便攜式電動取樣鉆機控制系統(tǒng)研究

盧倩，鄧都都，譚春亮，岳永東

(北京探礦工程研究所，北京 100086)

0 引言

由于電動鉆機具有傳動效率較高、性能安全可靠、調(diào)節(jié)幅度較廣、調(diào)節(jié)控制方便、體積小、重量輕、噪音小、費用省、布置空闊、整潔美觀、自動化程度較高，可以實現(xiàn)文明作業(yè)等一系列優(yōu)點，因此電動鉆機不僅從海洋發(fā)展到了陸地，而且從大型鉆機發(fā)展到了小型鉆機，同時還從制造新型鉆機發(fā)展到了改造舊型鉆機。從發(fā)展的范圍廣和速度快來看，實為鉆井設(shè)備的發(fā)展方向和鉆井操作自動化必由之路，值得我們高度重視[1]。未來，鋰電池將會朝著低成本、高能量、大功率、長壽命、微型化的方向發(fā)展。在這個過程中，除了制造工藝等的技術(shù)創(chuàng)新，最根本的還在于電池設(shè)計與電池材料的革新。電池中每一部件的技術(shù)突破都會帶來電池性能的飛躍[2, 3]，所以應(yīng)用鋰電池為能源開發(fā)便攜式電動取樣鉆機成為可能。

1 控制系統(tǒng)研發(fā)

1.1 電源及控制系統(tǒng)

1.1.1 蓄電池技術(shù)綜述

利用電子元器件控制來實現(xiàn)短路保護、反接保護、過熱保護等功能，能替代一般的充電器，延長蓄電池的生命周期30%以上。主要實現(xiàn)以下功能：

①蓄電池狀態(tài)判定與自適應(yīng)；②各種車輛蓄電池自適應(yīng)；③提供各種檔次的充電電流，準(zhǔn)確控制充電過程，對直流充電電流的大量程(從200 mA到40A/75A)取樣、測量，并根據(jù)測量結(jié)果實時調(diào)整充電機輸出功率；④一般充電機除了提供充電電流輸出的大功率主電源外，需要專門設(shè)計一套小功率輔助電源為控制系統(tǒng)供電，增加了成本和復(fù)雜度，本充電機將輔助電源與主電源融合；⑤自動識別蓄電池正負電極，使得充電機的使用更加“傻瓜化”，提高其易用性；⑥根據(jù)蓄電池狀態(tài)和電流檔位，精確控制充電流程，實現(xiàn)三段式充電，使得充電過程安全高效。

研究國內(nèi)外電動汽車蓄電池的先進技術(shù)，使其應(yīng)用到系列輕便淺層取樣鉆機中，用蓄電池及配套電機取代柴油機和汽油機作為其動力源，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是對蓄電池及配套部件的研究開發(fā)。

1.1.2 鋰電池能量密度

目前高能量密度鋰電池的能量密度從90 Wh/kg提高至250 Wh/kg。過去20年電池能量密度每年提升7%左右，主要是通過技術(shù)進步，不斷增加活性物質(zhì)在電池中的占有比例來實現(xiàn)。高功率密度動力電池目前正極采用LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(或者其他比例的三元正極材料)、LiFePO4，負極采用石墨。單體電芯的能量密度在120～250 Wh/kg，功率密度最高可達4000 W/kg。實際應(yīng)用時電池組的能量密度可以達到80～200 Wh/kg[4]。

1.1.3 輕便淺層取樣鉆機對蓄電池的要求

根據(jù)淺層取樣鉆機的工作場景及特點，其蓄電池的性能要求是：①高能量密度，減少工作中換電池的輔助時間，提高工效；②高功率密度，減小其體積與重量，更換與搬遷方便；③較長的使用壽命，降低取樣成本；④較好的充放電性能，提高能量的轉(zhuǎn)化率；⑤電池型號與電動汽車的電池型號相符，增強其互換性；⑥性價比高，提高市場的接受力；⑦使用維護方便，降低施工人員的勞動強度。

最終課題組設(shè)計的鋰電池參數(shù)見表1。

表1 輕便淺層取樣鉆機鋰電池參數(shù)表

如圖1所示，目前鋰電池廠家可以通過手機藍牙通訊，安裝BMS芯片監(jiān)測鋰電池包中的每塊電池的電量，監(jiān)測電池的溫度和電壓。

圖1 鋰電池監(jiān)測手機軟件

1.2 驅(qū)動電機

為滿足野外鉆探取樣的要求，需要選用合適的驅(qū)動電機。目前1 kW的永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、高速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩脈動較小的特點[5]，1 kW 的永磁同步電機質(zhì)量約4 kg，可過載200%～300%，能量密度大。

