钻探设备远程管理及维护系统的研究

刘庆礼张西坤宫如刚

(1.河北省煤田地质局水文地质队 河北邯郸 056000)

(2.河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂 河北石家庄 050031)

(3.东北煤田地质局103勘探队 辽宁辽阳 111000)

钻探设备远程管理及维护系统的研究

刘庆礼1张西坤2宫如刚3

(1.河北省煤田地质局水文地质队 河北邯郸 056000)

(2.河北建设勘察研究院有限公司钻探机械厂 河北石家庄 050031)

(3.东北煤田地质局103勘探队 辽宁辽阳 111000)

本文论述了钻探设备远程管理和维护系统的目的意义、国内现状,介绍了野外钻探施工机械故障诊断及维护技术的特点,具体分析了钻探设备远程控制技术的原理、应用过程、系统分析和系统优点,并提出了进一步研究方向的意见和建议。

钻探设备 远程管理 故障诊断

近年来,随着国民经济的高速发展,煤田地质钻探勘察项目,由原来的孔深1200m逐步加深到1500～2500m,建设单位对工程的施工工期,施工进度,施工质量等提出了更高的要求。对于那些工程量大,工期紧,工程质量要求十分严格的煤田地质钻探勘察工程项目,必然要用现代化程度很高的施工机械设备来完成。

钻探设备远程管理及维护技术,就是通过设备动态监测、诊断技术与计算机网络技术相结合,在施工机械设备上建立状态监测点,采集钻机状态数据;而在技术力量较强的基地内(队部)建立技术服务中心,对钻机运行数据进行记录、分析诊断,指导现场人员排除故障及保养。远程设备管理与维护的实现,可以使钻机管理更加科学合理。也能实现资源共享,如与兄弟单位会诊,钻具、冲洗液的监测等。

1 目的意义及国内现状

钻探设备对工程施工起着决定性的作用。然而,由于钻探设备是露天作业,工作环境十分恶劣,施工工况极其复杂多变,故障频繁,钻探施工生产的特性决定了它们工作在各个工地上,分散性大,流动性强,现场人员技术水平有限,给钻机的科学管理及故障的及时排除带来了很大困难。尤其近年来随着施工规模日益庞大,现代化的钻探施工设备也日趋大型化、连续化、机电一体化,其性能与复杂程度不断提高,对钻机故障的诊断也更为复杂。靠传统的填写值班日志、靠参数越限报警等人工或半自动化的方法来维护机械设备既落后,又不客观,而且只能做事后分析。这种陈旧的钻机维护模式,无论是数据的可靠性或实时性,还是钻机的维护质量均无法满足要求,导致施工机械在施工过程中停机多,检修时间长,严重影响到工程的进度和质量。所以,为了保持处于异地的煤田地质钻探勘察施工钻机良好的技术状态,将异地的钻机动态信息协调起来,对于施工设备管理,进行实时诊断和维护是很必要的,建立远程设备管理及维护系统是解决问题的很好的方法。

钻探设备远程管理及维护系统作为一个新兴而特殊的行业,随着现代维修理论、相关基础学科理论和各种检查技术、工艺手段的不断发展而发展和完善。它有以下几个主要要素:

(1)目标要素

诊断的目的就是要确定钻场中钻机、泥浆泵、动力机组、钻塔、钻具等主要设备的运行状况、检查故障部位、分析故障产生的原因和制定经济有效的维修方案。

(2)技术要素

钻探设备远程管理及维护系统需多方面的理论、业务知识,诊断及维修涉及摩擦学、材料学、物理学、化学等多种学科;包括机械制造、金属结构、液压、电气和自动化等相关专业;需采用机械加工、焊接、铸造、热处理、表面处理等多种工艺手段;要掌握维修理论,机构学及经营管理等多方面知识。

