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卷扬式冲击钻机自动控制系统 |
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作者：石油大学（北京）机电工程系 喻重山 |
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摘要 本文介绍了卷扬式冲击钻机微机自动控制系统的基本原理，硬件的组成和软件的设计，通过试验，证明该控制系统能够满足冲击钻进工况的要求，实现自动冲击钻进。
关键词：自动冲击机构 冲击钻进 控制系统
1 采用微机控制的理由
卷扬式冲击钻朵进采用卷扬机提升钻头，利用冲击钻头下落的动能产生冲击作用，破碎岩土实现钻进的钻机。与传统的四边杆冲击钻相比，其结构更为简单，并且可以根据需要灵活地调节冲程。采用行星齿轮差速机构的双绳自动同步卷扬机还可以实现冲击反循环钻进，使钻进速度大幅提高，在基础工程的施工中得到了广泛的使用。但是，卷扬机提升钻头多为手工操作控制冲程，工作劳动强度大，精神紧张，并且冲击次数也较低。
为了提高生产效率，减轻操作人员的劳动强度，在自动冲击控制系统中曾经采用过机械和由进间继电器等元件组成的电器控制机构。由于钢绳在滚筒上缠绕半径和变化和钻进过程中地层的改变，上述两种机构在钻时过程中，都需要根据实际工作情况，人为地不断进行调整。
采用微机控制的自动冲击机构能够根据钻进过程中各种因素的变化，自动调节和控制每次冲击的进给量，实现完全的自动冲击钻进。
2 自动冲击钻进的基本原理
在卷扬式冲击钻机上，为了实现自动冲击钻进，可以通过检测和控制钢绳的松驰量（即冲击钻头下落到井底后，卷扬机滚筒开始正转，到钢绳拉紧冲击钻头时钢绳的长度值）来实现，见图1。
图1 冲击钻进示意图
1.卷扬机卷筒 2.冲程L 3.松驰量S 4.提升高度H
在冲击开始前，首先设置冲击钻头冲击时的冲程长度L和钢绳 的松驰量S；然后由微机发出闭合液压离合器的控制们号，使卷扬机滚筒开始正转，并记录下滚筒开始正转时的转角位置；在滚筒转动的过程中，微机不断采集和记录滚筒转角的位置信号；当钢绳拉紧冲击钻头时微机将此时的滚筒 转角位置信号与滚筒 开始正转时的转角位置信号相比较，得出钢绳的实际松驰量E；将钢绳的实际松驰量E与设定值S相比较，用其差值修正和控制本次冲击时的钻头提升高度H；当提升钻头的高度过到H值时，微机发出打开液压离合器信号；离合器打开后，滚筒在冲击钻头训击时所设置的冲程长度L时，微机又重新发出离合器闭合信号，开始下一次自动冲击的控制。
3 硬件的构成和软件的设计
硬件的组成见图2。
钻机提升冲击钻头时的提重信号是通过交流互感器检测电机的电流变化得到的，通过检测电机空载和提升钻壮头时的电流变化，再通过可调阀值电路，发出对应电机空载和提重的高低电平信号，作为微机的一个中断控制。
卷扬机的转角位置信号和正反转信号是采用两个磁电传感器的检测固定有滚筒轴上带等分磁铁的转盘转角得到了的，通过转换电路按两个传感器检测信号的抚后和间隔，得到转角的脉冲信号和正反转信号，两信号分别送到微机的计数口和中断控制口/
滚筒的思转动和停止是采用微机输出信号，经固态继电器和电磁换向阀后直接控制液压离合器的通断来实现。
此外，系统还没有冲程L和松驰量S的输入和显示电路。为了防止外界环境对系统的干扰，在输入和输出电咱与微机间增设了光电隔离接口电路，同时系统还设置了一组发光二极管，用于显示系统的工作状态，监测系统的工作情况。
软件的设计分为以下几个模块：
系统参数初始化模块；用于进第系统参数的初始化，并可以按钻并工况设置冲程L和松驰量S。
中断1模块：用于获取实际松驰量E。当闭合液压离合器，卷扬机正转进，系统由转角脉冲信号口读入转角脉冲信号，累加求和后存入实际松驰量E的存信单元。
中断2模块：按实际松驰量E和设定值S的差值修正冲击钻头的提升高度值，控制本次冲击时的提升高度。
中断3模块：按冲程L控制冲击钻头的下落高度。
在软件设计上，还采用了如下抗干扰措施：（1）为了防止系统跑飞，在系统监控程序中每隔几行都增设跑飞陷井，当系统跑飞进入到跑飞陷井后，都跳入到跑飞处理模块，重新由参数存信单元读取设定值和中断标志，按系统工作善重新执行相应的操作；（2）输出控制信号时，采用重复多次输出控制信号的方式，防止因干扰导致系统失控；（3）当微机收到提重信号进入中断2模块后，系统启动时钟计数器，当时钟计数器过到预定的时间后，如果系统还没有退出中断2模块，系统将自动发出打开液压离合器的信号，退出冲击工作状态，以防止系统工作失灵，造成严重事故，此外，当系统正常退出工作状态时，为了防止钢绳松驰过量造成滚筒上排绳的混乱，系统的正常退出是在钢绳拉紧钻头发出提重信号时进行。
目前，微机控制自动冲击系统已经在试验室内卷扬机冲击机构上，采用单板机控制获得成功。试验证明，系统能够按照给定的冲程L和松驰量S进行正常工作，满足了冲击钻进的要求。
(end)
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(6/10/2004) |
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