1.3 調(diào)速控制器

為了使驅(qū)動電機輸出的轉(zhuǎn)速與扭矩滿足不同取樣鉆機及工藝的需求，研制了調(diào)速控制器。

通過無線實時傳輸，了解現(xiàn)場鉆進工況，還可實現(xiàn)專家遠程同時會診，提出建議意見，優(yōu)化鉆進參數(shù)，調(diào)整鉆井工藝。現(xiàn)場應(yīng)用效果達到設(shè)計目的，可以滿足不同科學(xué)鉆探現(xiàn)場的需求[6]。如圖2所示，可以通過485通訊，安裝電腦程序后，通過有線連接，可以監(jiān)測轉(zhuǎn)速、電壓和電機溫度等。

圖2 控制系統(tǒng)布局圖

顯示屏顯示電量、轉(zhuǎn)速和扭矩，顯示屏質(zhì)量小于0.5 kg，分辨率中等?？刂破鞣旁陔姍C側(cè)面，質(zhì)量小于1 kg，體積小。觸摸屏調(diào)節(jié)較慢，轉(zhuǎn)速用手把連續(xù)調(diào)節(jié)，工作電壓48/60 V，電機功率1 kW，整體質(zhì)量小于30 kg，電源電量大于1 kW·h。

2 功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

如圖3所示，控制器由底層系統(tǒng)和上層系統(tǒng)構(gòu)成。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制器HMI(人機界面)觸摸屏可實時顯示的內(nèi)容包括：設(shè)備電量、電機運行狀態(tài)(轉(zhuǎn)速、輸出扭矩)、設(shè)備工作進程(鉆孔深度)；此外，還具備配置功能參數(shù)以及其他操作系統(tǒng)常用功能。

2.2 控制功能

圖4為輕便電動鉆機控制電路原理圖?？刂葡到y(tǒng)驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，采集電機運行轉(zhuǎn)速、電流等信息，具有一定的堵轉(zhuǎn)保護能力。

圖4 輕便電動鉆機控制電路原理圖

通過監(jiān)控與分析鉆壓、鉆速、扭矩、泵壓等鉆進主參數(shù)及機具反饋參數(shù)，在主機自動控制模式下，最優(yōu)化地調(diào)整鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等可控參數(shù)，達到鉆進工藝與機具參數(shù)監(jiān)測、鉆進參數(shù)控制與鉆進速度效果之間的最優(yōu)化匹配和實時動態(tài)平衡，多快好省地實施快速取心鉆進[7-14]。

香港大學(xué)岳中琦將多變的瞬時鉆進速度轉(zhuǎn)變?yōu)闀r程曲線，通過時程曲線的斜率可以看出每段鉆進時間的平均鉆速，經(jīng)過大量的實踐檢驗發(fā)現(xiàn)，其與地層可以較好的對應(yīng)，如圖5所示?；诂F(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，發(fā)明了金屬礦床數(shù)字鉆孔過程力學(xué)強度檢測方法，鉆孔過程監(jiān)測(DPM)技術(shù)，實現(xiàn)了鉆孔過程參數(shù)實時數(shù)字自動化采集，創(chuàng)建了一套定量分析鉆孔過程參數(shù)時間序列直接算法，發(fā)現(xiàn)了分段線性時程曲線和對應(yīng)分段均勻(常)鉆速，攻克了鉆進速度極大隨機變化的國際性難題，開辟了鉆孔過程監(jiān)測與時間序列分析的巖土強度空間分布定量研究方向。比功的測量只需要給進力、轉(zhuǎn)矩、機械鉆速和轉(zhuǎn)速這些基本鉆進規(guī)程參數(shù)， 計算過程簡單，適宜作為鉆機自動鉆進控制系統(tǒng)中識別地層的模型[15]。

圖5 不同巖土體平均鉆速對比

對于電機的速度控制，使用了一種基于EKF 的PMSM控制系統(tǒng)，利用BP算法計算誤差協(xié)方差矩陣Q，R的最優(yōu)值，提高優(yōu)化速度與精度。將速度滑?？刂破饕约癲-q軸電流解耦引入控制系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明，此系統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子位置測算精度高，轉(zhuǎn)速偏差值在±5 r/min 左右波動，轉(zhuǎn)子位置偏差值在±0.3 rad 左右波動，與傳統(tǒng)PI控制相比，轉(zhuǎn)速恢復(fù)時間縮短了50%，超調(diào)極小，其魯棒性更強，在電機控制中有較強的實際應(yīng)用價值[16-18]。

其PMSM電流方程為

(1)

