① PLC在組合機床控制中的應用論文
PLC在組合機床控制中的應用
一.可編程式控制制器的定義
可編程式控制制器，簡稱PLC（Programmable logic Controller）,是指以計算機技術為基礎的新型工業控制裝置。在1987年國際電工委員會（International Electrical Committee）頒布的PLC標准草案中對PLC做了如下定義：「PLC是一種專門為在工業環境下應用而設計的數字運算操作的電子裝置。它採用可以編製程序的存儲器，用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序運算、計時、計數和算術運算等操作的指令，並能通過數字式或模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產過程。PLC及其有關的外圍設備都應該按易於與工業控制系統形成一個整體，易於擴展其功能的原則而設計。」
二.PLC的特點
1 可靠性高，抗干擾能力強
高可靠性是電氣控制設備的關鍵性能。PLC由於採用現代大規模集成電路技術，採用嚴格的生產工藝製造，內部電路採取了先進的抗干擾技術，具有很高的可靠性。例如三菱公司生產的F系列PLC平均無故障時間高達30萬小時。一些使用冗餘CPU的PLC的平均無故障工作時間則更長。從PLC的機外電路來說，使用PLC構成控制系統，和同等規模的繼電接觸器系統相比，電氣接線及開關接點已減少到數百甚至數千分之一，故障也就大大降低。此外，PLC帶有硬體故障自我檢測功能，出現故障時可及時發出警報信息。在應用軟體中，應用者還可以編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統中除PLC以外的電路及設備也獲得故障自診斷保護。這樣，整個系統具有極高的可靠性也就不奇怪了。
2 配套齊全，功能完善，適用性強
PLC發展到今天，已經形成了大、中、小各種規模的系列化產品。可以用於各種規模的工業控制場合。除了邏輯處理功能以外，現代PLC大多具有完善的數據運算能力，可用於各種數字控制領域。近年來PLC的功能單元大量涌現，使PLC滲透到了位置控制、溫度控制、CNC等各種工業控制中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術的發展，使用PLC組成各種控制系統變得非常容易。
3 易學易用，深受工程技術人員歡迎
PLC作為通用工業控制計算機，是面向工礦企業的工控設備。它介面容易，編程語言易於為工程技術人員接受。梯形圖語言的圖形符號與表達方式和繼電器電路圖相當接近，只用PLC的少量開關量邏輯控制指令就可以方便地實現繼電器電路的功能。為不熟悉電子電路、不懂計算機原理和匯編語言的人使用計算機從事工業控制打開了方便之門。
4 系統的設計、建造工作量小，維護方便，容易改造
PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，大大減少了控制設備外部的接線，使控制系統設計及建造的周期大為縮短，同時維護也變得容易起來。更重要的是使同一設備經過改變程序改變生產過程成為可能。這很適合多品種、小批量的生產場合。
5 體積小，重量輕，能耗低
以超小型PLC為例，新近出產的品種底部尺寸小於100mm，重量小於150g，功耗僅數瓦。由於體積小很容易裝入機械內部，是實現機電一體化的理想控制設備。
三.在組合機床自動線中，一般根據不同的加工精度要求設置三種滑台
目前，PLC在國內外已廣泛應用於鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械製造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及文化娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。
1 開關量的邏輯控制
