梁鑫

摘 要：為實現(xiàn)巖心鉆機作業(yè)自動化、智能化，提高鉆機智能化水平，文中設(shè)計研發(fā)巖心鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于LabVIEW圖形編程工具設(shè)計，結(jié)合數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控（datalogging and supervisory control，DSC）模塊和工業(yè)控制通訊（OLE for process control，OPC）技術(shù)，

通過對數(shù)據(jù)采集模塊、鉆進(jìn)過程控制模塊、鉆井工況識別模塊和通信連接模塊的研發(fā)，進(jìn)行了巖心鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型、軟件設(shè)計，完成了巖心鉆機計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)設(shè)計。通過搭建鉆進(jìn)試驗測試平臺，將傳感器4，5，6，7通道用于傳輸模擬量信號，電源連接線路，在鉆進(jìn)試驗中20 Hz變頻器輸出電源頻率，40 r/min轉(zhuǎn)速，1.95 MPa鉆壓，1.25 cm/s進(jìn)尺速度，234.98 N·m立軸轉(zhuǎn)矩。監(jiān)測到的參數(shù)值與實際估計值相符合，達(dá)到監(jiān)測巖心鉆機的鉆進(jìn)過程相關(guān)參數(shù)的效果;試驗平臺模擬自動監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與指令輸入，可以控制鉆進(jìn)過程;該巖心鉆機自動化監(jiān)控系統(tǒng)，可提高鉆機設(shè)備鉆進(jìn)工作自動化、智能化水平。研究結(jié)果對進(jìn)一步研究和開發(fā)巖心鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)提供參考。

關(guān)鍵詞：巖心鉆機;自動監(jiān)控系統(tǒng);LabVIEW;模塊化;參數(shù)監(jiān)測

中圖分類號：?????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）01-0176-08

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0123開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Design and application of automatic monitoring

system of core drill

LIANG Xin

（Xi’an Research Institute Co.，Ltd.，

China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Xi’an 710077，China）Abstract：In order to realize the automation and intelligentization of core drilling operations and to improve the intelligent level of drilling rigs，an automatic monitoring system is designed for core drilling rigs.Based on? LabVIEW graphical programming tool design and DSC module as well as OPC technology，the research has been made of the data acquisition module，control module of drilling process，drilling condition identification module and communication connection module.And the hardware selection and software design of automatic monitoring system for core drilling rig are carried out，with the core drilling rig computer data acquisition control system design accomplished.By building the drilling test platform，the 4，5，6 and 7 channels of sensors are used to transmit analog signals and connect power lines.In the drilling test，the 20 Hz frequency transformer outputs the power frequency and the speed is 40r/min.1.95 weight on bit，1.25 cm/s footage speed，234.98 N·m vertical shaft torque.The monitored parameter values are consistent with the actual estimated values，so as to achieve the effect of monitoring the relevant parameters of the drilling process of the core drill.The test platform simulates the data acquisition and command input of the automatic monitoring system，which can control the drilling process.The automatic monitoring system of core drilling rig can improve the automation and intelligent level of drilling equipment.The research results provide a reference for further development of automatic monitoring system technology of core drilling rig.Key words：core drill;automatic monitoring system;LabVIEW;modularization;parameter monitoring

0 引 言

鉆探裝備的進(jìn)步主要體現(xiàn)在設(shè)備的自動化、智能化、模塊化、輕便化等方面[1]，隨著我國現(xiàn)代化工業(yè)水平的逐年提高，對智能控制、自動檢測技術(shù)需求也隨之增加。在工業(yè)領(lǐng)域中，鉆探作為直接勘探和開采能源的關(guān)鍵手段，出于鉆探行業(yè)對自動化技術(shù)的需求，可以將自動化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用于鉆探工程的鉆進(jìn)過程中，作為鉆進(jìn)監(jiān)測、科學(xué)分析和決策等工作環(huán)節(jié)的重要工具，能夠?qū)崟r反映鉆進(jìn)工作的具體進(jìn)展情況，從而確保鉆井工作的優(yōu)質(zhì)、安全、快速、高效開展[2]。