(3)环境要素

钻探设备工作环境恶劣,钻机的运行在野外,工作在温差大、日晒雨淋、风沙、腐蚀的环境下,同时现场技术人员水平参差不齐。

(4)时效要素

钻探设备远程管理及维护的效果验证及时。一切诊断方法和维修技术都以机械的实际状况为基础,处理结果很快得到实践验证。

2 故障诊断技术

钻探设备远程管理和维护的主要内容是钻机故障诊断技术,钻机的故障诊断包括故障监测与故障诊断,通常合在一体统称为故障监测和诊断。

2.1 钻探设备故障机理

通常我们说钻机工作正常是指它具备应有的原设计功能,没有任何缺陷,能够满足正常钻探施工的需要。钻机工作异常是劣化的一种表现形式,它又分为两种情况,一种是因维护不到位造成,一种是因磨损、污染等造成。它是故障的前奏,如果继续使用,劣化将进一步发展,使钻机状态发生变化,性能恶化。钻机故障则是劣化发展到使钻机性能和功能都有所丧失的程度。

钻机的异常或故障是在钻机运行中通过其状态信号变化反映出的。由于监测与故障诊断是在不停机的情况下进行的,因此必然以状态信号为依据。状态信号是钻机在运行中出现的各种物理的、化学的现象。如振动、噪声、温升、油耗、变形、功耗、磨损、气味等,这些都是钻机运行所固有的。监测与诊断就是要快速、准确地提取钻机运行时状态信号所反映的特征。

2.2 故障诊断过程

2.2.1 状态监测

主要是测取与钻机运行有关的状态信号。状态信号是故障信息的唯一载体,也是诊断的唯一依据。因此在状态监测中及时、准确地获取状态信号是十分重要的。

钻机运行状态信号的获取主要是依靠传感器或其它监测手段进行故障信号的检测。检测中主要有以下几个过程:

(1)信号测取:主要是通过仪表或传感器组成的探测头直接感知钻机参数的变化;

(2)中间变换:主要完成由探测头取得的信号的变换和传输;

(3)数据采集:就是把中间变换的连续信号进行离散化过程。数据是诊断的基础,能否采集到足够长的客观反映钻机运行状态的信息,是诊断成败的关键。

2.2.2 特征提取

特征提取就是从状态信号中提取与钻机运行有关的特征信息,加载到数据采集器中。

2.2.3 故障诊断

故障诊断就是根据所提取的特征判别状态有无异常,并根据此信息和其它补充测试的辅助信息寻找故障源。

2.2.4 决策

根据钻机运行的特征状态,预测故障发展趋势,并根据故障性质和趋势,做出决策,干预其工作过程(包括控制、调整、维修等)。

2.3 诊断原理

钻机诊断是利用被诊断的钻机提供的一切有用信息,经过分析处理以获得最能识别钻机状态的特征参数,以便做出正确的诊断结论。钻机运行时产生多种信息,当其功能逐渐劣化时,就出现相应的异常信息,如钻机的状态变化而产生的异常振动、噪声、温度等机械信号;钻机劣化过程产生的磨损微粒、油液及气体成分变化的化学信号等。利用检测仪器对最敏感的故障特征信号进行状态监测,做出正确的分析和诊断,可以及时预测钻机可能发生的故障。

传感器安装在钻机上,以传递温度、压力、振动、变形等信号,这些信号进一步转化为电信号,输入到信号处理装置,在信号处理装置中将输入的诊断信号与预先储存在系统内的标准信号进行比较,标准信号是根据事先积累的大量数据资料和实际经验分析归纳而制定出来的判定标准,是钻机各种参数的允许值。通过比较做出判断,确定故障的部位和原因,预测可能发生的故障。

3 钻探设备远程管理及维护系统

由于钻探设备故障的多样性、突发性、成因的复杂性和进行故障诊断所需要的知识对领域专家实践经验和诊断策略的依赖性;动态信号测试分析系统能通过自身的学习机能建立故障征兆和故障模式之间的复杂映射关系,可以进行多因素预测。因此,基于钻探设备自身的工作特性和动态信号测试分析系统的优越性,提出了如图1所示野外钻探施工机械远程故障诊断及维护系统。