這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用於單台設備的控制，也可用於多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。
2 模擬量控制
在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流量、液位和速度等都是模擬量。為了使可編程式控制制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，使可編程式控制制器用於模擬量控制。
3 運動控制
PLC可以用於圓周運動或直線運動的控制。從控制機構配置來說，早期直接用於開關量I/O模塊連接位置感測器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用於各種機械、機床、機器人、電梯等場合。
4 過程式控制制
過程式控制制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制演算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程式控制制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。
5 數據處理
現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳送、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的採集、分析及處理。這些數據可以與存儲在存儲器中的參考值比較，完成一定的控制操作，也可以利用通信功能傳送到別的智能裝置，或將它們列印製表。數據處理一般用於大型控制系統，如無人控制的柔性製造系統；也可用於過程式控制制系統，如造紙、冶金、食品工業中的一些大型控制系統。
6 通信及聯網
PLC通信含PLC間的通信及PLC與其它智能設備間的通信。隨著計算機控制的發展，工廠自動化網路發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網路系統。新近生產的PLC都具有通信介面，通信非常方便。
7 PLC控制的數控滑台結構
一般組合機床自動線中的數控滑台採用步進電機驅動的開環伺服機構。採用PLC控制的數控滑台由可編程式控制制器、環行脈沖分配器、步進電機驅動器、步進電機和伺服傳動機構等部分組成，
伺服傳動機構中的齒輪Z1、Z2應該採取消隙措施，避免產生反向死區或使加工精度下降；而絲杠傳動副則應該根據該單元的加工精度要求，確定是否選用滾珠絲杠副。採用滾珠絲杠副，具有傳動效率高、系統剛度好、傳動精度高、使用壽命長的優點，但成本較高且不能自鎖。
8 控制系統的軟體結構
軟體結構根據控制要求而設計，主要劃分為五大模塊：即步進電機控制模塊、定位控制模塊、數據撥盤輸入及數據傳輸模塊、數碼輸出顯示模塊、元件故障的自動檢測與報警模塊。
由於整個軟體結構較為龐大，脈沖控制器產生0.1秒的控制脈沖，使移位寄存器移位，提供六拍時序脈沖，通過三相六拍環形分配器使三個輸出繼電器Y430、Y431、Y432按照單雙六拍的通電方式控制步進電機。為實現定位控制，採用不同的計數器分別控制粗定位行程和精定位行程，計數器的設定值依據行程而定。例如，設刀具或工作台欲從A點移至C點，已知AC＝200mm，把AC劃分為AB與BC兩段，AB＝196mm，BC＝4mm，AB段為粗定位行程，採用0.1mm/步的脈沖當量快速移動，利用了6位計數器（C660/C661），而BC段為精定位行程，採用0.01mm/步的脈沖當量精確定位，利用了3位計數器C460，在粗定位結束進入精定位的同時，PLC自動接通電磁離合器輸出點Y433以實現變速機構的更換。
9 PLC控制系統的接地方法
（1）由於PLC機櫃和操作台、配電櫃等用電設備的金屬外殼及控制設備正常不帶電的金屬部分，由於各種原因（如腐蝕、絕緣破損等）而有可能帶危險電壓，所以應該進行保護接地，低於36V供電的設備，無特殊要求可不做接地保護。
