常江華,趙 良,2,魯飛飛,王龍鵬,楊江波
(1.中煤科工西安研究院(集團)有限公司,陜西 西安 710077;2.長安大學 工程機械學院,陜西 西安 710064)
車載鉆機集成度高、機動性強,是救援鉆孔施工的理想機型[1],國內(nèi)外車載鉆機普遍采用液壓驅(qū)動、液壓控制的方式,具有過載能力強、速度無級可調(diào)、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點,但也存在以下不足:操作參數(shù)顯示不直觀,執(zhí)行機構(gòu)的監(jiān)測和控制難以形成閉環(huán);操縱臺距離孔口近,存在安全隱患;液壓操縱手柄需要液壓管線連接,管線布局混亂,出現(xiàn)故障后排查較為困難;鉆進過程的鉆壓控制依賴司鉆人員的經(jīng)驗,鉆遇復雜地層時,司鉆人員的反應速度往往難以適應工況的變化,不利于鉆孔安全。
在鉆壓控制研究方面,目前大多還處于理論研究階段[2],一方面原因是受地層多變因素的影響,鉆進工況參數(shù)波動較為頻繁,另一方面是監(jiān)控參數(shù)與鉆壓控制信號之間并沒有明確的傳遞函數(shù)。丁振龍[3]、侯緒田[4]等針對石油鉆井中井底壓力的控制難題,提出通過系統(tǒng)采集實時鉆進數(shù)據(jù),輸出控制指令,調(diào)節(jié)井口壓力,主要應用于恒鉆壓送鉆,在正常鉆進中還未應用;吳萬榮等[5]根據(jù)潛孔鉆機鉆孔過程的力學特征偏斜機理的研究,提出了推進力自動控制方案,提高了鉆機在復雜巖層中鉆進的適應能力,適用鉆孔深度較淺。
對于車載鉆機的鉆壓控制方面,目前還采用司鉆人工控制的方式,為了提高鉆進施工的安全性,擬開展以下研究:采用電控、液驅(qū)的方式,既能體現(xiàn)電控系統(tǒng)參數(shù)顯示直觀、容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和閉環(huán)控制的特點,又能發(fā)揮液壓驅(qū)動輸出力大、過載能力強的優(yōu)勢;構(gòu)建鉆機運行參數(shù)、鉆進工況參數(shù)與鉆壓控制參數(shù)的閉環(huán)控制硬件系統(tǒng);篩選對鉆壓控制信號有影響的鉆機運行參數(shù)和鉆進工況參數(shù)進行監(jiān)控,針對人工控制鉆進效率低、決策優(yōu)化的難題,利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和范例推理技術(shù)從積累的鉆井數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗中提取特征數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)規(guī)范協(xié)調(diào)處理、信息融合、聚類分析和專家經(jīng)驗規(guī)則歸納,采用神經(jīng)網(wǎng)絡深度學習技術(shù)模仿人腦信息處理機制模擬復雜工況的控制策略問題,構(gòu)建監(jiān)控參數(shù)與控制信號之間的隱形傳遞關(guān)系。
液壓系統(tǒng)是鉆機的驅(qū)動系統(tǒng),其功能的完備、性能優(yōu)越對鉆機整體性能的發(fā)揮起到至關(guān)重要的作用。液壓系統(tǒng)開發(fā)以執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)工作負載特性為基礎,兼顧多個執(zhí)行動作協(xié)調(diào)和總功率需求?;剞D(zhuǎn)液壓系統(tǒng)和給進液壓系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心,輔助系統(tǒng)功能相對簡單,總體方案如圖1 所示。
圖1 液壓系統(tǒng)總體方案Fig.1 Overall scheme of hydraulic system
