一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法。通过控制器可实现对钻具钻进过程、钻环境的温度以及钻进环境的真空度进行控制。并通过各自的通讯接口实现与控制中心间的通信，控制中心可控制每一个子系统独立运行。上述控制器的控制方法为：首先进给电机低速进给，根据力反馈判断钻具是否与钻进对象接触；随后钻具与钻进对象接触，进给电机保持低速进给，回转电机启动低速回转；在钻进的过程中随时调整钻进的速度等级，进给电机根据力反馈速度等级逐渐由高速向低速转变；且在碰到恶劣工况，启动冲击电机，使用回转-冲击钻进。本发明专利技术的优点为：可控制进行不同组合的试验，极大方便实验装置调试，能够保证钻具很好的钻进效果。

【技术实现步骤摘要】
一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法
本专利技术涉及一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法，尤其涉及一种能够在真空环境、高温或低温钻进对象下进行钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法。
技术介绍
在地质勘探、矿山开采、石油钻井、地外天体取样等领域，经常需要钻掘地质层层。钻头在钻进过程中会出现明显的温度升高现象，温度过高不但会使钻头产生的热应力超出钻头材料的许用强度，还会产生材料变性等不利影响，使钻头使用寿命下降，过早失效，造成“烧钻”事故。在钻具钻进过程中，绝大部分切削功将会转化为切削热，会导致钻具温度快速升高，尤其是钻头部位，必须控制温度的升高以确保安全的钻进。在实际应用中，通常通过调节钻进工艺规程参数来控制钻具温升，但具体到那个参数对钻具温升的影响更大，仍然没有取得一致结论。分析钻具温度变化的影响因素，深入研究钻具温度变化规律、识别热边界、验证钻具耐温性能，以及识别钻头烧钻等苛刻工况的风险，确定合理的钻进策略和安全钻进临界条件，对全面探索钻具破损机理和提高钻具使用寿命有很强的实用价值。
技术实现思路
本专利技术针对具有进给驱动机构、旋转驱动机构、冲击驱动机本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，其特征在于：包括钻进控制子系统、温度控制子系统、真空控制子系统和控制中心；其中，钻进控制子系统包括运动控制卡、旋转驱动器、旋转编码器、冲击驱动器、冲击编码器、进给驱动器、进给编码器、放大器、A/D转换器、压扭复合力传感器、位置开关、热电偶、温度巡检仪、钻进控制子系统通讯接口、钻进控制子系统电接口；其中，运动控制卡用于钻进模式的切换，接受控制中心发送的控制命令，分别通过旋转驱动器、进给驱动器、冲击驱动器实现钻进机构中旋转电机、进给电机与冲击电机的运动；压扭复合力传感器用于测量钻机钻具钻进过程的钻压力和扭矩信号，并由放大器进行放大后，经A/D转换器转换为数字...

【技术特征摘要】
1.一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，其特征在于：包括钻进控制子系统、温度控制子系统、真空控制子系统和控制中心；其中，钻进控制子系统包括运动控制卡、旋转驱动器、旋转编码器、冲击驱动器、冲击编码器、进给驱动器、进给编码器、放大器、A/D转换器、压扭复合力传感器、位置开关、热电偶、温度巡检仪、钻进控制子系统通讯接口、钻进控制子系统电接口；其中，运动控制卡用于钻进模式的切换，接受控制中心发送的控制命令，分别通过旋转驱动器、进给驱动器、冲击驱动器实现钻进机构中旋转电机、进给电机与冲击电机的运动；压扭复合力传感器用于测量钻机钻具钻进过程的钻压力和扭矩信号，并由放大器进行放大后，经A/D转换器转换为数字信号；热电偶用于测量钻机钻具钻进过程中的温度数据，由温度巡检仪采集；位置开关用于设定钻机钻具的钻进零点；进给编码器用于反馈进给电机运动速度；冲击编码器用于反馈冲击电机运动速度；旋转编码器用来反馈旋转电机运动速度；钻进控制子系统电接口用于连接外部电源；钻进控制子系统通讯接口用于钻进控制子系统与控制中心间的通信，由控制中心实时接收压扭复合力传感器、温度巡检仪、位置开关、进给编码器、冲击编码器与旋转编码器反馈的信息，并进行过滤，去干扰和噪音，得到钻机的参数，进行存储；所述温度控制子系统包括温度控制PLC、制冷机、碘钨灯、电热丝、温度钎、铂电阻巡检仪、储液室、换热器、紫铜管、冷水机A、循环泵、真空计A、温度控制子系统通讯接口与温度控制子系统电接口；其中，温控PLC为温度控制子系统的控制中枢，接收控制中心发送的控制命令，控制制冷机与碘钨灯工作，由制冷机与碘钨灯分别实现对钻进对象表面的制冷与加热；电热丝用于给冷却介质加热；温度钎用于测量钻