全液压钻机负载敏感控制系统研究

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(成都理工大学 核技术与自动化工程学院， 四川 成都　610059)

引言

随着计算机与自动化控制技术的快速发展以及其向工程领域的不断渗透，现代工程机械正处于机电液一体化的发展时代[1]。目前，全液压钻机在钻探领域得到了广泛应用，随着液压技术的发展，必将成为未来钻机的发展方向。同时，负载敏感控制技术因具有节能、效率高等特点，在液压钻机领域的应用得到了发展，尤其是在石油钻机中的应用较多[2,3]。随着自动化技术的发展，为了提高钻进效率，全液压钻机的自动化技术也越来越得到研究与应用。将负载敏感控制技术和PLC(Programmable Logic Controller)自动控制技术引入到全液压钻机中，通过编程实现全液压钻机负载敏感系统的自动化控制，不但能实现节能，而且能提高工作效率、降低司钻的工作强度。

本研究以某公司生产的ZDY540煤矿用全液压钻机为研究对象，设计了全液压钻机负载敏感液压控制系统，利用S7-200可编程控制器、行程开关、压力继电器对其控制系统进行电气改造，通过编程实现钻进、起钻、下钻、拧紧钻杆、拆卸钻杆等动作的自动化进行，以此实现更高效的钻进。并配以压力传感器、流量传感器和触摸屏等监测显示设备，实时监控钻机的工作状态，能及时发现并处理钻机的故障事故。

1　ZDY540全液压钻机结构及原理

ZDY540钻机的主体结构如图1所示。

1.动力头　2.给进装置　3.液压夹持器　4.机架图1　ZDY540全液压钻机结构图

动力头1由液压马达、变速箱和液压卡盘组成，安装在给进装置2的拖板上，借助单给进油缸的直推作用，沿机身导轨往复移动。液压卡盘采用碟形弹簧夹紧、液压松开的常闭式结构，在弹簧或液压油的作用下夹紧或松开钻杆，液压马达在液压油的作用下完成正转或反转动作， 液压卡盘和液压马达两者共同作用完

成钻进回转工作。液压夹持器3与液压卡盘工作原理相同，起辅助作用，防止钻杆滑动，配合动力头中回转器和液压卡盘的动作，完成起下钻以及拧紧和拆卸钻杆的工作。机架4用于安装钻机及调整钻孔倾角，改变前、后横梁在立柱和支撑杆上的位置，可以调整机身的倾角，以适应钻进不同倾角钻孔的要求[4]。

2　全液压钻机液压系统设计

ZDY540全液压钻机所配的液压控制系统为传统液压系统。为了提高工作效率，在液压卡盘、液压夹持器以及给进油缸的控制上实现了联动，在起下钻的过程中能够较为方便地实现液压卡盘和液压夹持器的联动配合，能够在一定程度上提高工作效率。但是，在起下钻过程中，液压卡盘和液压夹持器的动作会滞后于给进油缸的动作，这会加快钻杆本身的磨损，并且传统控制阀均为手动控制方式，工作效率低，能量消耗大。为实现全液压钻机的自动化控制和节能，采用负载敏感技术设计钻机的液压系统，如图2所示。

负载敏感液压系统采用阀控负载敏感方式，在该负载敏感液压系统中， 液压马达和给进油缸的负载压力信号经过梭阀比较后，经过阻尼器作用在定差溢流阀的弹簧腔，通过定差溢流阀的调节作用使系统压力值始终为负载压力值与弹簧力之和，即泵出口压力在工作期间与变化的负载压力持续匹配，从而实现系统节能。液压马达和给进油缸的控制方式相同，电磁换向阀液压油进口处均装有定差减压阀，具有负载补偿功能，使得各换向阀彼此独立，各执行部件能够同时并相互独立以不同速度和压力工作，有助于降低钻杆的磨损。当负载压力高过安全阀的预设值时，系统安全阀打开，起到保护系统的作用。

1.液压夹持器　2.液压卡盘　3.负载敏感多路电磁换向阀　4.压力传感器　5.流量传感器　6.液压马达　7.行程开关　8.给进油缸　9.温度传感器　10.油箱　11.电机　12.液压油泵　13.过滤器　14.多路电磁换向阀　15.压力继电器图2　全液压钻机负载敏感系统原理图