3.1 系统简介

系统通过动态信号测试分析系统对钻机运行状态进行在线分析和推理,对钻机的工况及相关信息做出相应评价;还可以通过电话线、无线网络与远程单元相连,以便在异地获取钻机工况及其性能信息,并据此做出评价,给出具体的维修策略与预防措施,对故障进行及时的修复和预防,确保钻机始终处于良好的运行状态。

图1 远程施工机械管理系统

3.1.1 钻探设备远程管理及维护系统配置清单(表1)

3.1.2 系统功能与技术指标

设备巡检监测、诊断与管理软件功能:通过设备巡检仪(DH5904Ex)和工艺巡检仪(DH5904Exb)获得生产现场设备的和工艺的各种信息,经《监测、诊断与管理软件(简称DHPMA系统)》,把指挥总部、每一运行部门、每一单元、每一设备、每一测点、每一工艺系统当前的和历史的状态信息及各种统计报表呈献给指挥总部相关人员,为各级管理人员作出科学的决策提供可靠的依据。

表1 钻探设备远程管理及维护系统配置清单

3.1.3 主要模块及功能

主要模块包括:巡检、诊断、管理三大模块。巡检包括巡检设置和监测报警。巡检设置包括建立组态,建立指挥中心、运行部、单元、设备、测点、工艺区域、工艺巡检点的组态;其中设备测点的组态包括:显示参数(加速度、速度、位移可选一、选二、选三)、采样频率(最高10kHz)、谱线数(最高 1600线);监测报警包括对振动、温度、手抄、观察量(可定量描述的观察量)作出趋势图,超限报警;诊断是对振动数据提供波形、频谱、瀑布图、综合分析、具有数据导航功能(综合分析和数据导航是东昊独有的功能);管理是对指挥中心、各运行部、各单元等进行泄漏率、完好率、运行率的统计;设备当前状态的统计包括运行、报警(报警时间、报警原因)、备用、检修(检修时间、检修你负责人)等状态的统计,故障类型、故障原因的统计,主要备件质量的统计,检修质量的统计,巡检质量(巡检到位、漏检、违规等)统计。

3.1.4 诊断图谱(表2)

表2 常见图谱

图2和图3为诊断图谱示例。

图2 振动时间波形与频谱

图3 瀑布图显示

3.1.5 轴承特征频率计算模块、轴承库等功能(图4)。

3.1.6 硬件功能与技术参数

1)DH5904巡检仪功能

DH5904设备巡检仪是针对数量众多的普通转动设备(如各种类型的泵、电机、风机等)进行定期巡检、数据采集而设计的巡检仪,同时具有工艺巡检的功能,是一款根据巡检需求、集当今状态监测、电子技术、计算机及通讯领域的先进技术而设计的一款性能优越的巡检仪。DH5904设备巡检仪有如下功能:

图4 轴承特征频率计算模块、轴承库

(1)振动巡检:由上位机选择显示振动加速度、速度或位移三者之一,也可以同时显示其中两个或三个参数;

(2)温度巡检:内置红外测温模块,温度测量范围:-20～360℃;

(3)手抄功能:方便地记录现场设备安装的各类表计读数信息;

(4)观察量记录:可以将现场五官感受到的设备信息记录在巡检仪中(跑、冒、滴、漏等状态信息等);

(5)泄漏点记录:任何状态下按一个键(固定键)进入漏点记录功能,数据回收后系统自动统计泄漏率;

(6)图谱显示:巡检完成后,显示振动趋势图(最多显示前16次振动值的趋势)、时间波形或频谱图(由用户选择)。

2)DH5904巡检仪技术指标(见表3)。

表3 DH5904巡检仪技术指标

知识密集型智能工具,动态信号测试分析系统可以随时对钻机工况进行跟踪,获取和分析钻机及其周围环境的数据。可以储存主要部件的状态“轨迹”。一旦发生失效,诊断服务中心的专家可以读取储存器内容,获取需要时间段的工况信息,迅速确定故障,并指导现场技术人员给予及时修复。当钻机出现新的故障时,通过动态信号测试分析软件不断调整、增加分析内容,以提高故障的正确检查率,减低漏报率和误报率。这些基于知识的信息同样可以为其他的用户所共享。