（2）PLC控制系統中的基準電位是各迴路工作的參考電位，基準電位的連接線稱為系統地，通常是控制迴路直流電源的零伏導線，系統接地的方式有浮地方式、直接接地方式和電容接地方式。
（3）為防止靜電感應和磁場感應而設置的屏蔽接地端子應做屏蔽接地。其中信號迴路接地和屏蔽接地又通稱為工作接地。
一般以上接地方法的控制原則是：保護地和工作地不能混用，這是由於在每一段電源保護地線的兩點間會有數毫伏，甚至幾伏的電位差，這對低電平信號電路來說是一個非常嚴重的干擾。屏蔽地，當信號電路是單點接地時，低頻電纜的屏蔽層也應單點接地，如果電纜的屏蔽層接地點有一個以上時，將產生雜訊電流，形成雜訊干擾源。
本系統採用的接地電阻都需要在規定的范圍內，對於PLC組成的控制系統一般應小於4Ω，而且要有足夠的機械強度，事前都需要進行防腐處理。PLC組成的控制系統進行單獨設置接地系統，也可以利用現場條件進行「等電位聯結」進行接地設計。
10 PLC控制梯形圖：
梯形圖是通過連線把PLC指令的梯形圖符號連接在一起的連通圖，用以表達所使用的PLC指令及其前後順序，它與電氣原理圖很相似。它的連線有兩種：一為母線，另一為內部橫豎線。內部橫豎線把一個個梯形圖符號指令連成一個指令組，這個指令組一般總是從裝載（LD）指令開始，必要時再繼以若干個輸入指令（含LD指令），以建立邏輯條件。最後為輸出類指令，實現輸出控制，或為數據控制、流程式控制制、通訊處理、監控工作等指令，以進行相應的工作。母線是用來連接指令組的。下圖是三菱公司的FX2N系列產品的最簡單的梯形圖例：
它有兩組，第一組用以實現啟動、停止控制。第二組僅一個END指令，用以 結束程序。
11 梯形圖與助記符的對應關系：
助記符指令與梯形圖指令有嚴格的對應關系，而梯形圖的連線又可把指令的順序予以體現。一般講，其順序為：先輸入，後輸出（含其他處理）；先上，後下；先左，後右。有了梯形圖就可將其翻譯成助記符程序。上圖的助記符程序為：
地址 指令 變數
0000 LD X000
0001 OR X010
0002 AND NOT X001
0003 OUT Y000
0004 END
反之根據助記符，也可畫出與其對應的梯形圖。
12 梯形圖與電氣原理圖的關系：
如果僅考慮邏輯控制，梯形圖與電氣原理圖也可建立起一定的對應關系。如梯形圖的輸出（OUT）指令，對應於繼電器的線圈，而輸入指令（如LD，AND，OR）對應於接點，互鎖指令（IL、ILC）可看成總開關，等等。這樣，原有的繼電控制邏輯，經轉換即可變成梯形圖，再進一步轉換，即可變成語句表程序。
有了這個對應關系，用PLC程序代表繼電邏輯是很容易的。這也是PLC技術對傳統繼電控制技術的繼承。
四、數控滑台的PLC控制方法
數控滑台的控制因素主要有三個：
1 行程式控制制
一般液壓滑台和機械滑台的行程式控制制是利用位置或壓力感測器（行程開關/死擋鐵）來實現；而數控滑台的行程則採用數字控制來實現。由數控滑台的結構可知，滑台的行程正比於步進電機的總轉角，因此只要控制步進電機的總轉角即可。由步進電機的工作原理和特性可知步進電機的總轉角正比於所輸入的控制脈沖個數；因此可以根據伺服機構的位移量確定PLC輸出的脈沖個數：
n= DL/d （1）
式中 DL——伺服機構的位移量（mm）
d ——伺服機構的脈沖當量（mm/脈沖）
2 進給速度控制
伺服機構的進給速度取決於步進電機的轉速，而步進電機的轉速取決於輸入的脈沖頻率;因此可以根據該工序要求的進給速度,確定其PLC輸出的脈沖頻率:
f=Vf/60d (Hz) (2)
式中 Vf——伺服機構的進給速度(mm/min)
3 進給方向控制
進給方向控制即步進電機的轉向控制。步進電機的轉向可以通過改變步進電機各繞組的通電順序來改變其轉向;如三相步進電機通電順序為A-AB-B-BC-C-CA-A…時步進電機正轉;當繞組按A-AC-C-CB-B-BA-A…順序通電時步進電機反轉。因此可以通過PLC輸出的方向控制信號改變硬體環行分配器的輸出順序來實現，或經編程改變輸出脈沖的順序來改變步進電機繞組的通電順序實現。
