index等Array.vi函數(shù)，彼此連接，如圖3所示。選中按下某面板軟按鍵后，可以自動(dòng)轉(zhuǎn)入相應(yīng)的軟件程序中，判斷條件框圖并調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)功能模塊子Ⅵ。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)巖心鉆機(jī)在鉆進(jìn)中顯示設(shè)備參數(shù)，是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鉆進(jìn)參數(shù)能夠?qū)@井井下工況、地層信息、鉆機(jī)性能情況準(zhǔn)確反映，并且可以提供鉆進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化控制反饋信息，獲得準(zhǔn)確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制輸出信號(hào)[16-17]。圖4作為鉆進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)圖，直觀的顯示所監(jiān)測(cè)采集的鉆進(jìn)參數(shù)，方便對(duì)鉆進(jìn)工況的進(jìn)一步分析處理。在數(shù)據(jù)采集模塊中顯示各類(lèi)采集的設(shè)備參數(shù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)不同計(jì)算機(jī)設(shè)備中、不同子功能VI間，或是同程序之間做到數(shù)據(jù)循環(huán)交換。該模塊采集的鉆進(jìn)參數(shù)包括了鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)矩、泵量、鉆速5類(lèi)派生參數(shù)，以采集鉆壓為例過(guò)程如下：

采集直測(cè)參數(shù)包括了鉆機(jī)油缸的上下腔壓力，公式為

P=7.460 9U-6.792 7;泵壓標(biāo)定公式為

P=3.749 7U-3.748 3;拉線(xiàn)位移傳感器在標(biāo)定試驗(yàn)所獲標(biāo)定公式 L=20.04U-0.049 9。采集派生參數(shù)包括了鉆機(jī)工作中的加壓、減壓、稱(chēng)重3類(lèi)情況[18-20]。計(jì)算減壓情況下的鉆進(jìn)鉆壓公式為

Hlost為上次提鉆稱(chēng)重時(shí)存儲(chǔ)至文件內(nèi)孔深值;C為常數(shù)用于調(diào)整計(jì)算精準(zhǔn)度。2.4 鉆進(jìn)過(guò)程控制模塊對(duì)于巖心鉆機(jī)在鉆進(jìn)工藝中，控制整個(gè)鉆進(jìn)過(guò)程不僅需要控制鉆機(jī)運(yùn)行動(dòng)作，還需要為了實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)指標(biāo)最優(yōu)化，精準(zhǔn)調(diào)控鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量以上三大重要鉆進(jìn)參數(shù)。鉆探工作開(kāi)展中對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)造成影響的諸多因素，包括鉆頭類(lèi)型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、直徑、孔深深度結(jié)構(gòu)、鉆探設(shè)備的功率與技術(shù)性能等。在巖心鉆機(jī)的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際操作中，整個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜幾乎結(jié)合了全部基本動(dòng)作，采用ADAM-6066功率繼電器控制模塊，在計(jì)算機(jī)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)與配套泥漿泵電機(jī)啟停、移車(chē)、松緊卡盤(pán)、加減壓、泵量大小等基本動(dòng)作。在恒鉆壓鉆進(jìn)模塊控制操作中，由于鉆孔內(nèi)鉆壓的變動(dòng)范圍較大，所以可以將發(fā)生的地層變化情況為依據(jù)，分段控制孔內(nèi)孔深。例如可以設(shè)定50 m為間隔不改變鉆壓，下段50 m則依據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)具體反饋情況，調(diào)節(jié)鉆壓直至固定在一定范圍，這樣每完成一段優(yōu)化控制直至全部鉆孔完成。在定切入量鉆進(jìn)模塊控制操作中，需要借助鉆壓有效調(diào)控定切入量鉆進(jìn)，才能夠優(yōu)化鉆頭，那么就應(yīng)當(dāng)對(duì)鉆壓、轉(zhuǎn)速或沖洗液量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)相應(yīng)的調(diào)整切入量。在大量試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程中，可以調(diào)節(jié)定切入量為0.10～0.125 mm/r，與文中研究巖心鉆機(jī)設(shè)備特點(diǎn)結(jié)合，獲得鉆壓、切入量二者的變化趨勢(shì)[21]。在鉆速功率比控制模塊中，結(jié)合多年工作實(shí)踐與試驗(yàn)成果，在復(fù)雜的深孔鉆進(jìn)地層條件下，越高的孔底溫度，就有著更高的鉆探設(shè)備與相應(yīng)配套的鉆具技術(shù)要求。為了提出鉆速功率比控制鉆進(jìn)優(yōu)化模式，需解決鉆進(jìn)總功率消耗方面，包括鉆頭克服水平阻力、循環(huán)泥漿內(nèi)的鉆具自轉(zhuǎn)消耗功率、反轉(zhuǎn)鉆具所要克服循環(huán)液阻力消耗功率、孔壁摩阻力所需鉆具消耗功率以及縱向振動(dòng)消耗功率、橫向振動(dòng)消耗及其他消耗的功率等問(wèn)題，文中提出實(shí)時(shí)鉆速功率比優(yōu)化決策公式如下[22]

