趙 良

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.長安大學(xué) 工程機械學(xué)院，陜西 西安 710064)

隨著地面煤層氣抽采鉆孔施工需求的快速增長，煤層氣車載鉆機的市場需求越來越旺盛，各個生產(chǎn)廠家的競爭也非常強烈，設(shè)備的功能及技術(shù)水平便成了現(xiàn)代車載鉆機的核心競爭力。煤層氣車載鉆機集成化程度高，便需要全面的反映鉆機的實時運行狀態(tài)，給司鉆人員及時提供鉆進依據(jù)，但由于鉆井工作面工況條件比較惡劣，屬于野外作業(yè)和移動性設(shè)備，柴油機載荷變化幅度大，動力分配復(fù)雜，鉆進過程中伴有灰塵、泥漿、震動甚至煤層氣突出，對司鉆人員和井口輔助人員帶來不便，不僅造成勞動強度大而且存在安全隱患，甚至容易引發(fā)不同程度人員安全事故，所以液控操作方式很難完全滿足需求[1-3]；鑒于此，著重分析煤層氣車載鉆機的整機功能，引入便攜式遠程電液控制系統(tǒng)；由于該控制系統(tǒng)具有大量的信號數(shù)據(jù)交換，CAN總線便作為首選通訊方式，其是一種支持分布式或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、靈活性強[4，5]，不僅使車載鉆機具備遠程數(shù)據(jù)監(jiān)測功能，而且能通過遠程總線傳輸，來控制液壓電磁閥驅(qū)動負載，當(dāng)鉆機在遇到惡劣天氣或高危鉆進時，可隨時應(yīng)用其來進行不間斷施工，不耽擱鉆井進度，保證鉆進或提鉆的順利進行。

1 系統(tǒng)組成及功能

遠程電液控制系統(tǒng)主要由多路電液雙控電磁閥、遠程控制臺及防爆攝像頭組成。遠程控制臺獨立于煤層氣車載鉆機電控系統(tǒng)以外，其于電控系統(tǒng)通過航空插頭快速配接，在車身防爆箱體預(yù)留有對接插口，通訊電纜僅有供電和CAN通訊共四根導(dǎo)線；通過CAN總線通訊，遠程控制臺內(nèi)控制器負責(zé)接收操作指令，防爆箱體內(nèi)擴展控制器負責(zé)對相應(yīng)的電磁閥輸出執(zhí)行信號。車載鉆機自身電控系統(tǒng)只具備監(jiān)控功能，而遠程電液控制系統(tǒng)具備鉆進控制功能。遠程控制臺裝配有兩塊顯示屏，一塊用來顯示監(jiān)測鉆進狀態(tài)，另一塊用來遠程視頻；其他控制器及操作器件都集中于遠程控制臺內(nèi)部，如圖1所示。

圖1 車載鉆機遠程電液控制系統(tǒng)布局

電液雙控電磁閥既可以通過液控方式近端操作，也可以通過遠程控制臺執(zhí)行電信號操作。閥體分為比例電磁鐵及開關(guān)量電磁鐵，根據(jù)不同功能對電磁線圈提供不同信號方式。由于執(zhí)行動作較多，內(nèi)部控制器選用Bosch Rexroth RC28-14和擴展RCE12-4并用；該控制器體積雖小，但具有4路單獨CAN總線通訊接口，輸入接口具有受壓保護，以防過電壓和電氣干擾，對電流控制的比例電磁鐵輸出進行脈寬調(diào)制(PWM)，并對其提供溫度和電壓補償，以保證精確度和最小滯后，可對系統(tǒng)中比例電磁閥實現(xiàn)良好的控制。遠程控制臺采用數(shù)字化顯示，顯示屏選用Eaton 7寸顯示屏，亮度高達1000cd/m2，環(huán)境及工作溫度范圍-40～80℃，能夠滿足司鉆人員在陽光下直視及溫差巨大的區(qū)域使用。雙路攝像頭采用VGA 信號，該信號具有分辨率高、顯示速率快、顏色豐富等優(yōu)點，在彩色顯示器領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但不支持熱插拔。