回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)主要功能是驅(qū)動動力頭帶動鉆具回轉(zhuǎn),主要有上扣、卸扣、正?;剞D(zhuǎn)鉆進等工況?;剞D(zhuǎn)系統(tǒng)的負載波動隨機性強、沖擊大且馬達存在吸空工況,要求回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、具備防吸空功能[6-7]。
根據(jù)上述需求,采用4 個低速大扭矩雙速馬達驅(qū)動動力頭回轉(zhuǎn),調(diào)節(jié)主泵或者副泵的泵量可實現(xiàn)動力頭轉(zhuǎn)速的無級調(diào)節(jié),馬達還可實現(xiàn)排量的高低切換,進一步擴大了動力頭的調(diào)速范圍,拓寬了鉆機的工藝適應性。主泵及副泵采用負載敏感泵,在實現(xiàn)動力頭轉(zhuǎn)速無級控制的同時,系統(tǒng)無節(jié)流和溢流損失,具有較好的節(jié)能效果。在回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)的反饋回路中設置限壓閥,通過限制最高反饋壓力,實現(xiàn)液壓泵最高輸出壓力限制,從而實現(xiàn)動力頭最大扭矩控制??紤]到大口徑鉆孔施工中,鉆具轉(zhuǎn)動慣量大,動力頭回轉(zhuǎn)慣性沖擊較大的問題,在回轉(zhuǎn)馬達進回油口設計緩沖補油閥,防止系統(tǒng)慣性沖擊。
給進系統(tǒng)的主要功能是通過油缸帶動動力頭上下運動,主要有起下鉆、正常鉆進和倒桿等工況。由于是舉升機構(gòu),需要有防墜落安全保護功能,起下鉆工況要求系統(tǒng)壓力可調(diào)[8-13]。
根據(jù)以上要求,給進液壓驅(qū)動系統(tǒng)通過主泵和副泵分別驅(qū)動,實現(xiàn)快速起下鉆和慢速正常鉆進功能。2 個給進油缸設計平衡回路,采用先導邏輯控制,當先導閥處于中位時,平衡回路閉合給進油缸起拔腔,從而實現(xiàn)給進裝置自鎖,提高了鉆機使用的安全性。加壓鉆進時,通過調(diào)節(jié)設置在反饋管路中的調(diào)壓閥,比例調(diào)節(jié)給進腔壓力。減壓鉆進時,通過調(diào)節(jié)設置在起拔腔調(diào)壓閥實現(xiàn)壓力比例調(diào)節(jié),壓力控制方便,工藝適應性好。在給進油缸給進腔和起拔腔分別安裝有壓力傳感器,通過實測兩腔的壓力可實時測算鉆機施加于鉆柱的負載,司鉆人員可根據(jù)鉆進工況隨時調(diào)節(jié)給進力或者起拔力,實現(xiàn)鉆壓的控制。
傳統(tǒng)的液控操縱方式,勞動強度大,安全性低。自動化控制系統(tǒng)的高可靠性、維護便利性和人性化為智能精準化鉆進提供了可能。車載鉆機作為鉆進裝備的核心,實現(xiàn)了全流程化鉆進施工。因此,整套裝備控制系統(tǒng)則采用分布式布局、集中式操控的設計理念,控制系統(tǒng)(圖2)主要由操縱室集控平臺、泵車控制柜、車載鉆機控制柜、換桿裝置控制柜、孔口平臺控制柜以及各類傳感器、電磁閥等組成[14]。
圖2 電控系統(tǒng)設計布局Fig.2 Design layout of electric control system
電控系統(tǒng)各模塊之間的信號監(jiān)測及控制統(tǒng)一采用CAN 總線通信,統(tǒng)一的總線通信協(xié)議實現(xiàn)了每個總線控制器的相互訪問、數(shù)據(jù)共享。泵車控制柜、車載鉆機控制柜、操縱室集控平臺及換桿裝置控制柜都有獨立的控制器,可近距離實現(xiàn)周邊元器件的數(shù)據(jù)監(jiān)測及控制。
然而,通常采用的ID 分配“優(yōu)先級+目的標識”,層次不夠清晰,造成控制系統(tǒng)出現(xiàn)執(zhí)行效率低甚至丟包的現(xiàn)象。本文在分布式總線通信的基礎上,ID 采用“通道標識+目的標識”來降低通信負荷,提升指令效率。CAN 總線通信的自定義ID 見表1。
表1 分布式總線通信ID 分配Table 1 Distributed bus communication ID allocation