五.PLC的國內外狀況
世界上公認的第一台PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研製的。限於當時的元器件條件及計算機發展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規模集成電路組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程式控制制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特徵的工業控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的工程技術人員使用，可編程式控制制器採用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，並將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。
20世紀70年代中末期，可編程式控制制器進入實用化發展階段，計算機技術已全面引入可編程式控制制器中，使其功能發生了飛躍。更高的運算速度、超小型體積、更可靠的工業抗干擾設計、模擬量運算、PID功能及極高的性價比奠定了它在現代工業中的地位。20世紀80年代初，可編程式控制制器在先進工業國家中已獲得廣泛應用。這個時期可編程式控制制器發展的特點是大規模、高速度、高性能、產品系列化。這個階段的另一個特點是世界上生產可編程式控制制器的國家日益增多，產量日益上升。這標志著可編程式控制制器已步入成熟階段。
20世紀末期，可編程式控制制器的發展特點是更加適應於現代工業的需要。從控制規模上來說，這個時期發展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用於壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面單元、通信單元，使應用可編程式控制制器的工業控制設備的配套更加容易。目前，可編程式控制制器在機械製造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。
我國可編程式控制制器的引進、應用、研製、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程式控制制器。接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己已可以生產中小型可編程式控制制器。上海東屋電氣有限公司生產的CF系列、杭州機床電器廠生產的DKK及D系列、大連組合機床研究所生產的S系列、蘇州電子計算機廠生產的YZ系列等多種產品已具備了一定的規模並在工業產品中獲得了應用。此外，無錫華光公司、上海鄉島公司等中外合資企業也是我國比較著名的PLC生產廠家。可以預期，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將有更廣闊的應用天地。
六.PLC未來展望
21世紀，PLC會有更大的發展。從技術上看，計算機技術的新成果會更多地應用於可編程式控制制器的設計和製造上，會有運算速度更快、存儲容量更大、智能更強的品種出現；從產品規模上看，會進一步向超小型及超大型方向發展；從產品的配套性上看，產品的品種會更豐富、規格更齊全，完美的人機界面、完備的通信設備會更好地適應各種工業控制場合的需求；從市場上看，各國各自生產多品種產品的情況會隨著國際競爭的加劇而打破，會出現少數幾個品牌壟斷國際市場的局面，會出現國際通用的編程語言；從網路的發展情況來看，可編程式控制制器和其它工業控制計算機組網構成大型的控制系統是可編程式控制制器技術的發展方向。目前的計算機集散控制系統DCS（Distributed Control System）中已有大量的可編程式控制制器應用。伴隨著計算機網路的發展，可編程式控制制器作為自動化控制網路和國際通用網路的重要組成部分，將在工業及工業以外的眾多領域發揮越來越大的作用。
