， ， 　， 　

(成都理工大學 核技術(shù)與自動化工程學院， 四川 成都　610059)

引言

隨著計算機與自動化控制技術(shù)的快速發(fā)展以及其向工程領(lǐng)域的不斷滲透，現(xiàn)代工程機械正處于機電液一體化的發(fā)展時代[1]。目前，全液壓鉆機在鉆探領(lǐng)域得到了廣泛應用，隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，必將成為未來鉆機的發(fā)展方向。同時，負載敏感控制技術(shù)因具有節(jié)能、效率高等特點，在液壓鉆機領(lǐng)域的應用得到了發(fā)展，尤其是在石油鉆機中的應用較多[2,3]。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，為了提高鉆進效率，全液壓鉆機的自動化技術(shù)也越來越得到研究與應用。將負載敏感控制技術(shù)和PLC(Programmable Logic Controller)自動控制技術(shù)引入到全液壓鉆機中，通過編程實現(xiàn)全液壓鉆機負載敏感系統(tǒng)的自動化控制，不但能實現(xiàn)節(jié)能，而且能提高工作效率、降低司鉆的工作強度。

本研究以某公司生產(chǎn)的ZDY540煤礦用全液壓鉆機為研究對象，設計了全液壓鉆機負載敏感液壓控制系統(tǒng)，利用S7-200可編程控制器、行程開關(guān)、壓力繼電器對其控制系統(tǒng)進行電氣改造，通過編程實現(xiàn)鉆進、起鉆、下鉆、擰緊鉆桿、拆卸鉆桿等動作的自動化進行，以此實現(xiàn)更高效的鉆進。并配以壓力傳感器、流量傳感器和觸摸屏等監(jiān)測顯示設備，實時監(jiān)控鉆機的工作狀態(tài)，能及時發(fā)現(xiàn)并處理鉆機的故障事故。

1　ZDY540全液壓鉆機結(jié)構(gòu)及原理

ZDY540鉆機的主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.動力頭　2.給進裝置　3.液壓夾持器　4.機架圖1　ZDY540全液壓鉆機結(jié)構(gòu)圖

動力頭1由液壓馬達、變速箱和液壓卡盤組成，安裝在給進裝置2的拖板上，借助單給進油缸的直推作用，沿機身導軌往復移動。液壓卡盤采用碟形彈簧夾緊、液壓松開的常閉式結(jié)構(gòu)，在彈簧或液壓油的作用下夾緊或松開鉆桿，液壓馬達在液壓油的作用下完成正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)動作， 液壓卡盤和液壓馬達兩者共同作用完

成鉆進回轉(zhuǎn)工作。液壓夾持器3與液壓卡盤工作原理相同，起輔助作用，防止鉆桿滑動，配合動力頭中回轉(zhuǎn)器和液壓卡盤的動作，完成起下鉆以及擰緊和拆卸鉆桿的工作。機架4用于安裝鉆機及調(diào)整鉆孔傾角，改變前、后橫梁在立柱和支撐桿上的位置，可以調(diào)整機身的傾角，以適應鉆進不同傾角鉆孔的要求[4]。

2　全液壓鉆機液壓系統(tǒng)設計

ZDY540全液壓鉆機所配的液壓控制系統(tǒng)為傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)。為了提高工作效率，在液壓卡盤、液壓夾持器以及給進油缸的控制上實現(xiàn)了聯(lián)動，在起下鉆的過程中能夠較為方便地實現(xiàn)液壓卡盤和液壓夾持器的聯(lián)動配合，能夠在一定程度上提高工作效率。但是，在起下鉆過程中，液壓卡盤和液壓夾持器的動作會滯后于給進油缸的動作，這會加快鉆桿本身的磨損，并且傳統(tǒng)控制閥均為手動控制方式，工作效率低，能量消耗大。為實現(xiàn)全液壓鉆機的自動化控制和節(jié)能，采用負載敏感技術(shù)設計鉆機的液壓系統(tǒng)，如圖2所示。