式中 N為總功率消耗，W;N1為鉆柱空轉(zhuǎn)系功率消耗，W;N2為附加功率消耗，W;N3為井底鉆頭破碎巖石消耗功率，W;NROP為單位內(nèi)進(jìn)尺所需消耗比能。在提升、下放鉆具模塊中，設(shè)計(jì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以減少非鉆進(jìn)時(shí)間和人力、財(cái)力成本投入，但是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)功能復(fù)雜，所以在此以單個(gè)鉆柱自動(dòng)提下鉆過(guò)程控制為例，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)控制方案，對(duì)于鉆桿提升下放過(guò)程中，以提引器所在位置為依據(jù)，改變卷筒轉(zhuǎn)速。交流變頻驅(qū)動(dòng)能夠獲取優(yōu)異起制動(dòng)以及優(yōu)異調(diào)速性能，擁有高功率、高效率與節(jié)能性。在繩索打撈過(guò)程的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)中，監(jiān)控打撈器下放、以及內(nèi)管提升過(guò)程中的速度、巖心管所在位置以及過(guò)程所遇阻力參數(shù)，能夠

有效控制繩索絞車(chē)。

2.5 通信連接設(shè)計(jì)運(yùn)用共享變量實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)可以基于計(jì)算機(jī)VI、本地不同VI和同程序框圖間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)交換。經(jīng)過(guò)RJ-45連接器與ADAM-6000系列模塊相連接，經(jīng)網(wǎng)線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)HUB連接，滿(mǎn)足10～100 M通信網(wǎng)速。計(jì)算機(jī)終端經(jīng)Adam.NET Utility軟件配置測(cè)試自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)備，各模塊配置界面（圖5）。

對(duì)于項(xiàng)目管理器可以運(yùn)用OPC Server軟件Modbus TCP Configurator建立I/O Server提供OPC接口，之后建立約束變量，即可連接傳感器信號(hào)和LabVIEW程序，完成系統(tǒng)編程可以獲得實(shí)際所需鉆進(jìn)參數(shù)值和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)控制[23]。

3 試驗(yàn)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，整個(gè)取樣系統(tǒng)分為3部分，機(jī)械部分、電子監(jiān)控部分、萬(wàn)米光纜、PC機(jī)。機(jī)械部分由長(zhǎng)沙礦山研究研設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，而取樣鉆機(jī)的電子監(jiān)控系統(tǒng)則是文中重點(diǎn)設(shè)計(jì)內(nèi)容。在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試最主要的問(wèn)題在于無(wú)法獲取萬(wàn)米光纜，萬(wàn)米光纜只有到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試才能獲取到，因此在實(shí)驗(yàn)室模擬調(diào)試的重點(diǎn)工作之一就是模擬設(shè)計(jì)萬(wàn)米光纜。根據(jù)電纜制造廠(chǎng)商給出的電纜參數(shù)：每千米單根電纜分布電容0.1 uF，電阻20 Ω，在實(shí)驗(yàn)室里可以簡(jiǎn)單搭建一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬萬(wàn)米光纜（圖6）。

工作人員操作PC機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)與電子監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)通訊，通過(guò)點(diǎn)擊上位機(jī)對(duì)應(yīng)的功能按鈕鍵，開(kāi)啟和關(guān)閉電子監(jiān)控系統(tǒng)中的繼電器通和斷，從而控制取樣鉆機(jī)開(kāi)啟和停止，全壓、高壓、中壓還是低壓工作。燈、攝像頭、高度計(jì)、油馬達(dá)開(kāi)啟和停止控制，以及支腿動(dòng)作控制、卸荷閥和輔助閥的打開(kāi)和關(guān)閉過(guò)程類(lèi)似電機(jī)的開(kāi)啟和停止控制（圖7、圖8）。