通道的分布式總線布局,充分將執(zhí)行命令和采集命令的ID 進行剝離,同時根據(jù)設備的功能,設置總線數(shù)據(jù)優(yōu)先級,由于總線數(shù)據(jù)采用廣播形式同時發(fā)送,根據(jù)ID 標識符和發(fā)送周期搶占發(fā)送,ID 越小優(yōu)先級越高。表1 中的自定義ID 就是針對標準幀的通信結(jié)構(gòu)(圖3)的仲裁域和數(shù)據(jù)域進行的設計,從而解決數(shù)據(jù)延遲、擁堵和紊亂。圖中,SOF 為幀起始,RTR 為遠程發(fā)送請求位,IDE 為標識符擴展位,r0 為數(shù)據(jù)保留位,DLC 為數(shù)據(jù)長度代碼,CRC 為循環(huán)冗余校驗,ACK 為應答域,EOF 為幀結(jié)束。
圖3 CAN 總線標準幀結(jié)構(gòu)Fig.3 CAN-Bus standard frame structure
泵車控制單元由泵車控制柜、進氣關(guān)斷閥及各類傳感器等組成,泵車控制柜安裝于車載鉆機動力泵站內(nèi)部,主要功能是實現(xiàn)對柴油機、預加熱器和進氣關(guān)斷閥的控制,同時監(jiān)控柴油機運行狀態(tài)及液壓油溫等運行參數(shù)。
泵車控制柜與柴油機中央控制單元(Electronic Control Unit,ECU)通過J1939 協(xié)議進行通信,可獲取柴油機轉(zhuǎn)速、油壓、冷卻液溫度、工作時間以及故障代碼等信息。一旦監(jiān)測到鉆機運行異?;蛘咚俱@操作急停按鈕時,可快速輸出控制指令,關(guān)閉進氣關(guān)斷閥,實現(xiàn)柴油機斷氣停機。
柴油機和液壓系統(tǒng)冷卻均采用復合式閉環(huán)自適應控制系統(tǒng),利用冷卻液和液壓油溫度傳感器分別反饋各系統(tǒng)溫度,統(tǒng)一采用變量泵+定量馬達調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速實現(xiàn)冷卻,確保系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。雙溫控回路經(jīng)控制器的復合式溫控控制策略,輸出控制信號(50~600 mA)來改變變量泵的輸出流量,其中變量泵特有的反比例控制方式,使變量泵在600 mA 時冷卻風扇維持怠速,50 mA 時冷卻風扇以最大轉(zhuǎn)速運行,避免信號的丟失造成柴油機或液壓系統(tǒng)高溫故障,提升了系統(tǒng)的安全性。
為了限制啟動后風扇最大轉(zhuǎn)速的問題,溫度調(diào)節(jié)采用分段式控制,且在實際運行過程中經(jīng)常處于動態(tài)工況,雙溫控回路(圖4 中TF為冷卻液溫度,TH為液壓油溫度)的調(diào)溫系統(tǒng)易造成動態(tài)擾動,使在動態(tài)工況下出現(xiàn)溫度超限或偏離閾值的問題。因此,提出基于溫度優(yōu)先級的控制策略思路:根據(jù)分段式溫度區(qū)間劃分n個溫度優(yōu)先級;偏離閾值越遠,優(yōu)先級越高,見表2;比較優(yōu)先級,優(yōu)先級高的先散熱,若優(yōu)先級都為0,則散熱器怠速。
圖4 雙溫度控制回路結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure diagram of dual temperature control loop
表2 溫度優(yōu)先級劃分Table 2 Temperature priority