进对象表面及内部的温度，温度信号由铂电阻巡检仪进行采集；储液室用于容纳回流的冷却介质；换热器用于制冷机和冷却介质热量交换；紫铜管用于循环冷却介质；冷水机A用于给制冷机降温冷却；储液室流出冷却介质至循环泵，在循环泵出口高压流出，经过换热器和制冷机进行热交换，通过紫铜管给土壤筒制冷，然后流回储液室；同时也可以通过冷却介质对钻进对象进行加热，获得高温条件下钻进的温度场；真空计A用于测量真空室内真空度，通过真空室为钻具测试提供真空环境；温度控制子系统电接口用连接外部电源；温度控制子系统通讯接口用于和控制中心通信，由控制中心实时采集铂电阻温度巡检仪返回的钻进对象表面及内部的温度信息，与真空室内真空度信息，并进行存储；所述真空控制子系统包括由机械泵A、机械泵B、罗茨泵、扩散泵、维持泵组成的真空机组、由截止阀、维持阀、旁通阀、粗抽阀、精抽阀、前级阀，放气阀组成的真空控制阀件、以及电磁阀组、真空控制PLC、空气压缩机、冷水机B、真空计B、真空计C、配电系统、真空控制子系统通讯接口、真空控制子系统电接口；其中，真空控制PLC接收控制中心的控制信号，控制真空机组的运行；所述真空机组用于提供抽真空动力，可分别用于不同真空度等级的试验；真空控制阀件用于控制真空抽气管路；空气压缩机用来为真空控制阀件提供气动力；真空计B与真空计C用于测量真空机组中各个工作泵的运行真空度；冷水机B用于给真空机组降温冷却；电磁阀组用于控制真空控制阀件中各个控制阀的打开或关闭；放气阀用于给真空室充气在试验结束可使真空室内恢复大气压；配电系统用于给真空机组配电；真空控制子系统电接口用于连接外部电源；真空控制子系统通讯接口用于和控制中心通信，由控制中心采集真空机组的运行参数、真空控制阀件与电磁阀组的开闭状态，以及真空计B与真空计C的真空度，并进行存储。2.如权利要求1所述一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，其特征在于：采用均值电流滤波实现试验钻进平台中所有电机的保护，方法如下：设置有一个可存储k个时刻电机电流数据的电流数组C[k]，其中，k的值可以根据电流采样的频率修改；此电流数组所采集的电流数据之和为：其中，C[i]为电流数组中第i个时刻的电流值，i＝0、1、2、……、k-1，则电流数组中电流的均值为：Caverage＝Csum/k；钻进控制子系统采集一个新的电流数据，即k时刻的电流数据C[k]，则丢弃电流数组中最先采集的电流数据，即C[0]，并存入C[k]；则此时电流值之和Csum＝Csum-C[0]+C[k]；电流数组移位为：C[i]＝C[i+1]，i＝0、1、2、3、……、k-1；重新计算电流均值：Caverage＝Csum/k若Caverage大于设定的保护电流，则电机超载或堵转，钻进控制子系统控制电机停止工作5s后再次启动，持续循环检测电机电流；若连续10次Caverage大于设定保护电流，则钻进出现故障，报警并终止钻进。3.如权利要求1所述一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，其特征在于：所述钻进控制子系统的控制方法为：步骤1：控制进给电机工作正转，以进给速度vp＝vp1带动钻进平台向下移动，通过进给编码器反馈的钻杆位置信息计算钻进平台下钻的距离；其中，vp1为设定的进给速度初始值；步骤2：根据压扭复合力传感器实时反馈钻压力值F，当F＞20N时，此时判定钻杆触碰钻进对象，进而触发位置开关，设定钻进零点；步骤3：保持进给电机速度不变，控制旋转电机启动，以vr＝vr1速度运动，此时钻具开始进行钻进；其中，vr1为设定的旋转电机速度初始值；步骤4：在整个钻进过程中，实时根据进给编码器返回的钻具位置信号计算实际的钻进深度，并进行步骤5～23的速度等级切换控制，当实际钻进深度等于预定深度时，钻取试验结束，中断正在进行的对钻具钻进控制；步骤5：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞250N时，执行步骤6～7；步骤6：控制进给电机速度vp＝0，而旋转电机保持转速vr＝vr1旋转，降低钻具压力；同时，计时器Timer1开始计时；步骤7：当计时器Timer1计时时间Timer＝5s时，执行步骤8；步骤8：控制进给驱动器驱动进给电机速度vp＝vp2，vp2＞vp1；同时控制旋转驱动器驱动旋转电机转速vr＝vr2，vr2＞vr1；同时计数器进行次计数，使计数值Counter1＝1；步骤9：当压扭复合力传...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁希仑，张涛，刘舒婷，张武翔，徐坤，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11