負載敏感液壓系統(tǒng)采用閥控負載敏感方式，在該負載敏感液壓系統(tǒng)中， 液壓馬達和給進油缸的負載壓力信號經(jīng)過梭閥比較后，經(jīng)過阻尼器作用在定差溢流閥的彈簧腔，通過定差溢流閥的調(diào)節(jié)作用使系統(tǒng)壓力值始終為負載壓力值與彈簧力之和，即泵出口壓力在工作期間與變化的負載壓力持續(xù)匹配，從而實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能。液壓馬達和給進油缸的控制方式相同，電磁換向閥液壓油進口處均裝有定差減壓閥，具有負載補償功能，使得各換向閥彼此獨立，各執(zhí)行部件能夠同時并相互獨立以不同速度和壓力工作，有助于降低鉆桿的磨損。當負載壓力高過安全閥的預設值時，系統(tǒng)安全閥打開，起到保護系統(tǒng)的作用。

1.液壓夾持器　2.液壓卡盤　3.負載敏感多路電磁換向閥　4.壓力傳感器　5.流量傳感器　6.液壓馬達　7.行程開關(guān)　8.給進油缸　9.溫度傳感器　10.油箱　11.電機　12.液壓油泵　13.過濾器　14.多路電磁換向閥　15.壓力繼電器圖2　全液壓鉆機負載敏感系統(tǒng)原理圖

3　鉆機控制系統(tǒng)設計

3.1　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

在液壓系統(tǒng)中，采用一個負載敏感多路電磁換向閥來控制給進油缸和液壓馬達的流量和壓力，一個多路電磁換向閥來控制液壓卡盤和液壓夾持器的夾緊與松開，兩種電磁換向閥均配有手動操作手柄。鉆機在工作過程中需要完成多種工序，其主要工作工序有鉆進、起鉆、下鉆、起鉆倒桿、下鉆倒桿、擰緊鉆桿、拆卸鉆桿等七種。使用傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)時，所有動作均通過人工操作手動換向閥來打開或關(guān)閉閥口以及調(diào)整閥口的大小來完成，操作強度高，工作效率低。為此，采用PLC自動控制技術(shù)來提高鉆機的自動化水平，通過PLC編程實現(xiàn)各電磁閥的自動動作，以此來完成各工作工序，在每一個工序過程中，各電磁閥可同時開啟或關(guān)閉，也可先后動作，最終配合完成鉆機工作。PLC控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3　PLC控制系統(tǒng)框圖

3.2　系統(tǒng)硬件設計

1) 控制系統(tǒng)PLC和HMI的選擇

根據(jù)鉆機控制對象I/O情況及控制要求，系統(tǒng)選用西門子S7-200 CPU226型PLC。該機具有24輸入/16輸出共40個數(shù)字量I/O，具有13 KB的程序和數(shù)據(jù)存儲空間，擁有2個RS-485通信/編程口，可方便與PC連接編程，以及與HMI的數(shù)據(jù)通信[5]。本機能夠較好地滿足ZDY540鉆機的控制要求，并留有了足夠的I/O點余量，便于今后的擴展。

為實現(xiàn)對PLC的控制與鉆機參數(shù)的顯示，選用TP177A觸摸屏[6]實時檢測鉆機的工作參數(shù)和監(jiān)控鉆機的工作狀態(tài)，并在實現(xiàn)硬件開關(guān)控制的同時實現(xiàn)觸摸屏的軟件控制，方便操作人員現(xiàn)場操控，同時對設備維修也起到輔助作用。

2) 擴展模塊和附件選擇

CPU主機無內(nèi)置模擬量輸入點，通過連接2個EM系列的模擬量I/O擴展模塊，可增加16個模擬量輸入點(包括4個標準電流輸入點)，以此檢測鉆機不同工作狀態(tài)下的壓力值和流量值，以及液壓油溫度和液位。

同時，為記錄鉆機工作過程中的工藝參數(shù)，選取西門子64 KB存儲卡供數(shù)據(jù)記錄使用。

3) 自動化控制實現(xiàn)

全液壓鉆機的自動化控制通過PLC編程控制各電磁閥的通斷和開口量大小來實現(xiàn)。各工序的編程實現(xiàn)采用模塊化編程方式[7]，相互獨立的同時相互制約，任一工序未完成或人為停止之前其他工序均被互鎖而無法啟動，保證了鉆機的正常有序工作，防止誤操作。