溫度自適應控制系統(tǒng)運行流程如圖5 所示。對散熱器調(diào)節(jié)中處于2 個優(yōu)先級之間的動態(tài)擾動,系統(tǒng)軟件在加速段和減速段設計梯形速度規(guī)劃。泵車控制柜啟動柴油機后,散熱器首先以怠速運轉(zhuǎn),使各溫度快速提升至最佳運行狀態(tài)。當冷卻液溫度大于100℃時,控制器輸出最小電流,散熱器以最高速度運轉(zhuǎn);當冷卻液溫度低于70℃時,控制器輸出最大電流,散熱器仍然以怠速運轉(zhuǎn);當冷卻液溫度處于70~100℃時,則進入液壓油溫判斷,液壓油溫若處于40~70℃時,控制器在該溫度范圍內(nèi)輸出比例信號,該信號與液壓油溫呈負相關(guān),若不在該溫控范圍,執(zhí)行方法與冷卻液相同。值得注意的是,散熱器調(diào)節(jié)中常存在2 個優(yōu)先級之間的動態(tài)擾動,使風扇轉(zhuǎn)速出現(xiàn)階躍式調(diào)節(jié),負載的突變極易加劇齒輪嚙合磨損甚至損壞。因此,控制系統(tǒng)程序中在加速段和減速段設計有梯形速度規(guī)劃來提升設備的安全性。
圖5 復合式溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.5 The closed loop control system of temperature
車載鉆機控制單元由控制柜、分線盒、傳感器和執(zhí)行機構(gòu)等組成。車載鉆機控制柜布置在車體中部,為了后期維護方便,該控制柜主要功能是實現(xiàn)鉆車運行狀態(tài)的反饋及采集,利用CAN 總線通信特性,在操縱室集控平臺數(shù)據(jù)處理并完成控制策略,再實現(xiàn)鉆車上給進、卷揚、動力頭等執(zhí)行機構(gòu)的控制,方便設計人員調(diào)試以及快速故障診斷。
操縱室控制單元是整個鉆機的集中控制單元,具有數(shù)據(jù)吞吐量大、硬件設備多和控制復雜多樣等特點。為了改善操作環(huán)境,將鉆機、換桿裝置所有操控、顯示集中于操縱室,改善了工作環(huán)境,降低了勞動強度。操縱室外觀和內(nèi)部布局如圖6 所示。
圖6 操縱室外觀及內(nèi)部布局Fig.6 Appearance and internal layout of control room
主操縱臺(圖7)是鉆機的集中控制區(qū)域,其下方配有電控箱并安裝有控制器。主操縱臺兼顧功能和操作流程分區(qū)布局,橫向看,分為3 塊區(qū)域,左側(cè)為吊卡及旋轉(zhuǎn)頭區(qū)域、中間為鉆進區(qū)域、右側(cè)為孔口平臺及大鉗區(qū)域??v向看,從操作人員角度觀察,根據(jù)操作的頻次,依次從近端到遠端布局,操作方便,避免誤操作。
圖7 主操縱臺布局Fig.7 Layout of main console
操作人員的座椅兩側(cè)的扶手操作臺(圖8)是鉆進過程中操作頻次最高的起下鉆、動力頭回轉(zhuǎn)、卷揚等操作手柄,使操作人員在較為舒適的坐姿狀態(tài)下完成操作,符合人機工程學設計。
圖8 扶手操縱臺Fig.8 The handrail console
電控系統(tǒng)搭建了鉆機運行參數(shù)的監(jiān)測平臺,可收集鉆機運行參數(shù)及鉆進參數(shù),也構(gòu)建了鉆壓控制的硬件系統(tǒng)。為實現(xiàn)鉆壓的自適應控制(Weight on Bit,WOB),還需要建立鉆機運行參數(shù)、鉆進參數(shù)與鉆壓控制參數(shù)之間的傳遞函數(shù)。其中在數(shù)據(jù)采集中,盡可能多地采用總線式傳感器,不僅減少了控制器的I/O 點數(shù),也能通過總線數(shù)據(jù)監(jiān)測傳感器狀態(tài),建立了鉆機故障診斷基礎。
系統(tǒng)以鉆壓作為輸出控制參數(shù),那么系統(tǒng)的輸入變量應該選擇那些對控制參數(shù)影響大且能夠檢測獲取的變量,要求各輸入變量之間關(guān)聯(lián)性較小,兼顧考慮參數(shù)獲取的難易程度,選取泥漿排量、鉆孔深度、扭矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、鉆具質(zhì)量、鉆壓和鉆速7 個鉆進過程中對井底鉆壓控制影響有直接影響的參數(shù)作為輸入量,系統(tǒng)的控制基本原理如圖9 所示。
圖9 鉆壓自適應控制基本原理Fig.9 Basic principle of WOB adaptive control