經(jīng)過(guò)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的檢驗(yàn)，采集信號(hào)能正確顯示采集數(shù)值，進(jìn)一步到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)際鉆進(jìn)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。首先將鉆機(jī)上安裝傳感器與ADAM-6000系列模塊和24 V電源進(jìn)行線(xiàn)路連接，對(duì)于油缸、上下腔壓力、泵壓和位移傳感器輸出的模擬量信號(hào)依次分別連接在ADAM-6017模塊的4，5，6，7通道上，確保計(jì)算機(jī)程序上的通道與實(shí)際連接通道相吻合，將鉆機(jī)立軸轉(zhuǎn)速和泥漿泵量檢測(cè)的傳感器連接在ADAM-6050模塊的DI5，6通道上，然后與電源連通，再重新確定線(xiàn)路連接是否正確。整個(gè)連接過(guò)程如圖4所示。下一步接通24 V電源，利用計(jì)算機(jī)搜索無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行模塊配置，一切準(zhǔn)備就緒，開(kāi)動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行對(duì)鉆參的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)將傳感器模塊連接24 V電源線(xiàn)路，分別通過(guò)傳感器4，5，6，7通道傳輸模擬量信號(hào)，保證計(jì)算機(jī)程序通道相吻合實(shí)際連接通道，接通電源確保線(xiàn)路連接正確。本次測(cè)試鉆進(jìn)試驗(yàn)測(cè)得記錄數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

上位機(jī)經(jīng)過(guò)雙絞線(xiàn)、RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換卡與多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表AOB192E-9T4相連接，選擇串行端口為COM1，通信波特率設(shè)置為9 600 bit/s，無(wú)奇偶校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位;多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表通信波特率同樣設(shè)置為9 600 bit/s。完成相關(guān)設(shè)置后，從上位機(jī)發(fā)送16進(jìn)制讀儀表寄存器命令幀“0103 00 2E 0026 A4 19”。從機(jī)接收命令幀之后，

向主機(jī)返回一串包含起始寄存器地址為002EH的連續(xù)38個(gè)16位的數(shù)據(jù)幀信息。

當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行工作時(shí)，鉆機(jī)供電系統(tǒng)的三相電壓、三相電流總有功功率總無(wú)功功率總功率因數(shù)參數(shù)值依次為甲板A相電壓366.95 V，B相電壓368.21 V，C相電壓367.58 V;甲板A相電流29.49 A，B相電流31.07 A，C相電流30.63 A;總有功功率18 288.24 W、總無(wú)功功率3 811.75 W?？偣β室驍?shù)0.98。監(jiān)測(cè)到的電力參數(shù)值與實(shí)際估計(jì)值相符合，說(shuō)明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功。在鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)幾個(gè)問(wèn)題，一是無(wú)線(xiàn)路由器因運(yùn)行環(huán)境影響，自身性能受到一定限制，二是在鉆進(jìn)過(guò)程中的鉆壓、進(jìn)尺的參數(shù)要保證準(zhǔn)確合理，可以通過(guò)改變DI地址偏移量來(lái)成功解決此問(wèn)題。采用計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)電磁換向閥，能夠鉆機(jī)立軸自動(dòng)倒桿，試驗(yàn)中可以連接線(xiàn)路，切換液壓油路，這樣僅僅通過(guò)控制受益流閥、電磁換向閥，就能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)鉆進(jìn)過(guò)程中存在的問(wèn)題：未形成系統(tǒng)壓力，換向閥無(wú)法換向。經(jīng)分析認(rèn)為是由于未疏通油路存在堵塞故障，所致油管憋熱，油路改進(jìn)設(shè)計(jì)存在根本問(wèn)題。通過(guò)檢測(cè)液壓閥在多次嘗試后，發(fā)現(xiàn)因?yàn)檫^(guò)大流量所致閥門(mén)芯堵死，經(jīng)過(guò)檢修之后恢復(fù)正常。

4 結(jié) 論

1）研制了巖心鉆進(jìn)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化，包括數(shù)據(jù)采集模塊、鉆進(jìn)過(guò)程控制模塊、鉆井工況識(shí)別模塊和通信連接。