3.2 系统优点

远程故障诊断及维护系统的一个突出优点在于进行协作诊断和维护,及时排除故障。

3.2.1 故障情况数据收集

通过远程诊断系统,可以积累更多的机械运行的故障工况,由此,从各远程钻探现场获取的故障情况中,可以开发更好的诊断分析方法。

3.2.2 故障诊断

不同地点的专家可以访问服务器中存放的有效信息,因此,分散在各远程钻探施工现场的数据,可以集成起来完成更复杂的协作诊断。

3.2.3 远程服务系统提供了多种类型的信息

例如在线的钻探现场机械运行的传感数据,故障发生初始、性能下降的历史数据等。

4 进一步研究方向

在线传感是远程服务系统的基础,由于机器及其所处环境的复杂性,可能要用到各种类型传感器。一个机器故障(例如轴失衡)的出现会引发不同的征兆(例如振动、温度变化、电机负荷变化等),这些可由不同的传感器(例如加速度计、热电藕、电机电流等)测量获取。因此需要有多种数据采集协议的支撑。同样,一个传感器也可以感知同时发生的不同故障,并且当运行条件发生变化时,其灵敏度也会不同。因此,传感信息融合的自适应能力是非常重要的,这样将有利于提高诊断策略的可靠性。此外,还需要研究面向目标的传感器优化布置策略,通过实现知识与经验的共享和学习,实现远程诊断中的上述技术。随着远程服务活动的扩展,将会有更多的钻机/过程连接到远程诊断系统上,因此应该致力于开发用于传感系统设计与实现的综合工具。

对于远程诊断系统,在目前的网络建设条件下,大量数据远程传输过程比较慢,必须采用数据压缩技术对大量的实时监测数据进行处理和取舍,随着信息化技术的不断进步,数据远程传输技术将得到完善。

5 结论

钻探设备远程管理和维护系统使钻机维修从传统的按时维修及故障维修转换到预报及主动维修方式;而建立在对钻机的状态监测、故障诊断的基础上的野外钻探施工机械远程故障诊断及维护系统,能较准确地诊断出故障发生的时间和部位,从而及时确定维修时间及内容。

钻探设备远程管理和维护系统目前还处于发展初期,还有很多问题尚待解决,这包括故障诊断技术本身要解决的问题及网络技术的问题。但是,无论是从经济观点出发,还是从整个施工来考虑,借助网络,准确、及时、有效地实现野外钻探施工机械远程故障诊断的方法都值得关注和研究。综上所述,钻探设备远程管理及维护系统有以下优点:

(1)在主要钻探钻机上建立状态监测点,采集钻机状态数据;由专业技术人员进行分析诊断,提出合理的保养修理方案,远距离管理钻机的能力得到了加强。

(2)建立钻机运行状态数据库,预测钻机故障,提前制定检修计划。

(3)队部建立指挥中心,远距离指导现场操作人员维护,保养,修理钻机。技术服务中心指导现场人员科学地保养,合理地排除故障。

(4)钻场与钻场之间、钻场与技术服务中心之间可进行资源共享。

(5)将检修过程制成软件,以专业声画软件,作为指导、教学、培训使用。

1 孙松尧.钻井机械[M].北京:石油工业出版社,2003

2 郭绍什.钻探手册[M].北京:中国地质大学出版社,1993

3 曾伟东.如何正确认识和开展施工企业工程机械设备管理.建筑机械技术与原理,2005(2)

4 方俊等.钻参仪参数检测原理及传感器选型安装.探矿工程(岩土钻凿工程),2010(4)

5 李忠.基于PDA和蓝牙的无缆钻孔测斜仪.探矿工程(岩土钻凿工程),2010(5)

2010年7月19日)