由于鉆孔過程復雜性和多樣性,選取的輸入?yún)?shù)與輸出鉆壓控制參數(shù)之間沒有直接函數(shù)關(guān)系式可以清晰描述兩者之間的關(guān)系,其關(guān)系具有不確定性、模糊性、非線性和多樣性的特點。BP 神經(jīng)網(wǎng)絡是一種按照誤差逆向傳播算法訓練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡,通過自身的訓練,學習某種規(guī)則,在給定輸入值時得到最接近期望輸出值的結(jié)果,是建立輸入?yún)?shù)與輸出的鉆壓控制參數(shù)之間關(guān)系的可行技術(shù)手段之一[15-20]。
BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)由輸入層、輸出層和隱層3部分組成,全部由神經(jīng)元為主體進行連接,但每一層的神經(jīng)元之間不存在連接關(guān)系。輸入層和輸出層的神經(jīng)元的具體數(shù)量分布代表輸入信號和輸出信號的維數(shù),隱層神經(jīng)元則具備自己的特性。圖10 顯示了典型的3 層神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。
圖10 3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)Fig.10 Three-layer BP neural network structure
3 層BP 神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,輸入向量為X=(x1,x2,···,xn),隱層向量為O=(o1,o2,···,om),輸出向量為Y=(y1,y2,···,yl),期望輸出向量D=(d1,d2,···,dl)。輸入層與隱層之間的連接矩陣為W=(W1,W2,···,Wj···,Wm);隱層與輸出層之間的連接矩陣為V=(V1,V2,···,Vk,···,Vl)。
根據(jù)前面選擇7 個參數(shù)作為輸入變量,輸出變量代表系統(tǒng)要實現(xiàn)控制的目標,在本系統(tǒng)中,鉆壓與給進力和起拔力相關(guān),因此,選取給進力溢流閥控制信號、起拔力溢流閥控制信號2 個參量作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡輸出層的輸出變量,實現(xiàn)對鉆壓的控制。
初始的訓練、驗證和測試樣本來自于鉆壓和轉(zhuǎn)速手動控制過程中的歷史數(shù)據(jù),是具體鉆進過程中優(yōu)先選用的參數(shù),分別選取一部分樣本用于訓練、測試和驗證。表3 顯示了試驗現(xiàn)場獲取的76 組歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù),鉆孔孔深60~135 m,采用泥漿正循環(huán)牙輪鉆進,使用鉆桿為直徑114 mm,單根鉆桿質(zhì)量為270 kg,鉆進地層為灰?guī)r。
表3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡輸入和輸出數(shù)據(jù)集Table 3 Input and output data of BP neural network
上表數(shù)據(jù)中,各參數(shù)的物理意義和量綱差異較大,為了使其在網(wǎng)絡訓練中權(quán)值大致一致,需要對以上數(shù)據(jù)進行歸一化處理,使其數(shù)值在[0,1]區(qū)間內(nèi)。歸一化處理也可防止神經(jīng)網(wǎng)絡因凈輸入絕對值過大而使網(wǎng)絡神經(jīng)元的輸出飽和。
對每個數(shù)據(jù)在整個數(shù)據(jù)范圍內(nèi)確定最大值xmax和最小值xmin,通過插值法進行歸一化計算。將輸入和輸出數(shù)據(jù)在[0,1]區(qū)間上進行歸一化處理,其插值法計算公式如下:
式中:xi表示要進行歸一化處理的輸入或輸出數(shù)據(jù),xmax和xmin分別代表數(shù)據(jù)的最大值和最小值。歸一化之后的76 組經(jīng)驗歷史數(shù)據(jù)見表4,表中數(shù)據(jù)均無量綱。
表4 歸一化之后的神經(jīng)網(wǎng)絡輸入和輸出數(shù)據(jù)集Table 4 Normalized input and output data of neural network
采用梯度搜索技術(shù)對以上76 組數(shù)據(jù)進行BP 神經(jīng)網(wǎng)絡訓練、驗證和測試,根據(jù)網(wǎng)絡泛化能力最大原則。選擇訓練樣本、驗證樣本和測試樣本比例為50%∶25%∶25%,即訓練、驗證和測試樣本數(shù)分別為38、19 和19。網(wǎng)絡隱層的節(jié)點數(shù)設為11。進行神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練、驗證和測試,結(jié)果如圖11 所示??梢钥闯鲇柧氄`差、驗證誤差和測試誤差都處在一個比較低的水平。得到此時輸入層與隱層之間的權(quán)值連接矩陣W和隱層與輸出層之間的權(quán)值連接矩陣V。
圖11 網(wǎng)絡訓練、驗證和測試誤差Fig.11 Network training,verification and test errors
將得到的連接權(quán)值矩陣W和V,以及隱層節(jié)點數(shù)M=11 輸入到專用的可編程控制器,即可根據(jù)實施檢測的數(shù)據(jù)計算出鉆壓控制的輸出參數(shù),實現(xiàn)對鉆壓的實時自適應控制[21]。
該套電液系統(tǒng)集成應用于ZMK5550TZJF50/120型救援車載鉆機,該鉆機在寧煤梅花井礦進行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗(圖12)。
現(xiàn)場試驗中,電液控制系統(tǒng)經(jīng)歷了溫度高、風沙大等環(huán)境考驗,系統(tǒng)運轉(zhuǎn)正常。與傳統(tǒng)露天液控操縱系統(tǒng)相比,該電液控制系統(tǒng)具有操作環(huán)境好、鉆進參數(shù)顯示直觀、自動化程度高等優(yōu)點。
鉆機試驗期間,液壓系統(tǒng)油溫保持在40~60℃區(qū)間,冷卻水溫保持在70~90℃區(qū)間(圖12),驗證了溫度閉環(huán)自適應控制系統(tǒng)的工作效果。
圖12 液壓油溫度、冷卻液溫度監(jiān)測界面Fig.12 Hydraulic oil and coolant temperature monitoring interface
a.ZMK5550TZJF50/120 型救援車載鉆機根據(jù)負載的工作特性,開發(fā)了具有無級調(diào)速和防吸空特性的回轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、具有防墜落功能的給進驅(qū)動回路;根據(jù)系統(tǒng)的控制、監(jiān)控和驅(qū)動要求,開發(fā)了救援鉆機電控系統(tǒng),實現(xiàn)了參數(shù)顯示、鉆場環(huán)境監(jiān)控及執(zhí)行動作的集中操控,經(jīng)過現(xiàn)場工業(yè)性試驗驗證,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,可靠性高。
b.采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)對鉆進參數(shù)和鉆壓輸出控制參數(shù)之間的潛在聯(lián)系進行了研究,選取了對鉆壓控制有影響的7 個參數(shù),對歷史數(shù)據(jù)進行了訓練、驗證和測試,獲取了其連接權(quán)值矩陣,實現(xiàn)了對鉆壓的自適應控制。
c.鉆進智能化是目前鉆探領域的研究熱點,受制于地層條件的多樣性,鉆壓自適應控制提取的樣本數(shù)量還較少,還需要不斷地積累數(shù)據(jù)并對控制參數(shù)進行優(yōu)化。