薛倩冰，張金昌的研究根據(jù)煤層氣壓裂系統(tǒng)設(shè)計的需要，編寫了現(xiàn)場壓裂的數(shù)據(jù)采集軟件，服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)存軟件，客戶端的壓裂曲線顯示軟件，采用GPRS或McWiLL等無線傳輸介質(zhì)，利用TCP/IP協(xié)議構(gòu)建了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[3]。目前我國自動化巖心鉆機技術(shù)已成功開發(fā)電控自動化系統(tǒng)，采用的技術(shù)包括機電液一體化[4]、PLC邏輯反饋控制，配置鉆進(jìn)參數(shù)自動檢測和控制系統(tǒng)，與鉆桿自動移擺管系統(tǒng)技術(shù)，這些技術(shù)實現(xiàn)了鉆進(jìn)過程自動化和信息化，極大的提高了鉆進(jìn)效率[5]。實現(xiàn)鉆探系統(tǒng)自動、智能化發(fā)展是今后行業(yè)發(fā)展必然所趨，目前國際上多數(shù)發(fā)達(dá)國家都已成功研發(fā)應(yīng)用了自動化鉆探系統(tǒng)，通過應(yīng)用自動化技術(shù)，能夠自動化控制鉆機設(shè)備相關(guān)參數(shù)，這樣很大程度降低了鉆機設(shè)備在運行中發(fā)生事故的幾率，也提高了經(jīng)濟(jì)及社會效益[6]。所以文中研究設(shè)計了巖心鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的自動智能水平，為我國勘探工作提供先進(jìn)工藝技術(shù)設(shè)備，并推廣應(yīng)用該系統(tǒng)培養(yǎng)高素養(yǎng)鉆探技術(shù)隊伍，從而提升中國在國際的地質(zhì)鉆探行業(yè)競爭力，創(chuàng)造更高的社會經(jīng)濟(jì)效益[7]。如今對鉆探設(shè)備先進(jìn)技術(shù)程度進(jìn)行衡量的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)之一就是鉆探設(shè)備自動化水平高低，想要實現(xiàn)鉆探設(shè)備自動化，就需要與目前先進(jìn)電子技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)結(jié)合，實時監(jiān)測鉆井各規(guī)程參數(shù)，實時反饋鉆井最優(yōu)化規(guī)程參數(shù)，通過以太網(wǎng)、局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程終端建立實時遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[8]。雖然將自動化技術(shù)應(yīng)用于鉆探作業(yè)中，有效提高了鉆探作業(yè)的安全、快速、高效性，但是就目前來看學(xué)術(shù)界對自動化監(jiān)控這一領(lǐng)域的研究成果有限，所以在文中深入研究巖心鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)，旨在解決鉆探技術(shù)和鉆探設(shè)備跨越式發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1 鉆進(jìn)過程監(jiān)控系統(tǒng)總方案

1.1 鉆進(jìn)過程試驗平臺為滿足巖心鉆機自動化鉆進(jìn)工作所需，本次設(shè)計鉆機試驗平臺架構(gòu)如圖1所示，由數(shù)據(jù)監(jiān)測、控制、鉆機平臺結(jié)構(gòu)組成，文中系統(tǒng)設(shè)計基于OPC（OLE for Process Control，OLE/COM技術(shù)）和LabVIEW DSC模塊化技術(shù)（LabVIEW數(shù)據(jù)記錄和監(jiān)控模塊），設(shè)計了系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及控制軟件，能夠?qū)︺@進(jìn)工作中優(yōu)化控制采集鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等數(shù)據(jù)，經(jīng)以太網(wǎng)通信無線路由器，

通過控制模式經(jīng)ATV71WD30N4，ATV71WD22N4施耐德變頻器，精準(zhǔn)調(diào)控電動機、泥漿泵的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、泵量、泵壓、溫度、鉆速等相關(guān)參數(shù)，并對這些鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測[9]。