參考 文 獻
② 鑽孔軌跡控制關鍵技術
(一)鑽孔軌跡控制機具
隨著鑽探難度的增大和技術不斷進步,傳統的鑽孔造斜機具(如偏心楔、機械式連續造斜器)已不能滿足全孔或長孔段鑽孔軌跡控制要求。液動孔底馬達(螺桿鑽具、渦輪鑽具)成為鑽孔軌跡控制最理想的機具。
1.液動孔底馬達工作原理及結構
(1)液動螺桿鑽具
液動螺桿鑽具的核心是螺桿馬達。螺桿馬達是一種正排量容積式液壓馬達,是「莫諾泵」(moyno pump)即單螺桿泵原理的逆應用。螺桿馬達由兩個表面帶有螺旋齒和槽的零件(轉子和定子)組成(圖7-2)。定子內表面是一層有螺旋齒和槽腔的橡膠,處於定子包容之中的鋼制轉子表面也有螺旋齒和槽腔,通常與定子之間處於靜配合狀態,並形成由若干連續密封線劃分成的若干個封閉腔。當有一定壓力的液體輸入到達定子、轉子時,一部分密封腔中充滿高壓液體,而且它們周期性地與高壓室或低壓室相通。這樣在工作液體壓力作用下,每個工作空腔橫斷面上產生不平衡液壓力dF1。這個力的分力dFZ和dFy可造成旋轉力矩M=dFZ·R(R是平均半徑)及作用於定子上的徑向力k。因此沿著轉子螺距長度上,就造成一個總的旋轉力矩M。這就是螺桿馬達進行機械動力傳遞的基本過程。
圖7-2 螺桿馬達轉子和定子橫斷面作用力圖
圖7-3為i=9/10波齒螺桿馬達轉子和定子嚙合時形成的一系列密封腔。可以看出,轉子和定子在每個截面上至少有10個接觸點,從而形成10個大小不同相互分隔的密封腔。當x=0時,低壓腔面積為零,隨後容積高度逐漸增大;x=0.5T時達最大值(T為定子導程),然後逐漸減小;x=T時,低壓腔完全封閉,形成一個完整的密封腔。對於有K級螺桿馬達者,其密封腔(或密封接觸線)數如下:
∑=K(Z1+1)-Z1space@ (7-1)
密封腔的移動是發生能量轉換的條件。當轉子在定子中轉動時,密封腔將沿軸向移動。在轉子、定子傳動副中,定子波齒數Z1比轉子波齒數Z2多一個。
Z1=Z2+1 (7-2)
定子導程T及轉子導程t與波齒數成比例,其旋向也應相同。
深部岩心鑽探技術與管理
轉子和定子螺旋表面的波齒數比通常稱為傳動比i。
深部岩心鑽探技術與管理
圖7-3 螺桿馬達工作機構內液體壓力分布
1—高壓液體腔;2—低壓液體腔
(a)x=0,φ2=0;(b)x=T/10,φ2=40°;(c)x=2T/10,φ2=80°;(d)x=3T/10,φ2=120°;(e)x=4T/10,φ2=160°;(f)x=4.5T/10,φ2=180°;(g)x=5T/10,φ2=2000°;(h)x=6T/10,φ2=240°;(i)x=7T/10,φ2=280°;(j)x=8T/10,φ2=320°;(k)x=9T/10,φ2=360°;(l)x=T,φ2=400°
螺桿鑽具的輸出扭矩M取決於螺桿馬達的工作壓力降和有關結構參數:
M=M0·ΔP·Dp·t·e (7-5)
式中:M0為轉子機械單位力矩(代表轉子機械類型的量值),N·m;ΔP為螺桿馬達工作壓力降,Pa;Dp為機械設計直徑(Dp=2eZ1),m;e為轉子機械的偏心矩,m。
深部岩心鑽探技術與管理
式中:Ce為偏心距與螺旋表面齒半徑比例的無量綱參數。
螺桿鑽具軸的旋轉速度,理論上不取決於壓力降,而取決於通過螺桿馬達截面的液體流量Q和有關結構參數。
深部岩心鑽探技術與管理
式中:Q為工作液體流量,L/min;n0為螺桿馬達軸的單位旋轉速度,在不計算液體漏失情況下由下式確定。
深部岩心鑽探技術與管理
由n0計算公式可以看出,螺桿馬達的單位轉速與波齒數成反比,在同等工作流量情況下,波齒數越多,轉速越低。
液動螺桿鑽具及側向力控制組合系統主要由定向接頭、上接頭、溢流閥、螺桿馬達(定子、轉子)、萬向聯軸節、彎外殼、驅動軸、異徑接頭等組成(圖7-4)。若不作為鑽孔軌跡控制之用時,可以不接定向接頭,彎外殼換成直外殼。
圖7-4 螺桿鑽具結構示意圖
(2)液動渦輪鑽具
