煤層氣車載鉆機遠程電液控制系統研制及應用

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 工程機械學院，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，各個生產廠家的競爭也非常強烈，設備的功能及技術水平便成了現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，給司鉆人員及時提供鉆進依據，但由于鉆井工作面工況條件比較惡劣，屬于野外作業和移動性設備，柴油機載荷變化幅度大，動力分配復雜，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；由于該控制系統具有大量的信號數據交換，CAN總線便作為首選通訊方式，其是一種支持分布式或實時控制的串行通信網絡，可靠性高、結構簡單、靈活性強[4，5]，不僅使車載鉆機具備遠程數據監測功能，而且能通過遠程總線傳輸，來控制液壓電磁閥驅動負載，當鉆機在遇到惡劣天氣或高危鉆進時，可隨時應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 系統組成及功能

遠程電液控制系統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以外，其于電控系統通過航空插頭快速配接，在車身防爆箱體預留有對接插口，通訊電纜僅有供電和CAN通訊共四根導線；通過CAN總線通訊，遠程控制臺內控制器負責接收操作指令，防爆箱體內擴展控制器負責對相應的電磁閥輸出執行信號。車載鉆機自身電控系統只具備監控功能，而遠程電液控制系統具備鉆進控制功能。遠程控制臺裝配有兩塊顯示屏，一塊用來顯示監測鉆進狀態，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部，如圖1所示。

圖1 車載鉆機遠程電液控制系統布局

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行電信號操作。閥體分為比例電磁鐵及開關量電磁鐵，根據不同功能對電磁線圈提供不同信號方式。由于執行動作較多，內部控制器選用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，可對系統中比例電磁閥實現良好的控制。遠程控制臺采用數字化顯示，顯示屏選用Eaton 7寸顯示屏，亮度高達1000cd/m2，環境及工作溫度范圍-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、顏色豐富等優點，在彩色顯示器領域得到了廣泛的應用，但不支持熱插拔。

遠程控制臺由于在野外使用，環境惡劣，外殼體結構采用IP65設計，鉆機鉆進功能的操作有手柄、按鈕、旋鈕等，根據不同的動作需求，選用符合操作習慣的指令器件，使得操作更加符合人體工學。動作控制方式見表1。

表1 鉆機動作控制方式

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

2 電液比例控制方式

電液控制系統的動作執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的按比例遠距離的控制流體方向、壓力和流量。傳統的控制方式為采用放大驅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電流，電子器件功耗大，發熱嚴重，容易造成比例閥穩定性差，控制精度低，故障率高等問題。因此，在該系統中利用控制器的脈沖寬度調制(PWM)信號實現對車載鉆機鉆進功能的比例控制，該技術是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中，抗干擾、抗污染能力強，滯后時間短，可提高控制系統的穩態精度、動態響應及穩定性[14，15]。

PWM控制通過導通和關斷，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的矩形波，占空比則為PWM時鐘周期內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，占空比較大時，易出現流量飽和[6]。

3 軟件設計

控制器的底層程序和顯示屏的程序編寫為軟件設計的主要內容，其中底層軟件的設計更是實現精準化控制的重點?？刂破骶幊袒贑oDeSys開發的BODAS-design3.0環境，編程語言為IEC61131-3的六種綜合性編程語言，與顯示器的開發環境基本相同。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，也可以根據標準庫調用功能模塊，采用順序執行方式，給用戶在編寫代碼時提供更多的方便[7，8]。該系統指令信號輸入及執行信號輸出采用FBD語言進行編程，該語言可直接調用模塊，直觀、易編寫。

3.1 比例輸入調節模塊

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。控制器的JoyFilter功能塊函數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處理，可把輸出范圍調整成-10000～10000之間。

圖2 雙向模擬量標定模塊

在該函數輸入中，部分參數說明及變量輸入如下：

Par_Neg/Par_Pos：正負向輸入的調節參數。主要用于當正負向輸入最大時，調節參數使得OUTPUT也為正負向最大。

Par_Zero：零輸入的調節參數。主要用于當手柄在零位時，即零輸入時，調節參數使得OUTPUT也為零。

Par_Deadband：死區設置參數。取值范圍：0～100。當輸入進入參數設置范圍，輸出為零。值得注意的是在實際的應用中通常會有5%的死區值。

Par_Neg_Pro/Par_Pos_Pro：取值范圍：-100～100，設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曲線。正負向緩沖響應曲線如圖3所示。在手柄信號輸出中，可根據動作調節輸出的響應時間。

圖3 手柄輸入輸出響應曲線

3.2 PWM輸出調節模塊

DMotion_V模塊函數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，當控制信號在0～10000，Out_PWM_UP 輸出，值 0～10000；當控制信號在0～-10000，Out_PWM_DOWN輸出，值 0～-10000。由參數控制最大最小輸出電流范圍。DMotion_V功能塊函數如圖4所示。

圖4 比例閥控制模塊

在該函數輸入中，部分參數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，電流輸出為默認值1000，但在PWM輸出中需酌情設置，一般指為1。

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

4 施工應用

遠程電液控制系統應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劉家腰村，坐標112.471，35.654附近進行煤層氣地面開發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的可靠性，在對鉆井隊司鉆人員集中培訓后，施工中連續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，驗證了遠程控制系統的安全性、穩定性以及便攜性。

遠程電液控制系統的雙路攝像頭分別放置井口不同角度，可基本實現操作觀察需求。應用表明：操作臺的集中化操控方便，PWM信號控制的比例閥響應時間基本在0.8s以內，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，避免了大量的遠距離液壓管線布置；實現了遠距離發動機急停及工作狀態讀?。凰俱@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 語

煤層氣車載鉆機的遠程電液控制系統，不僅能夠采集鉆機作業運行狀態，而且可以對發動機及鉆進系統進行有效的控制，同時在雙路攝像頭的視頻輔助下，可完全實現遠距離井口無人操作。該系統鉆機參數顯示全面，液壓電磁閥邏輯能力強，響應速度快，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。遠程電液控制系統的應用對煤層氣車載鉆機的推廣有著積極的意義，也對后期的實現自動化、智能化奠定了基礎。