式中：uα，uβ分別為α，β軸上的定子電壓；iα，iβ分別為α，β軸上的定子電流；ωe為轉(zhuǎn)子角速度；θe為轉(zhuǎn)子電角度；RS為定子電阻；LS為定子電感。

2.3 鉆機自動化智能化研發(fā)系統(tǒng)構(gòu)建

0級為鉆機的開環(huán)控制和數(shù)據(jù)顯示，操作手把可連續(xù)地調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。最基本的顯示包括:①電源電量，②減速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，③輸出軸扭矩，④鉆壓，⑤向下鉆進的速度以時程曲線的形式顯示。數(shù)據(jù)的存儲功能為后續(xù)的自動化智能化鉆進做準(zhǔn)備。

1級為鉆機的自動化閉環(huán)控制:對前期的鉆探數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合鉆探理論知識，應(yīng)用西門子PLC等自動控制器和芯片，根據(jù)鉆探步驟，實行自動鉆進和數(shù)據(jù)的采集和存儲。

3 試驗

表1為試驗過程中對鉆探數(shù)據(jù)進行監(jiān)測后，通過USB實時采集的結(jié)果，導(dǎo)入電腦進行存儲和分析，發(fā)現(xiàn)1 kW電機的功率尚未完全發(fā)揮出來，還有很大的使用空間。鉆機轉(zhuǎn)速超過2000 r/min后，轉(zhuǎn)速測量誤差較大，電路板還需要繼續(xù)改進。下一步將鉆機放在鉆架上，測出鉆速后，才能算出比功，進而對地層進行監(jiān)測。

表1 鉆探試驗采集的數(shù)據(jù)

本次試驗選用比功作為識別地層的模型。為了驗證比功模型識別地層的可靠性，將地層分為土層、巖石和松散層三類。如果試驗效果良好，則在后繼試驗中可擴大巖石類型的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)數(shù)據(jù)庫足夠大時，該模型能夠判斷出每種巖石，這是識別地層模型的最終理想目標(biāo)。比功公式如下：

(2)

式中：F為給進力，N；u為機械鉆速，m/h；w為轉(zhuǎn)矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min；A為孔口面積，m2。

由計算可知，在土層中比功的取值范圍在 0～38.3 MPa 之間，在巖層中比功的取值范圍在114.0～256.6 MPa之間，在松散層中比功取值范圍在33.1～75.0 MPa 之間。

根據(jù)以上三種地層比功的取值范圍，做如下規(guī)定：①比功0～38.3 MPa的地層確定為土層；②比功38.3～75.0 MPa的地層確定為松散層；③由于松散層的最大比功值與巖層的最小比功值不連續(xù)。因此，比功75.0～256.6 MPa的地層確定為巖層。

同時規(guī)定：①在土層中鉆進時，鉆壓取0.368 N/mm2，轉(zhuǎn)速取140 r/min；②在巖層中鉆進時，鉆壓取0.849 N/mm2，轉(zhuǎn)速取160r /min；③在松散層中鉆進時，鉆壓取0.283 N/mm2，轉(zhuǎn)速取70 r/min。

綜上所述，識別地層方案為：自動控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的鉆進參數(shù)計算出的比功在0～38.3 MPa之間，地層確定為土層，與其對應(yīng)的鉆壓為0.368 N/mm2，轉(zhuǎn)速為140 r/min；當(dāng)比功在38.3～75.0 MPa之間，地層確定為松散層，鉆壓為0.283 N/mm2，轉(zhuǎn)速為70 r/min；當(dāng)比功在75.0～256.6 MPa之間，地層確定為巖層，鉆壓為0.849 N/mm2，轉(zhuǎn)速為160 r/min。

以上三個地層中規(guī)定的鉆壓與轉(zhuǎn)速，通過使用 PID 控制算法進行閉環(huán)反饋控制,使鉆機輸出的鉆壓與轉(zhuǎn)速與以上地層設(shè)定的鉆壓與轉(zhuǎn)速相同或相近，達到優(yōu)化鉆進，自動鉆進的目的。

4 結(jié)語

目前,項目組已經(jīng)研發(fā)了基于鋰電池采用永磁同步電機的輕便取樣鉆機。經(jīng)過多次試驗發(fā)現(xiàn)該鉆機結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，過載能力強，能滿足交通不便地區(qū)的電動化采樣工作。研發(fā)的技術(shù)難點主要集中在電池和控制部分，如何以更小的體積和重量提供更多的電能，實現(xiàn)電氣化向電子化的轉(zhuǎn)變，將電氣原件開發(fā)為電子電路，印刷在PCB版上;減速電機和控制器的發(fā)熱，更好地利用電能，實現(xiàn)有效控制，順利完成鉆探工作。