遠程控制臺由于在野外使用，環(huán)境惡劣，外殼體結(jié)構(gòu)采用IP65設(shè)計，鉆機鉆進功能的操作有手柄、按鈕、旋鈕等，根據(jù)不同的動作需求，選用符合操作習(xí)慣的指令器件，使得操作更加符合人體工學(xué)。動作控制方式見表1。

表1 鉆機動作控制方式

遠程控制鉆進系統(tǒng)將鉆機液控功能高度集中，不僅包括動力頭及回轉(zhuǎn)、卸扣器、卷揚、給進裝置、孔口夾持的操控，而且可以實現(xiàn)遠近油門切換、熄火以及急停，可達到對發(fā)動機必要的遠程操作，防止出現(xiàn)突發(fā)狀況[11-13]。

2 電液比例控制方式

電液控制系統(tǒng)的動作執(zhí)行核心便是電液比例閥，可按給定的輸入電壓或電流信號連續(xù)的按比例遠距離的控制流體方向、壓力和流量。傳統(tǒng)的控制方式為采用放大驅(qū)動板控制比例閥的電流，模擬式功率輸出至比例閥線圈的是連續(xù)電流，電子器件功耗大，發(fā)熱嚴重，容易造成比例閥穩(wěn)定性差，控制精度低，故障率高等問題。因此，在該系統(tǒng)中利用控制器的脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號實現(xiàn)對車載鉆機鉆進功能的比例控制，該技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中，抗干擾、抗污染能力強，滯后時間短，可提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度、動態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)定性[14，15]。

PWM控制通過導(dǎo)通和關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖列，通過電壓脈沖的寬度和周期來控制電液比例閥，其作用在比例電磁線圈上為脈沖寬度可調(diào)的矩形波，占空比則為PWM時鐘周期內(nèi)高電平的保持時間與周期時間之比。因此，為了使比例閥電流平均值保持穩(wěn)定，便需要選取比較合適的占空比，占空比較小時，存在著流量死區(qū)，占空比較大時，易出現(xiàn)流量飽和[6]。

3 軟件設(shè)計

控制器的底層程序和顯示屏的程序編寫為軟件設(shè)計的主要內(nèi)容，其中底層軟件的設(shè)計更是實現(xiàn)精準化控制的重點?？刂破骶幊袒贑oDeSys開發(fā)的BODAS-design3.0環(huán)境，編程語言為IEC61131-3的六種綜合性編程語言，與顯示器的開發(fā)環(huán)境基本相同。用戶的編程方式可以從六種語言中選擇熟練的方式進行編寫，也可以根據(jù)標準庫調(diào)用功能模塊，采用順序執(zhí)行方式，給用戶在編寫代碼時提供更多的方便[7，8]。該系統(tǒng)指令信號輸入及執(zhí)行信號輸出采用FBD語言進行編程，該語言可直接調(diào)用模塊，直觀、易編寫。

3.1 比例輸入調(diào)節(jié)模塊

比例閥的控制精度與輸入信號的精度和比例閥閥芯位移反饋有關(guān)。控制器的JoyFilter功能塊函數(shù)即是對手柄輸入信號的處理，如圖2所示。JoyFilter是一個雙向的模擬量標定塊，也就是說是對輸入的模擬量進行預(yù)處理，可把輸出范圍調(diào)整成-10000～10000之間。

圖2 雙向模擬量標定模塊

在該函數(shù)輸入中，部分參數(shù)說明及變量輸入如下：

Par_Neg/Par_Pos：正負向輸入的調(diào)節(jié)參數(shù)。主要用于當(dāng)正負向輸入最大時，調(diào)節(jié)參數(shù)使得OUTPUT也為正負向最大。

Par_Zero：零輸入的調(diào)節(jié)參數(shù)。主要用于當(dāng)手柄在零位時，即零輸入時，調(diào)節(jié)參數(shù)使得OUTPUT也為零。

Par_Deadband：死區(qū)設(shè)置參數(shù)。取值范圍：0～100。當(dāng)輸入進入?yún)?shù)設(shè)置范圍，輸出為零。值得注意的是在實際的應(yīng)用中通常會有5%的死區(qū)值。

Par_Neg_Pro/Par_Pos_Pro：取值范圍：-100～100，設(shè)置正負向輸出緩沖曲線度，手柄正負向輸出值相對于輸入值的一個響應(yīng)曲線。正負向緩沖響應(yīng)曲線如圖3所示。在手柄信號輸出中，可根據(jù)動作調(diào)節(jié)輸出的響應(yīng)時間。

