煤层气车载钻机远程电液控制系统研制及应用

赵 良

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064)

随着地面煤层气抽采钻孔施工需求的快速增长，煤层气车载钻机的市场需求越来越旺盛，各个生产厂家的竞争也非常强烈，设备的功能及技术水平便成了现代车载钻机的核心竞争力。煤层气车载钻机集成化程度高，便需要全面的反映钻机的实时运行状态，给司钻人员及时提供钻进依据，但由于钻井工作面工况条件比较恶劣，属于野外作业和移动性设备，柴油机载荷变化幅度大，动力分配复杂，钻进过程中伴有灰尘、泥浆、震动甚至煤层气突出，对司钻人员和井口辅助人员带来不便，不仅造成劳动强度大而且存在安全隐患，甚至容易引发不同程度人员安全事故，所以液控操作方式很难完全满足需求[1-3]；鉴于此，着重分析煤层气车载钻机的整机功能，引入便携式远程电液控制系统；由于该控制系统具有大量的信号数据交换，CAN总线便作为首选通讯方式，其是一种支持分布式或实时控制的串行通信网络，可靠性高、结构简单、灵活性强[4，5]，不仅使车载钻机具备远程数据监测功能，而且能通过远程总线传输，来控制液压电磁阀驱动负载，当钻机在遇到恶劣天气或高危钻进时，可随时应用其来进行不间断施工，不耽搁钻井进度，保证钻进或提钻的顺利进行。

1 系统组成及功能

远程电液控制系统主要由多路电液双控电磁阀、远程控制台及防爆摄像头组成。远程控制台独立于煤层气车载钻机电控系统以外，其于电控系统通过航空插头快速配接，在车身防爆箱体预留有对接插口，通讯电缆仅有供电和CAN通讯共四根导线；通过CAN总线通讯，远程控制台内控制器负责接收操作指令，防爆箱体内扩展控制器负责对相应的电磁阀输出执行信号。车载钻机自身电控系统只具备监控功能，而远程电液控制系统具备钻进控制功能。远程控制台装配有两块显示屏，一块用来显示监测钻进状态，另一块用来远程视频；其他控制器及操作器件都集中于远程控制台内部，如图1所示。

图1 车载钻机远程电液控制系统布局

电液双控电磁阀既可以通过液控方式近端操作，也可以通过远程控制台执行电信号操作。阀体分为比例电磁铁及开关量电磁铁，根据不同功能对电磁线圈提供不同信号方式。由于执行动作较多，内部控制器选用Bosch Rexroth RC28-14和扩展RCE12-4并用；该控制器体积虽小，但具有4路单独CAN总线通讯接口，输入接口具有受压保护，以防过电压和电气干扰，对电流控制的比例电磁铁输出进行脉宽调制(PWM)，并对其提供温度和电压补偿，以保证精确度和最小滞后，可对系统中比例电磁阀实现良好的控制。远程控制台采用数字化显示，显示屏选用Eaton 7寸显示屏，亮度高达1000cd/m2，环境及工作温度范围-40～80℃，能够满足司钻人员在阳光下直视及温差巨大的区域使用。双路摄像头采用VGA 信号，该信号具有分辨率高、显示速率快、颜色丰富等优点，在彩色显示器领域得到了广泛的应用，但不支持热插拔。

远程控制台由于在野外使用，环境恶劣，外壳体结构采用IP65设计，钻机钻进功能的操作有手柄、按钮、旋钮等，根据不同的动作需求，选用符合操作习惯的指令器件，使得操作更加符合人体工学。动作控制方式见表1。

表1 钻机动作控制方式

远程控制钻进系统将钻机液控功能高度集中，不仅包括动力头及回转、卸扣器、卷扬、给进装置、孔口夹持的操控，而且可以实现远近油门切换、熄火以及急停，可达到对发动机必要的远程操作，防止出现突发状况[11-13]。

2 电液比例控制方式

电液控制系统的动作执行核心便是电液比例阀，可按给定的输入电压或电流信号连续的按比例远距离的控制流体方向、压力和流量。传统的控制方式为采用放大驱动板控制比例阀的电流，模拟式功率输出至比例阀线圈的是连续电流，电子器件功耗大，发热严重，容易造成比例阀稳定性差，控制精度低，故障率高等问题。因此，在该系统中利用控制器的脉冲宽度调制(PWM)信号实现对车载钻机钻进功能的比例控制，该技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中，抗干扰、抗污染能力强，滞后时间短，可提高控制系统的稳态精度、动态响应及稳定性[14，15]。

PWM控制通过导通和关断，把直流电压变成电压脉冲列，通过电压脉冲的宽度和周期来控制电液比例阀，其作用在比例电磁线圈上为脉冲宽度可调的矩形波，占空比则为PWM时钟周期内高电平的保持时间与周期时间之比。因此，为了使比例阀电流平均值保持稳定，便需要选取比较合适的占空比，占空比较小时，存在着流量死区，占空比较大时，易出现流量饱和[6]。