2）提出巖心鉆機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，提高了鉆機(jī)設(shè)備鉆進(jìn)工作自動(dòng)化、智能化水平，有良好的技術(shù)應(yīng)用前景。

3）試驗(yàn)測(cè)試中通過(guò)該系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題提出相應(yīng)的解決對(duì)策，運(yùn)用LabVIEW和OPC技術(shù)，確保了本問(wèn)題提出的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)方案合理可行性，達(dá)到了監(jiān)測(cè)巖心鉆機(jī)的鉆進(jìn)過(guò)程相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且可以控制鉆進(jìn)過(guò)程。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 朱興，樊巖松，韓冰.國(guó)產(chǎn)全液壓鉆機(jī)的研制與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2014，42（6）：20-23.

ZHU Xing，F(xiàn)AN Yansong，HAN Bing，et al.Development and application of domestic hydraulic drilling rig[J].China Petro-Leum Machinery，2014，42（6）：20-23.

[2]陳斌.礦用鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2020，35（

1）：208-209.

CHEN Bin.Application analysis of mine drilling rig monitoring system[J].Machinery Management Development，2020，35（

1）：208-209.

[3]薛倩冰，張金昌.智能化自動(dòng)化鉆探技術(shù)與裝備發(fā)展概述[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2020，47（4）：9-14.

XUE Qianbing，ZHANG Jinchang.Advances in intelligent auto-matic drilling technologies and equipment[J].Exploration Engineering（Rock & Soil Drilling and Tunneling），2020，47（4）：9-14.

[4]米樹(shù)剛，李建華，李健.CSD1800ZD型自動(dòng)化巖心鉆機(jī)的應(yīng)用與分析[J].探礦工程，2021，48（2）：94-99.

MI Shugang;LI Jianhua;LI Jian.Application and analysis of CSD1800ZD automatic core drill [J].Exploration Engineering，2021，48（2）：94-99.

[5]韓同方.鉆機(jī)提升平臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)在石油勘探中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].機(jī)械與電子，2020，38（4）：57-62.

HAN Tongfang.Design and application of safety monitoring system for drilling rig lifting platform in petroleum exploration[J].Machinery and Electronics，2020，38（4）：57-62.

[6]陳艷娟，陳建林，唐敏，等.全液壓坑道鉆機(jī)自動(dòng)上、下鉆桿裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析[J].煤礦機(jī)械，2019，40（6）：5-8.

CHEN Yanjuan，CHEN Jianlin，TANG Min，et al.Design and simulation analysis of the hydraulic system of the fully hydraulic tunnel drilling rig for automatic up and down drill pipe devices[J].Coal Mine Machinery，2019，40（6）：5-8.

[7]張始齋.ZYWL-4000SY履帶式自動(dòng)鉆機(jī)雙夾持器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2019，40（10）：7-9.

ZHANG Shizhai.ZYWL-4000SY double gripper hydraulic system design of crawler automatic drilling rig[J].Coal Mine Machinery，2019，40（10）：7-9.

[8]黃雷，文國(guó)軍，張奧東.基于Web的非開(kāi)挖鉆機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2016，37（4）：82-85.

HUANG Lei，WEN Guojun，ZHANG Aodong.Web-

based remote monitoring system for trenchless drilling rigs[J].Automation Instrumentation，2016，37（4）：82-85.

[9]劉小華.基于AMESim的ZKL-4000SY自動(dòng)鉆機(jī)機(jī)械手傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究[J].礦山機(jī)械，2016，4（10）：9-13.

LIU Xiaohua.Research on the ZKL-4000SY automatic drilling rig manipulator dip adjustment system based on AMESim[J].Mining Machinery，2016，4（10）：9-13.

[10]徐竟天，李樹(shù)剛，張乃祿，等.基于S7-300軟冗余的鉆機(jī)自動(dòng)送鉆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].石油機(jī)械，2009，37（9）：98-101.

XU Jingtian，LI Shugang，ZHANG Nailu，et al.Design of automatic drill feed control system based on S7-300 soft redundancy[J].Petroleum Machinery，2009，37（9）：98-101.

[11]劉小華.ZKL-4000SY自動(dòng)鉆機(jī)機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2017，45（15）：67-70.

LIU Xiaohua.Design of hydraulic system of ZKL-4000SY automatic drilling rig manipulator[J].Machine Tool and Hydraulics，2017，45（15）：67-70.