液動渦輪鑽具的核心是將高壓液體能轉換成機械能的渦輪馬達,其物理基礎是液力傳動的歐拉方程式。渦輪水力單元由定子和轉子葉片組成(圖7-5),轉子和定子葉片形狀相同但彎曲方向相反。定子起到導流作用,將高壓液體導向轉子,推動轉子旋轉;轉子將旋轉力傳遞到傳動軸帶動鑽頭破碎岩石。渦輪馬達由多級(多達百級)渦輪水力單元組成。
圖7-5 單級渦輪結構圖
液動渦輪鑽具及側向力控制組合系統主要由定向接頭、渦輪鑽具上接頭、渦輪馬達、彎外殼、萬向接頭、止推軸承、傳動軸、下扶正軸承、下接頭等部分組成,鑽具結構如圖7-6所示。
圖7-6 渦輪鑽具結構示意圖
渦輪鑽具葉片主要參數(圖7-7)有:葉片平均直徑,葉片高度,定、轉子軸向高度、葉片結構角等。
渦輪葉片的平均計算直徑D:
深部岩心鑽探技術與管理
葉片高度:
深部岩心鑽探技術與管理
級高:
l=l1+l2+Δ (7-11)
式中:l1、l2分別為渦輪定、轉子的軸向高度;Δ為渦輪定、轉子間的軸向間隙。
葉片結構角(圖7-8)為渦輪葉片骨線與葉片水平斷面的夾角。定子出口和進口角:α1k、α2k。轉子出口和進口角:β1k、β2k。
多級(K級)渦輪的理論壓頭HK、理論扭矩MK、理論功率NK可由下式計算:
深部岩心鑽探技術與管理
圖7-7 渦輪葉片的結構參數
圖7-8 渦輪葉片結構角
MK=KQγmR(C1u-C2u) (7-13)
NK=KQγmu(C1u-C2u) (7-14)
深部岩心鑽探技術與管理
式中:K為渦輪級數;u為轉子葉輪計算直徑D上的圓周速度;n為渦輪主軸轉速;Q為通過渦輪的體積流量;γm為沖洗液密度;R為轉子葉輪計算半徑(R=D/2);C1u為轉子葉輪進口處絕對速度的切向分量;C2u為轉子葉輪出口處絕對速度的切向分量;g為重力加速度。
2.液動孔底動力鑽具工作特性
(1)液動螺桿鑽具
反映螺桿鑽具工作方式的工作特性有:輸出軸每分鍾的轉速n,輸出扭矩M,有效功率N,壓力降ΔP和水力效率η。通過大量試驗台測試數據繪製成的螺桿鑽具工作特性曲線如圖7-9和圖7-10所示。可以看出,輸出軸載荷愈小轉速愈高。轉速等於零時扭矩達最大值,稱為制動方式;輸出軸轉速最大時扭矩等於零,稱為空轉方式。
圖7-9 YL-54型螺桿鑽具特性曲線
(Q=150L/min)
深部岩心鑽探技術與管理
螺桿鑽具屬於容積式馬達,其輸出軸轉速與泵量成正比;扭矩與壓力降ΔP成正比而與泵量無關。操作者可根據螺桿鑽具的特性曲線來優選鑽具的合理工作范圍,通過泵壓表讀數的變化來判斷螺桿鑽具在孔底的工作狀況。
(2)液動渦輪鑽具
分析由式(7-12)～(7-15)得出的渦輪鑽具工作特性曲線(圖7-11)可知:
1)渦輪鑽具壓降在流量、渦輪結構尺寸、級數確定後即為定值,不會隨工況(鑽壓、扭矩)的變化而變化。
圖7-11 渦輪鑽具工作特性的理論曲線
2)渦輪鑽具的扭矩與流量、沖洗液密度、渦輪級數成正比。
3)渦輪鑽具的轉速與輸出扭矩成反比。扭矩超過渦輪鑽具的額定扭矩就會停止旋轉,即渦輪鑽具沒有過載能力。
4)渦輪鑽具的輸出功率與流量、渦輪結構尺寸、渦輪級數、沖洗液密度有關,隨輸出扭矩、轉速的變化而變化,並存在最大值——渦輪鑽具的理想工作負載點。
3.液動孔底動力鑽具控制鑽孔軌跡的特點
1)鑽桿不回轉可以精確控制鑽孔軌跡,配合定向隨鑽系統利於遙控鑽進。
2)鑽桿不回轉有利於控制垂直孔的孔斜。
3)鑽孔糾(造)斜強度均勻,可根據需要任意調節造斜強度,可施工大中曲率半徑的受控定向鑽孔。
4)可在任何地層中控制鑽孔軌跡。
4.液動孔底動力鑽具性能差異
(1)工作特性的差異
螺桿鑽具有較硬的機械特性,過載能力強;而渦輪鑽的機械特性較軟,過載能力差,隨著鑽壓增大導致切削阻力矩增大時,會引起轉速下降,易被「壓死」而制動。因此,螺桿鑽具用於地質岩心鑽探作業更為適用。另一方面,螺桿鑽具的壓降隨扭矩而變化,因而可通過泵壓變化來檢測螺桿鑽具工作情況。而渦輪鑽具的壓降不因載荷而變化,對其在孔底的工作狀況無法在地表直接檢測。
(2)轉速差異