1.2 鉆進(jìn)參數(shù)監(jiān)測與硬件選型

1.2.1 鉆壓在鉆進(jìn)監(jiān)測控制系統(tǒng)對鉆進(jìn)過程中的鉆壓參數(shù)監(jiān)測時，運用CST-102通用壓力變送器設(shè)備，選用了高穩(wěn)定性、高精度擴散硅充油芯體，運用了電子束焊接技術(shù)和隔離膜片，可以采用數(shù)字補償傳感器應(yīng)用產(chǎn)生的靈敏誤差、偏移和溫漂，轉(zhuǎn)換被測介質(zhì)壓力獲得標(biāo)準(zhǔn)電信號。運用壓力變送器設(shè)備獲得液壓油缸的進(jìn)出口壓強參數(shù)，經(jīng)油缸上腔、下腔的橫截面完成進(jìn)出口壓力值計算，最后獲得鉆進(jìn)壓力。

1.2.2 轉(zhuǎn)速對于轉(zhuǎn)速參數(shù)監(jiān)測，選用IMBTT電感接近開關(guān)，作為比較理想接近預(yù)期的電子開關(guān)量傳感器設(shè)備。在金屬檢測體與感應(yīng)區(qū)域接近時，開關(guān)可以無接觸、無火花、無壓力，迅速發(fā)出電氣指令，可以將運動機構(gòu)所處行程和位置準(zhǔn)確反映。該設(shè)備具有較高的精準(zhǔn)重復(fù)定位，運行穩(wěn)定可靠性和極強的抗振能力，無噪音、無火花等技術(shù)特點[10]。

1.2.3 扭矩扭矩參數(shù)檢測需要應(yīng)使用變頻器輸出扭矩數(shù)值，通過計算獲得鉆機設(shè)備的主軸扭矩。也可以將獲得的輸出功率值，用于扭矩計算，針對液壓鉆機依靠液壓馬達(dá)驅(qū)動回轉(zhuǎn)，因此通過采集液壓馬達(dá)進(jìn)出口存在的壓差，獲得鉆機立軸回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。1.2.4 泵壓泵壓作為檢測液體壓力參數(shù)，無需經(jīng)傳感器變換物理量，因為泥漿內(nèi)含有固相顆粒，所以需要采用專用泵壓測量傳感器。文中選用CST-121泥漿泵專用壓力變送器，主要是為了應(yīng)對鉆井、測井工作中，極易發(fā)生的泥漿堵塞引壓孔，以及所處潮濕、較強振動情況下設(shè)計的檢測設(shè)備，還能夠準(zhǔn)確檢測壓力數(shù)據(jù)并滿足遠(yuǎn)距離傳輸[11]。實現(xiàn)直接安裝傳感器，與被測介質(zhì)直接接觸無需隔離，保證了檢測精度和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.2.5 回次進(jìn)尺回次進(jìn)尺作為鉆進(jìn)工作開展中的重要參數(shù)，通過計算當(dāng)前和上次孔深存在差值結(jié)果即可。所以對于每次下鉆需要記錄2個數(shù)值：上次孔深值和目前孔深差值，獲得回次進(jìn)尺檢測結(jié)果。

1.2.6 泵量選擇IMBTT電感式接近開關(guān)用于泵量檢測，將傳感器在泥漿泵的轉(zhuǎn)盤側(cè)安裝，經(jīng)泥漿泵大轉(zhuǎn)盤的具體轉(zhuǎn)動圈數(shù)測量后，計算獲得泵沖進(jìn)而得出泵量。1.2.7 本次檢測鉆速選用WEP50-A1型拉線式傳感器[12]，測量所獲單位時間內(nèi)發(fā)生的位移，能夠達(dá)到1 000 mm量程，0～5 V輸出電壓信號，0.1%線性度，1 m線纜接出長度，IP65防護(hù)等級，可以檢測2 000 000次。

1.2.8 大鉤載荷選用CXH-105旁壓張力傳感器，主要用于對鋼絲繩張力測量。經(jīng)U型螺栓固定于傳感器上，一旦鋼絲繩所受拉力，可以向傳感器經(jīng)導(dǎo)向輪施加作應(yīng)力，能夠達(dá)到簡便安裝，后期方便維修。在鋼絲繩的繩端安裝，只需選擇鋼絲繩直徑，在鋼絲繩上應(yīng)用環(huán)套測量獲得拉力，標(biāo)定計算后可獲大鉤載荷。