[12]陳春霞.基于PLC的石油鉆機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)與控制方法研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測(cè)，2014（2）：15-18.

CHEN Chunxia.Research on automatic control system and control method of oil drilling rig based on PLC[J].Instrumentation，Analysis and Monitoring，2014（2）：15-18.

[13]張鴻雁.一種應(yīng)用于配備管柱自動(dòng)化處理系統(tǒng)的鉆機(jī)故障診斷系統(tǒng)研究[J].中國(guó)機(jī)械，2020（5）：57-58.

ZHANG Hongyan.Research on a drilling rig fault diagnosis system equipped with a pipe string automatic processing system[J].China Machinery，2020（5）：57-58.

[14]李傳偉，常關(guān)羽，于振興.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的石油鉆機(jī)設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，31（2）：159-165.

LI Chuanwei，CHANG Guanyu，YU Zhenxing.Design and implementation of remote monitoring system for oil rig equipment based on wireless sensor network[J].Journal of Northwestern Polytechnical University，2013，31（2）：159-165.

[15]張乃祿，郭晶，徐竟天，等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鉆機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].石油機(jī)械，2009，37（2）：53-55.

ZHANG Nailu，GUO Jing，XU Jingtian，et al.Research on the safety monitoring system of drilling rigs based on fuzzy neural network[J].Petroleum Machinery，2009，37（2）：53-55.

[16]雷萬(wàn)年，陳航.針對(duì)防沖卸壓的自動(dòng)鉆機(jī)優(yōu)化與應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2020，41（8）：142-144.

LEI Wannian，CHEN Hang.Optimization and application of automatic drilling rig for anti-scouring and pressure relief[J].Coal Mine Machinery，2020，41（8）：142-144.

[17]王清峰，陳航.基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動(dòng)輸送系統(tǒng)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2020，47（1）：1-6.

WANG Qingfeng，CHEN Hang.Research on a large-capacity drill pipe automatic conveying system based on path planning[J].Mining Safety and Environmental Protection，2020，47（

1）：1-6.

[18]陳晨，梁雪慧，曹增輝，等.模塊鉆機(jī)平臺(tái)數(shù)字化管理系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2016（3）：71-73.

CHEN Chen，LIANG Xuehui，CAO Zenghui，et al.Research on the digital management system of the modular drilling rig platform[J].Industrial Instrumentation and Automation，2016（3）：71-73.

[19]叢萬(wàn)生，鄭明建，楊向前.基于IPC、PLC、PROFIBUS的電動(dòng)鉆機(jī)智能控制系統(tǒng)[J].石油機(jī)械，2004，32（11）：36-40.

CONG Wansheng，ZHENG Mingjian，YANG Xiangqian.Intelligent control system of electric drilling rig based on IPC，PLC and PROFIBUS[J].Petroleum Machinery，2004，32（11）：36-40.

[20]閆保永.全液壓自動(dòng)送鉆技術(shù)控制系統(tǒng)的研究[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2016，43（6）：64-67.

YAN Baoyong.Research on the control system of full hydraulic automatic drilling technology[J].Prospecting Engineering-Rock and Soil Drilling and Tunneling Engineering，2016，43（6）：64-67.

[21]張鵬飛，魏培靜，田德寶，等.石油鉆機(jī)集成控制虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研制[J].石油機(jī)械，2017，45（1）：1-5.

ZHANG Pengfei，WEI Peijing，TIAN Debao，et al.Development of a virtual simulation training system for integrated control of oil drilling rigs[J].Petroleum Machinery，2017，45（

1）：1-5.

[22]楊燕鴿.礦用鉆機(jī)機(jī)械手自動(dòng)上下鉆桿機(jī)構(gòu)的控制方法[J].煤礦機(jī)械，2017，38（6）：100-102.

YANG Yange.The control method of the automatic upper and lower drill rod mechanism of the mining rig manipulator[J].Coal Mine Machinery，2017，38（6）：100-102.

[23]劉慶修.ZDY850LK煤礦坑道用遠(yuǎn)控鉆機(jī)[J].煤礦安全，2018，49（1）：139-141.

LIU Qingxiu.ZDY850LK remote control drilling rig for coal mine tunnels[J].Coal Mine Safety，2018，49（1）：139-141.

2089501705350