渦輪鑽具的轉速明顯高於螺桿鑽具。一般渦輪鑽具空轉轉速多在1200r/min以上,其工作轉速(即空載轉速的一半)也多在600r/min以上,而單頭螺桿鑽具的轉速一般只在400r/min左右,多頭螺桿鑽具轉速一般在200r/min左右。
(3)壓降差異
外徑相近、工況參數(排量、沖洗液密度)相同的兩種鑽具,渦輪鑽具的壓降遠遠大於螺桿鑽具的壓降。例如:Φ165mm的多頭螺桿鑽具,其額定工作壓降Δp一般為3MPa(空載起動壓降一般小於1MPa),而尺寸相近的渦輪鑽具,其壓降一般可達5～7MPa,渦輪鑽具對於深孔小環狀間隙鑽孔鑽進影響較大。
(4)耐溫性能差異
螺桿鑽具的定子襯里是耐油丁腈橡膠,過高的工作溫度會使定子橡膠脆化而造成先期破壞,橡膠部件造成了鑽具承溫能力的極限值。一般的螺桿鑽具工作溫度不超過125℃;渦輪鑽具內部沒有橡膠件,不受高溫的限制。
(5)直徑影響的差異
渦輪鑽具與螺桿鑽具相比,渦輪鑽具的功率和扭矩受直徑的影響甚大,而直徑對螺桿鑽具的影響較小,地質岩心鑽探一般多選用螺桿鑽具。
(6)橫振差異
螺桿鑽具的轉子在定子型腔內作平面行星運動,產生離心慣性力造成鑽具橫向振動。而渦輪鑽具的轉子作定軸轉動不會引起離心慣性力和橫向振動。
(7)長度差異
在外徑相近、扭矩相近的條件下,渦輪鑽具的長度明顯大於(甚至成倍於)螺桿鑽具長度,長度過大對鑽孔造斜作業不利,而進行中小曲率半徑鑽孔軌跡控制選用螺桿鑽具比較有利。
(二)鑽孔軌跡控制定向測量技術
定向測量技術是實現鑽孔軌跡控制的基礎。目前主要有單點定向測量和隨鑽測量兩大類。
1.單點定向測量技術
單點定向測量是在造斜機具下孔後,鑽進前用儀器測量機具的方向,鑽進過程中不再測量。目前單點定向測量方法有直接定向和間接定向兩種。
(1)直接定向法
直接定向有兩種情況。一是直孔中只需測量和確定造斜工具定向標記在孔內(相對子午線或坐標已知點)的方位。二是斜孔中需同時測量和確定造斜部位的方位角以及造斜工具所需的安裝角(或安裝方位)。
直接定向法採用專用測斜定向儀(如照相測斜定向儀、直讀式測斜定向儀、環測法測斜定向儀等,詳見第十章第二節)下孔對造斜工具進行井下定向。根據儀器所測參數數目,可分為全測儀和非全測儀。全測儀既可測量造斜工具定向標記的方位或安裝角(面向角),又可測量鑽孔方位與頂角。非全測儀只能測量造斜工具定向標記方位。根據讀取參數的方法,還可分為測量型和記錄型儀器。前者可在地表顯示工具安裝角和孔斜參數,後者則在孔內記錄,延遲讀數。
(2)間接定向法
間接定向以造斜點原斜孔方向為基準,在已知造斜部位傾斜平面方向的基礎上(即先用測斜儀測定造斜部位鑽孔傾斜平面的方位)只需測量或確定造斜工具在孔內的安裝角。由於各種重力敏感元件(如鋼球、重錘、擺錘、偏重塊、水銀球、氣泡、玻璃管中裝酸液等)容易製作,並在傾斜鑽孔中能正確反應鑽孔傾斜平面方向,所以儀器結構比直接定向儀器簡單。常用的有鋼球定向儀、擺錘定向儀、偏重塊定向器等。根據間接定向儀確定工具安裝角方法的不同,可分為測量型、指示型、自動型。測量型儀器可在地表顯示造斜工具的安裝角;指示型只能在地表指示造斜工具的面向是否處於預定位置,不能顯示安裝角的具體數值;自動型可使造斜工具在孔內自動到達預定的面向位置,地表不顯示。其中指示型間接定向儀種類最多。根據敏感元件孔內發出的信息及地表顯示方式,指示型間接定向儀又分為機械指示型、電指示型、液力指示型、聲及光指示型等。
2.隨鑽測量技術
隨鑽測量技術(Measurement While Drilling,簡稱MWD)可以不間斷導向鑽進並測量某些近鑽頭孔底信息,實時傳至地表。獲取的信息包括:導向鑽進數據(孔斜角、方位角、工具面向角等),地層特徵(伽馬、電阻率等),鑽進參數(鑽壓、扭矩、轉速等)。目前,地質鑽探隨鑽測量以鑽孔軌跡參數為主。
如圖7-12所示,隨鑽測量系統包括裝在下部鑽具組合中的井下儀器和發射器,通過遙測信道將信號發送到地表,再經解碼和處理顯示所需的信息。MWD的最大優點是使鑽探和地質工作者能實時地「看」到孔內情況,從而改進決策過程。隨鑽測量主要包括有線隨鑽MWD和無線隨鑽MWD兩大類。有線系統有鑽桿傳輸和電纜傳輸;無線系統有電磁波、地震(聲)波、泥漿脈沖傳輸方式。