1.2.9 孔深通過進(jìn)尺累計獲得孔深，排除其他原因存在抖動、提鉆等干擾因素所致誤差下，在鉆進(jìn)模式下累計進(jìn)尺獲得高精度孔深數(shù)據(jù)，運用移位寄存器對孔深數(shù)值主動取舍。

1.2.10 鉆頭位置對于鉆進(jìn)工作中孔深作為鉆頭所處位置，需要在提下鉆模式下，上升下放提引器次數(shù)，作為上提下放鉆桿根數(shù)。上提過程中孔深減去提出鉆桿長度，也就是鉆頭所在位置。下方累計鉆桿長度，即鉆頭所在位置。

1.3 鉆進(jìn)參數(shù)采集在采集鉆進(jìn)參數(shù)中，根據(jù)安裝各處傳感器設(shè)備測量所獲信號，處理后轉(zhuǎn)換信號量值為統(tǒng)一電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換卡向計算機輸入檢測量。選擇ADAM-6000系列模塊，基于以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集，提供數(shù)據(jù)模擬量、數(shù)字量、繼電器各值的輸入和輸出，選用MODBUS TCP/IP通信協(xié)議，擁有獨特I/O群組化設(shè)計，將ADAM-6000系列用于獲取并控制數(shù)據(jù)的優(yōu)秀產(chǎn)品[13]。采集模擬量選用ADAM-6017智能A/D轉(zhuǎn)換功能模塊，基于以太網(wǎng)8路帶DO模擬量輸入模塊，設(shè)計模擬輸入和輸出分別為8路、2路，提供Max，Avg，Min等數(shù)學(xué)函數(shù)功能，具備較高采集精度、較快通訊、安裝快捷抗干擾強等優(yōu)勢[14]。采集數(shù)字量選用ADAM-6050，基于以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集控制功能模塊，18道隔離數(shù)字量I/O模塊，具備過壓保護(hù)、容錯性強等優(yōu)點，支持干接點、濕接點，可以達(dá)到10/100 Mbps通信速率。

2 鉆進(jìn)自動化監(jiān)控軟件設(shè)計

2.1 軟件需求軟件設(shè)計需要經(jīng)過制定計劃、分析需求、設(shè)計、編碼、測試及運營維護(hù)，通過建立生命周期模型，考慮文中系統(tǒng)設(shè)計所需選擇瀑布模型為主，包括分析需求、設(shè)計、編碼、測試、維護(hù)不同階段，分析鉆機自動監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能，就是需要精準(zhǔn)穩(wěn)定的采集并顯示鉆進(jìn)過程中的相關(guān)參數(shù)，并通過數(shù)學(xué)運算采集所獲信號，將結(jié)果反饋給控制執(zhí)行機構(gòu)中，執(zhí)行相應(yīng)的鉆機啟停、提鉆、下鉆，調(diào)節(jié)鉆進(jìn)工作中的扭矩、泵量、鉆壓、轉(zhuǎn)速等設(shè)備參數(shù)[15]。不僅如此，軟件自身還可以啟動設(shè)計基本參數(shù)，用戶管理，保存所采集原始數(shù)據(jù)與工程量數(shù)據(jù)，查詢、打印和及時故障預(yù)警等系統(tǒng)功能。該軟件設(shè)計采用了分體總和的模塊化設(shè)計，優(yōu)勢在于靈活操作性以及后續(xù)系統(tǒng)易于拓展升級。

2.2 界面設(shè)計用戶界面作為該自動化監(jiān)控系統(tǒng)操作中直接面向用戶的窗口，保證用戶界面的良好操作，能夠

節(jié)省用戶的操作時間，并且能夠在一些情況下避免發(fā)生故障。運用LabVIEW設(shè)計每一個功能模塊相應(yīng)的子程序界面，在該監(jiān)控系統(tǒng)的窗口菜單，主要包括了系統(tǒng)設(shè)置、用戶管理、恒鉆速鉆進(jìn)、恒鉆壓鉆進(jìn)、提升和下放、打撈繩索、數(shù)據(jù)管理多個界面，可以通過執(zhí)行不同主界面功能，對鉆進(jìn)過程各參數(shù)直接監(jiān)控。根據(jù)主菜單按鍵調(diào)用數(shù)組函數(shù)Ⅵ