3　钻机控制系统设计

3.1　控制系统结构设计

在液压系统中，采用一个负载敏感多路电磁换向阀来控制给进油缸和液压马达的流量和压力，一个多路电磁换向阀来控制液压卡盘和液压夹持器的夹紧与松开，两种电磁换向阀均配有手动操作手柄。钻机在工作过程中需要完成多种工序，其主要工作工序有钻进、起钻、下钻、起钻倒杆、下钻倒杆、拧紧钻杆、拆卸钻杆等七种。使用传统液压系统时，所有动作均通过人工操作手动换向阀来打开或关闭阀口以及调整阀口的大小来完成，操作强度高，工作效率低。为此，采用PLC自动控制技术来提高钻机的自动化水平，通过PLC编程实现各电磁阀的自动动作，以此来完成各工作工序，在每一个工序过程中，各电磁阀可同时开启或关闭，也可先后动作，最终配合完成钻机工作。PLC控制系统框图如图3所示。

图3　PLC控制系统框图

3.2　系统硬件设计

1) 控制系统PLC和HMI的选择

根据钻机控制对象I/O情况及控制要求，系统选用西门子S7-200 CPU226型PLC。该机具有24输入/16输出共40个数字量I/O，具有13 KB的程序和数据存储空间，拥有2个RS-485通信/编程口，可方便与PC连接编程，以及与HMI的数据通信[5]。本机能够较好地满足ZDY540钻机的控制要求，并留有了足够的I/O点余量，便于今后的扩展。

为实现对PLC的控制与钻机参数的显示，选用TP177A触摸屏[6]实时检测钻机的工作参数和监控钻机的工作状态，并在实现硬件开关控制的同时实现触摸屏的软件控制，方便操作人员现场操控，同时对设备维修也起到辅助作用。

2) 扩展模块和附件选择

CPU主机无内置模拟量输入点，通过连接2个EM系列的模拟量I/O扩展模块，可增加16个模拟量输入点(包括4个标准电流输入点)，以此检测钻机不同工作状态下的压力值和流量值，以及液压油温度和液位。

同时，为记录钻机工作过程中的工艺参数，选取西门子64 KB存储卡供数据记录使用。

3) 自动化控制实现

全液压钻机的自动化控制通过PLC编程控制各电磁阀的通断和开口量大小来实现。各工序的编程实现采用模块化编程方式[7]，相互独立的同时相互制约，任一工序未完成或人为停止之前其他工序均被互锁而无法启动，保证了钻机的正常有序工作，防止误操作。

4) 监控和事故处理

在全液压钻机的PLC控制系统中，除了利用逻辑控制功能实现各工序的自动化以外，同时也使用了许多外部监控设施。温度传感器实时监测油温，将数据传送到PLC中，在程序中设置温度的报警阀值，当温度达到阀值时，PLC即发出报警信号，提醒司钻人员检查冷却器的工作状况[6]。液位传感器监测液压站邮箱油位，当油位过高或过低时，PLC都会发出警示信号。系统运转时间过长，液压油中混入一定量的杂质，会加快各执行件的磨损，甚至损坏，当液压油中的杂质引起回油过滤器的堵塞时，过滤器的电接点接通指示过滤器故障。系统中压力传感器和流量传感器测得信号经过模拟量模块EM231的A/D转换，传送给PLC进行处理，最终在HMI中显示压力和流量的实时数据，同时利用64 K存储卡记录钻井参数，方便以后使用。

3.3　系统软件设计

1) 控制程序设计

通过控制面板的转换开关，PLC控制系统可实现手动/自动两种控制模式。系统上电复位以后，自动对系统参数进行初始化[5]。各工序的控制程序以模块化形式编制在不同的子程序中，分别用不同的使能条件来调用。在程序编制的过程中，流程图设计是其中的一个重要环节。采用顺序控制设计法设计PLC梯形图程序，最终实现钻机运行的自动化。以钻进工序为例，其自动化运行流程图如图4所示。

图4　钻进工序流程图

模拟量处理程序编制在主程序中，程序运行的同时始终对传感器采集数据进行处理，计算实时压力和流量值，并保存在存储卡中，供日后分析处理。

2) 人机界面组态设计

触摸屏TP177A通过RS485通讯电缆与带有程序的PLC通信[8]，实时显示钻机工作状态及各参数值，便于司钻人员直接观察。在触摸屏TP177A上编制了两种画面：

(1) 操控画面：司钻人员直接通过HMI操控画面上的按钮控制钻机动作，完成各工序过程，便于随时切换画面观察钻机的工作参数和了解钻机工作状态；

(2) 参数显示画面：集中显示钻机工作过程中旋转系统的压力和流量、钻机转速和扭矩，给进系统的压力和流量、推进力等参数，便于司钻人员直接观察。当压力值超过限定值时，触摸屏发出报警指示。