4) 監(jiān)控和事故處理

在全液壓鉆機的PLC控制系統(tǒng)中，除了利用邏輯控制功能實現(xiàn)各工序的自動化以外，同時也使用了許多外部監(jiān)控設施。溫度傳感器實時監(jiān)測油溫，將數(shù)據(jù)傳送到PLC中，在程序中設置溫度的報警閥值，當溫度達到閥值時，PLC即發(fā)出報警信號，提醒司鉆人員檢查冷卻器的工作狀況[6]。液位傳感器監(jiān)測液壓站郵箱油位，當油位過高或過低時，PLC都會發(fā)出警示信號。系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時間過長，液壓油中混入一定量的雜質(zhì)，會加快各執(zhí)行件的磨損，甚至損壞，當液壓油中的雜質(zhì)引起回油過濾器的堵塞時，過濾器的電接點接通指示過濾器故障。系統(tǒng)中壓力傳感器和流量傳感器測得信號經(jīng)過模擬量模塊EM231的A/D轉(zhuǎn)換，傳送給PLC進行處理，最終在HMI中顯示壓力和流量的實時數(shù)據(jù)，同時利用64 K存儲卡記錄鉆井參數(shù)，方便以后使用。

3.3　系統(tǒng)軟件設計

1) 控制程序設計

通過控制面板的轉(zhuǎn)換開關(guān)，PLC控制系統(tǒng)可實現(xiàn)手動/自動兩種控制模式。系統(tǒng)上電復位以后，自動對系統(tǒng)參數(shù)進行初始化[5]。各工序的控制程序以模塊化形式編制在不同的子程序中，分別用不同的使能條件來調(diào)用。在程序編制的過程中，流程圖設計是其中的一個重要環(huán)節(jié)。采用順序控制設計法設計PLC梯形圖程序，最終實現(xiàn)鉆機運行的自動化。以鉆進工序為例，其自動化運行流程圖如圖4所示。

圖4　鉆進工序流程圖

模擬量處理程序編制在主程序中，程序運行的同時始終對傳感器采集數(shù)據(jù)進行處理，計算實時壓力和流量值，并保存在存儲卡中，供日后分析處理。

2) 人機界面組態(tài)設計

觸摸屏TP177A通過RS485通訊電纜與帶有程序的PLC通信[8]，實時顯示鉆機工作狀態(tài)及各參數(shù)值，便于司鉆人員直接觀察。在觸摸屏TP177A上編制了兩種畫面：

(1) 操控畫面：司鉆人員直接通過HMI操控畫面上的按鈕控制鉆機動作，完成各工序過程，便于隨時切換畫面觀察鉆機的工作參數(shù)和了解鉆機工作狀態(tài)；

(2) 參數(shù)顯示畫面：集中顯示鉆機工作過程中旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的壓力和流量、鉆機轉(zhuǎn)速和扭矩，給進系統(tǒng)的壓力和流量、推進力等參數(shù)，便于司鉆人員直接觀察。當壓力值超過限定值時，觸摸屏發(fā)出報警指示。

4　鉆機試驗測試

搭建的全液壓鉆機控制系統(tǒng)實驗平臺如圖5所示。

1.鉆機　2.PLC系統(tǒng)　3.負載敏感液壓系統(tǒng)圖5　全液壓鉆機控制系統(tǒng)實驗平臺

以390×190×190 mm實心水泥磚為鉆進介質(zhì)。以鉆進工序為例，工藝流程為液壓卡盤夾緊、液壓夾持器松開、液壓馬達帶動動力頭正向旋轉(zhuǎn)、給進油缸帶動動力頭前進四個動作。按下觸摸屏TP177A上的操控畫面中的“鉆進”按鈕，鉆機自動實現(xiàn)整個鉆進工序。分別利用壓力傳感器和流量傳感器分別監(jiān)測液壓馬達和給進油缸的進口壓力和進口流量。測得的液壓馬達和給進油缸的進口壓力和進口流量數(shù)據(jù)變化如圖6所示。

1.液壓馬達正轉(zhuǎn)進口壓力　2.給進油缸前進進口壓力　3.液壓馬達前進進口流量　4.給進油缸正轉(zhuǎn)進口流量圖6　鉆進過程液壓馬達和給進油缸的壓力、流量變化曲線