圖3 手柄輸入輸出響應(yīng)曲線

3.2 PWM輸出調(diào)節(jié)模塊

DMotion_V模塊函數(shù)主要用于控制比例閥，有兩路PWM輸出，一般為正反向輸出，控制信號范圍-10000～10000，當(dāng)控制信號在0～10000，Out_PWM_UP 輸出，值 0～10000；當(dāng)控制信號在0～-10000，Out_PWM_DOWN輸出，值 0～-10000。由參數(shù)控制最大最小輸出電流范圍。DMotion_V功能塊函數(shù)如圖4所示。

圖4 比例閥控制模塊

在該函數(shù)輸入中，部分參數(shù)說明及變量輸入如下：

Up_Accel：正方向每100ms增加的電流值；Up_Dccel：正方向每100ms減少的電流值；

Down_Accel：負方向每100ms增加的電流值；Down_Dccel：負方向每100ms減少的電流值；

Up_Max_Current：正向輸出允許最大值。即比例閥的最大開啟電流；Up_Min_Current：正向輸出允許最小值。即比例閥的最小開啟電流。

Down_Min_Current：負向輸出允許最小值，即比例閥的最小開啟電流；Down_Max_Current：負向輸出允許最大值，即比例閥的最大開啟電流。

Scale：輸出放大倍數(shù)，電流輸出為默認值1000，但在PWM輸出中需酌情設(shè)置，一般指為1。

電液比例閥的理想靜態(tài)特性應(yīng)該是被控參數(shù)與輸入信號是線性的，完全成同一比例，但實際上，因為閥內(nèi)存在的摩擦、磁滯及機械死區(qū)等因素[9-15]，反映出來的動作并非線性，比較明顯的例如死區(qū)、油溫和進出口壓力變化容易引起的特性零位漂移，因此可通過死區(qū)設(shè)置及開啟電流來調(diào)節(jié)。

4 施工應(yīng)用

遠程電液控制系統(tǒng)應(yīng)用于中煤科工集團西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100型車載鉆機，該鉆機在山西端氏鎮(zhèn)劉家腰村，坐標112.471，35.654附近進行煤層氣地面開發(fā)遠端對接井及不同深度巷道電纜孔施工。為了驗證遠程電液控制系統(tǒng)的可靠性，在對鉆井隊司鉆人員集中培訓(xùn)后，施工中連續(xù)多次使用遠程控制臺，操作手能夠熟練的掌握操作方法，并順利的完成了多個鉆井任務(wù)，驗證了遠程控制系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及便攜性。

遠程電液控制系統(tǒng)的雙路攝像頭分別放置井口不同角度，可基本實現(xiàn)操作觀察需求。應(yīng)用表明：操作臺的集中化操控方便，PWM信號控制的比例閥響應(yīng)時間基本在0.8s以內(nèi)，快速、精準、易操作，大大降低了司鉆人員的勞動強度；簡化了鉆機液控操作系統(tǒng)，避免了大量的遠距離液壓管線布置；實現(xiàn)了遠距離發(fā)動機急停及工作狀態(tài)讀??；司鉆人員可任意擺放操作臺位置及距離，提高了車載鉆機的施工安全性，為施工人員提供了安全保障。

5 結(jié) 語

煤層氣車載鉆機的遠程電液控制系統(tǒng)，不僅能夠采集鉆機作業(yè)運行狀態(tài)，而且可以對發(fā)動機及鉆進系統(tǒng)進行有效的控制，同時在雙路攝像頭的視頻輔助下，可完全實現(xiàn)遠距離井口無人操作。該系統(tǒng)鉆機參數(shù)顯示全面，液壓電磁閥邏輯能力強，響應(yīng)速度快，完全滿足司鉆人員對操作的需求；遠程控制臺采用CAN總線通訊，插拔方便，便攜性好，遠距離操控安全性可靠。遠程電液控制系統(tǒng)的應(yīng)用對煤層氣車載鉆機的推廣有著積極的意義，也對后期的實現(xiàn)自動化、智能化奠定了基礎(chǔ)。