3 软件设计

控制器的底层程序和显示屏的程序编写为软件设计的主要内容，其中底层软件的设计更是实现精准化控制的重点。控制器编程基于CoDeSys开发的BODAS-design3.0环境，编程语言为IEC61131-3的六种综合性编程语言，与显示器的开发环境基本相同。用户的编程方式可以从六种语言中选择熟练的方式进行编写，也可以根据标准库调用功能模块，采用顺序执行方式，给用户在编写代码时提供更多的方便[7，8]。该系统指令信号输入及执行信号输出采用FBD语言进行编程，该语言可直接调用模块，直观、易编写。

3.1 比例输入调节模块

比例阀的控制精度与输入信号的精度和比例阀阀芯位移反馈有关。控制器的JoyFilter功能块函数即是对手柄输入信号的处理，如图2所示。JoyFilter是一个双向的模拟量标定块，也就是说是对输入的模拟量进行预处理，可把输出范围调整成-10000～10000之间。

图2 双向模拟量标定模块

在该函数输入中，部分参数说明及变量输入如下：

Par_Neg/Par_Pos：正负向输入的调节参数。主要用于当正负向输入最大时，调节参数使得OUTPUT也为正负向最大。

Par_Zero：零输入的调节参数。主要用于当手柄在零位时，即零输入时，调节参数使得OUTPUT也为零。

Par_Deadband：死区设置参数。取值范围：0～100。当输入进入参数设置范围，输出为零。值得注意的是在实际的应用中通常会有5%的死区值。

Par_Neg_Pro/Par_Pos_Pro：取值范围：-100～100，设置正负向输出缓冲曲线度，手柄正负向输出值相对于输入值的一个响应曲线。正负向缓冲响应曲线如图3所示。在手柄信号输出中，可根据动作调节输出的响应时间。

图3 手柄输入输出响应曲线

3.2 PWM输出调节模块

DMotion_V模块函数主要用于控制比例阀，有两路PWM输出，一般为正反向输出，控制信号范围-10000～10000，当控制信号在0～10000，Out_PWM_UP 输出，值 0～10000；当控制信号在0～-10000，Out_PWM_DOWN输出，值 0～-10000。由参数控制最大最小输出电流范围。DMotion_V功能块函数如图4所示。

图4 比例阀控制模块

在该函数输入中，部分参数说明及变量输入如下：

Up_Accel：正方向每100ms增加的电流值；Up_Dccel：正方向每100ms减少的电流值；

Down_Accel：负方向每100ms增加的电流值；Down_Dccel：负方向每100ms减少的电流值；

Up_Max_Current：正向输出允许最大值。即比例阀的最大开启电流；Up_Min_Current：正向输出允许最小值。即比例阀的最小开启电流。

Down_Min_Current：负向输出允许最小值，即比例阀的最小开启电流；Down_Max_Current：负向输出允许最大值，即比例阀的最大开启电流。

Scale：输出放大倍数，电流输出为默认值1000，但在PWM输出中需酌情设置，一般指为1。

电液比例阀的理想静态特性应该是被控参数与输入信号是线性的，完全成同一比例，但实际上，因为阀内存在的摩擦、磁滞及机械死区等因素[9-15]，反映出来的动作并非线性，比较明显的例如死区、油温和进出口压力变化容易引起的特性零位漂移，因此可通过死区设置及开启电流来调节。

4 施工应用

远程电液控制系统应用于中煤科工集团西安研究院有限公司ZMK5530TZJ100型车载钻机，该钻机在山西端氏镇刘家腰村，坐标112.471，35.654附近进行煤层气地面开发远端对接井及不同深度巷道电缆孔施工。为了验证远程电液控制系统的可靠性，在对钻井队司钻人员集中培训后，施工中连续多次使用远程控制台，操作手能够熟练的掌握操作方法，并顺利的完成了多个钻井任务，验证了远程控制系统的安全性、稳定性以及便携性。

远程电液控制系统的双路摄像头分别放置井口不同角度，可基本实现操作观察需求。应用表明：操作台的集中化操控方便，PWM信号控制的比例阀响应时间基本在0.8s以内，快速、精准、易操作，大大降低了司钻人员的劳动强度；简化了钻机液控操作系统，避免了大量的远距离液压管线布置；实现了远距离发动机急停及工作状态读取；司钻人员可任意摆放操作台位置及距离，提高了车载钻机的施工安全性，为施工人员提供了安全保障。

5 结 语

煤层气车载钻机的远程电液控制系统，不仅能够采集钻机作业运行状态，而且可以对发动机及钻进系统进行有效的控制，同时在双路摄像头的视频辅助下，可完全实现远距离井口无人操作。该系统钻机参数显示全面，液压电磁阀逻辑能力强，响应速度快，完全满足司钻人员对操作的需求；远程控制台采用CAN总线通讯，插拔方便，便携性好，远距离操控安全性可靠。远程电液控制系统的应用对煤层气车载钻机的推广有着积极的意义，也对后期的实现自动化、智能化奠定了基础。