圖7-12 MWD系統示意圖
(1)鑽桿傳輸法
該方法的感測器裝在特製鑽鋌內,用鎧裝電纜(或跨接線)將該鑽鋌與鑽桿下端連接起來。跨接線的長度必須與BHA(孔底鑽具組合)的總長相等並維持一定的張力。系統的另一端,在方鑽桿頂部安裝一個與地面設備相連的絕緣滑環,地面設備完成處理信號和顯示最終結果的功能。這種系統的主要缺點是:製造特殊鑽桿柱費用高,在接頭處形成可靠的連續電路比較困難。
(2)電纜傳輸法
該方法往鑽桿內下入鎧裝電測電纜傳輸信號。但加接單根時必須提出電纜和儀器,或預先將電纜線套入鑽桿內孔,非常麻煩,有時甚至是不可行的。解決這一問題的方法一是:在鑽柱中段加接一個類似三通接頭的側入式密封裝置,將預裝入鑽柱的儀器電纜線附著在鑽柱外壁上,可用於鑽柱不回轉的鑽孔,只需防止電纜線的磨損與擠壓;方法二是:在鑽桿內卷軸上存放一段額外長度的電纜。加新單根時,系統內的電機鎖銷可使電纜暫時中斷。但起鑽前須先把整段電纜全部收回。電纜傳輸法的優點是操作較方便,信號傳輸速率高,可實現雙向通訊,井底不需附加動力源,因為不存在信號減弱問題,傳輸效果不受深度限制。
(3)電磁波傳輸法
該方法把一個電磁波發射器裝在孔內儀器中,孔內儀器作為BHA的一個組成部分,通過儀器中的感測器採集近鑽頭孔底信息,電磁波發射器產生可調制信號,以二進制碼形式沿電磁波通道傳輸信號。通過插入鑽場附近地面的天線接收並解碼、顯示這些信號。最具典型的是俄羅斯已研製成功的電磁波孔底遙測系統。近年來中國地質科學院勘探技術研究所開發的「慧磁」鑽井中靶引導系統是電磁波信號傳輸與電纜傳輸法的結合(圖7-13),已在鹽田對接井中推廣應用。
電磁波法傳輸系統的特點是數據傳輸速度快,載波信息量大,受泥漿和水泵特性的影響小,即使在提下鑽過程中也能檢測數據,系統安裝比其他方法簡便。
(4)聲波傳輸法
該方法利用聲波(或地震波)傳播機理來工作。鑽進過程中,聲波沿鑽桿、地層等介質傳播到地表。地表監測儀器接收到信號,經處理得到有價值的相關數據。聲波通道傳送的信息量小。因為鑽桿和接頭直徑的變化使聲波產生反射、干涉、強度降低,從而很難在干擾雜訊中分辨出有用信號。
圖7-13 「慧磁」鑽井中靶引導系統原理圖
聲波通道的主要缺點是信號隨深度衰減很快。所以,鑽柱中每隔400～500m要裝一個中繼站,使系統很復雜,其使用的最大孔深為3000～4000m。
(5)沖洗液壓力脈沖傳輸法
目前國內外廣泛應用的是基於鑽孔沖洗液脈沖遙測技術,信號傳播的載體是沖洗液。孔內儀器藉助孔底渦輪發電機或電池組供電;孔內感測器將物理量轉變為模擬電信號,經過孔內MWD組件處理轉換為數字信號,被送到信號發射器,經編碼、壓縮處理後,控制孔內儀器閥門的開閉產生斷續或連續泥漿壓力脈沖信號;壓力脈沖信號通過水力通道到達地表,由MWD接收器(即壓力感測器)轉變為電信號,經過解碼、濾波等處理得到孔內測量數據。
沖洗液壓力脈沖遙測法的優點在於比較簡單,不需要特殊的鑽桿,只需對正常鑽探作業作很小改變。壓力脈沖在沖洗液中以大約1200～1500m/s的速度傳輸,不受地層電磁特性、孔內振動波干擾,信號衰減小。但實時傳送的速度與信息量有限,孔內儀器對沖洗液有嚴格要求:含砂量＜1%～4%,含氣量＜7%。
(三)鑽孔軌跡計算機智能控制技術
通過計算機智能控制鑽孔軌跡屬於尖端鑽探技術,可望在21世紀中得以實現。它主要包括由可調造斜裝置、MWD和微電腦構成的孔底自動鑽孔軌跡控制系統(圖7-14)。下鑽前將鑽孔孔身剖面設計參數存入微電腦,鑽進過程中MWD隨時測定鑽頭空間位置,同時將結果送入微電腦計算處理並與設計剖面對比,作出智能分析和決策,並發出指令調節造斜裝置的狀態,校正鑽進方向的偏差,保證鑽頭按預置軌跡自動鑽進。當孔內控制系統失靈時,還可以通過雙向通信子系統啟動孔底造斜裝置和地面伺服裝置,調節鑽壓、轉速及泥漿排量等鑽進參數。
目前,鑽孔軌跡控制系統還很不成熟,還必須在物理模型、智能軟體、執行機構及計算機測控系統等方面進行大量的多學科交叉研究工作。
圖7-14 自動鑽孔軌跡控制示意圖