4　钻机试验测试

搭建的全液压钻机控制系统实验平台如图5所示。

1.钻机　2.PLC系统　3.负载敏感液压系统图5　全液压钻机控制系统实验平台

以390×190×190 mm实心水泥砖为钻进介质。以钻进工序为例，工艺流程为液压卡盘夹紧、液压夹持器松开、液压马达带动动力头正向旋转、给进油缸带动动力头前进四个动作。按下触摸屏TP177A上的操控画面中的“钻进”按钮，钻机自动实现整个钻进工序。分别利用压力传感器和流量传感器分别监测液压马达和给进油缸的进口压力和进口流量。测得的液压马达和给进油缸的进口压力和进口流量数据变化如图6所示。

1.液压马达正转进口压力　2.给进油缸前进进口压力　3.液压马达前进进口流量　4.给进油缸正转进口流量图6　钻进过程液压马达和给进油缸的压力、流量变化曲线

由图6可以看到，在0～10 s工作期间，钻机处于钻进准备过程。电机带动液压泵工作，输出高压油分别到液压卡盘和液压夹持器油路进行液压卡盘夹紧钻杆和液压夹持器松开钻杆操作，这时液压马达和给进油缸未动作，液压马达和给进油缸的进口压力和流量值皆接近于零。在10～30 s工作期间，钻机处于空载过程。液压马达开始正转，给进油缸未动作。这时液压马达正转进口压力值为0.8 MPa左右，流量值为3.5 L/min，给进油缸前进进口的压力和流量均为零。在30～55 s工作期间，钻机处于慢速空进过程。液压马达正转进口压力略为上升，流量上升为4.2 L/min，因水平导轨摩擦阻力较大，给进油缸前进进口压力上升为1.5 MPa，流量为0.3 L/min。在55～90 s工作期间，钻机处于带负载慢速钻进过程。液压马达正转进口压力上升为1.3 MPa，流量上升为4.5 L/min，给进油缸前进进口压力继续上升为2 MPa，流量为0.3 L/min仍旧保持稳定。在最后90～110 s工作期间，钻机处于钻完过程。给进油缸到达终点，液压马达和给进油缸的换向阀关闭，给进油缸换向阀中位锁死，使得给进油缸前进进口压力保持2 MPa不变，其他参数均回到零。

因实验负载较小，液压马达和给进油缸的压力在有无负载的前后变化比较小，但可以明显看出其变化趋势。在实验过程中，控制系统的响应速度快，数据采集的精度较高，在多次实验中的运行状况均比较正常。

5　结论

本研究以ZDY540钻机为硬件平台，设计了与其配套的负载敏感控制系统，其液压系统以负载敏感多路阀为核心，电气系统以PLC为核心，实现了对钻机各工作流程的自动化控制，以及各主要油路压力、流量以及系统油箱温度、液位等参数的检测，可以实时反映钻机的工作状态。

室内试验测试结果表明：

(1) 全液压钻机自动续接和拆卸钻杆相比人工操作，时间缩短，过程的自动化实现，降低了司钻人员的工作强度，也增加了续杆和卸杆的准确性；

(2) 新型液压系统中使用负载敏感多路阀，使系统压力与负载压力变化相适应，降低了能耗，同时降低了卡钻、埋钻等事故发生的可能性；

(3) 钻机工作过程中所有工艺参数均能在触摸屏上实时显示，方便司钻人员观察与监视，发现问题能够及时调整钻机工作状态，防止事故的发生。

参考文献：

[1]李海军，王春光，刘宇. 基于PLC的电液比例电气控制系统设计[J].内蒙古农业大学学报，2010,(2)：269-272.

[2]王龙鹏. 瓦斯钻机负载敏感液压系统特性分析[J].煤矿机械，2013,34(8)：127-129.

[3]黄家文.负载敏感控制在石油钻机液压系统上的应用[J].中国高新技术企业，2013,(32):91-92.

[4]汤凤林，А·Г·加里宁，段隆臣. 岩心钻探学[M]. 武汉：中国地质大学出版社，2009.

[5]S7-200可编程序控制器系统手册[M].2008.

[6]廖常初. 西门子人机界面(触摸屏)组态与应用技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[7]冯博，郝五洲. 钻机PLC控制系统的工作原理与应用探讨[J]. 科技创新与应用，2012.

[8]李尚泽，蒲朝阳，赵四海，等.冻结和注浆顶驱钻机控制系统设计[J]. 煤炭科学技术，2012，(11)：88-94.