由圖6可以看到，在0～10 s工作期間，鉆機處于鉆進準備過程。電機帶動液壓泵工作，輸出高壓油分別到液壓卡盤和液壓夾持器油路進行液壓卡盤夾緊鉆桿和液壓夾持器松開鉆桿操作，這時液壓馬達和給進油缸未動作，液壓馬達和給進油缸的進口壓力和流量值皆接近于零。在10～30 s工作期間，鉆機處于空載過程。液壓馬達開始正轉(zhuǎn)，給進油缸未動作。這時液壓馬達正轉(zhuǎn)進口壓力值為0.8 MPa左右，流量值為3.5 L/min，給進油缸前進進口的壓力和流量均為零。在30～55 s工作期間，鉆機處于慢速空進過程。液壓馬達正轉(zhuǎn)進口壓力略為上升，流量上升為4.2 L/min，因水平導軌摩擦阻力較大，給進油缸前進進口壓力上升為1.5 MPa，流量為0.3 L/min。在55～90 s工作期間，鉆機處于帶負載慢速鉆進過程。液壓馬達正轉(zhuǎn)進口壓力上升為1.3 MPa，流量上升為4.5 L/min，給進油缸前進進口壓力繼續(xù)上升為2 MPa，流量為0.3 L/min仍舊保持穩(wěn)定。在最后90～110 s工作期間，鉆機處于鉆完過程。給進油缸到達終點，液壓馬達和給進油缸的換向閥關(guān)閉，給進油缸換向閥中位鎖死，使得給進油缸前進進口壓力保持2 MPa不變，其他參數(shù)均回到零。

因?qū)嶒炟撦d較小，液壓馬達和給進油缸的壓力在有無負載的前后變化比較小，但可以明顯看出其變化趨勢。在實驗過程中，控制系統(tǒng)的響應速度快，數(shù)據(jù)采集的精度較高，在多次實驗中的運行狀況均比較正常。

5　結(jié)論

本研究以ZDY540鉆機為硬件平臺，設計了與其配套的負載敏感控制系統(tǒng)，其液壓系統(tǒng)以負載敏感多路閥為核心，電氣系統(tǒng)以PLC為核心，實現(xiàn)了對鉆機各工作流程的自動化控制，以及各主要油路壓力、流量以及系統(tǒng)油箱溫度、液位等參數(shù)的檢測，可以實時反映鉆機的工作狀態(tài)。

室內(nèi)試驗測試結(jié)果表明：

(1) 全液壓鉆機自動續(xù)接和拆卸鉆桿相比人工操作，時間縮短，過程的自動化實現(xiàn)，降低了司鉆人員的工作強度，也增加了續(xù)桿和卸桿的準確性；

(2) 新型液壓系統(tǒng)中使用負載敏感多路閥，使系統(tǒng)壓力與負載壓力變化相適應，降低了能耗，同時降低了卡鉆、埋鉆等事故發(fā)生的可能性；

(3) 鉆機工作過程中所有工藝參數(shù)均能在觸摸屏上實時顯示，方便司鉆人員觀察與監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時調(diào)整鉆機工作狀態(tài)，防止事故的發(fā)生。

參考文獻：

[1]李海軍，王春光，劉宇. 基于PLC的電液比例電氣控制系統(tǒng)設計[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學學報，2010,(2)：269-272.

[2]王龍鵬. 瓦斯鉆機負載敏感液壓系統(tǒng)特性分析[J].煤礦機械，2013,34(8)：127-129.

[3]黃家文.負載敏感控制在石油鉆機液壓系統(tǒng)上的應用[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2013,(32):91-92.

[4]湯鳳林，А·Г·加里寧，段隆臣. 巖心鉆探學[M]. 武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2009.

[5]S7-200可編程序控制器系統(tǒng)手冊[M].2008.

[6]廖常初. 西門子人機界面(觸摸屏)組態(tài)與應用技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[7]馮博，郝五洲. 鉆機PLC控制系統(tǒng)的工作原理與應用探討[J]. 科技創(chuàng)新與應用，2012.

[8]李尚澤，蒲朝陽，趙四海，等.凍結(jié)和注漿頂驅(qū)鉆機控制系統(tǒng)設計[J]. 煤炭科學技術(shù)，2012，(11)：88-94.