方法，圖2為框圖程序選用While Loop循環(huán)結(jié)構(gòu)，

設(shè)計程序前面板的各界面，在設(shè)計的框圖程序While Loop循環(huán)結(jié)構(gòu)中，Build Array.vi函數(shù)為輸入元素，在運行各功能程序中選定按下某軟按鍵后，輸入相應(yīng)“True”值，否則“False”。

劃分的8個功能模塊子Ⅵ分別作為Ⅵ1，Ⅵ2，Ⅵ3，…，VI8，在磁盤中存放調(diào)用數(shù)組函數(shù)Ⅵ的方法，根據(jù)前面所用Build，Search 1D和Index等Array.vi函數(shù)，彼此連接，如圖3所示。選中按下某面板軟按鍵后，可以自動轉(zhuǎn)入相應(yīng)的軟件程序中，判斷條件框圖并調(diào)用執(zhí)行相應(yīng)功能模塊子Ⅵ。

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊對巖心鉆機在鉆進(jìn)中顯示設(shè)備參數(shù)，是系統(tǒng)軟件設(shè)計中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，鉆進(jìn)參數(shù)能夠?qū)@井井下工況、地層信息、鉆機性能情況準(zhǔn)確反映，并且可以提供鉆進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化控制反饋信息，獲得準(zhǔn)確的執(zhí)行機構(gòu)控制輸出信號[16-17]。圖4作為鉆進(jìn)參數(shù)的實時曲線圖，直觀的顯示所監(jiān)測采集的鉆進(jìn)參數(shù)，方便對鉆進(jìn)工況的進(jìn)一步分析處理。在數(shù)據(jù)采集模塊中顯示各類采集的設(shè)備參數(shù)信息，能夠?qū)崿F(xiàn)不同計算機設(shè)備中、不同子功能VI間，或是同程序之間做到數(shù)據(jù)循環(huán)交換。該模塊采集的鉆進(jìn)參數(shù)包括了鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)矩、泵量、鉆速5類派生參數(shù)，以采集鉆壓為例過程如下：

采集直測參數(shù)包括了鉆機油缸的上下腔壓力，公式為

P=7.460 9U-6.792 7;泵壓標(biāo)定公式為

P=3.749 7U-3.748 3;拉線位移傳感器在標(biāo)定試驗所獲標(biāo)定公式 L=20.04U-0.049 9。采集派生參數(shù)包括了鉆機工作中的加壓、減壓、稱重3類情況[18-20]。計算減壓情況下的鉆進(jìn)鉆壓公式為

Hlost為上次提鉆稱重時存儲至文件內(nèi)孔深值;C為常數(shù)用于調(diào)整計算精準(zhǔn)度。2.4 鉆進(jìn)過程控制模塊對于巖心鉆機在鉆進(jìn)工藝中，控制整個鉆進(jìn)過程不僅需要控制鉆機運行動作，還需要為了實現(xiàn)鉆進(jìn)指標(biāo)最優(yōu)化，精準(zhǔn)調(diào)控鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量以上三大重要鉆進(jìn)參數(shù)。鉆探工作開展中對鉆進(jìn)參數(shù)造成影響的諸多因素，包括鉆頭類型、結(jié)構(gòu)參數(shù)、直徑、孔深深度結(jié)構(gòu)、鉆探設(shè)備的功率與技術(shù)性能等。在巖心鉆機的自動監(jiān)控系統(tǒng)實際操作中，整個過程比較復(fù)雜幾乎結(jié)合了全部基本動作，采用ADAM-6066功率繼電器控制模塊，在計算機平臺實現(xiàn)鉆機與配套泥漿泵電機啟停、移車、松緊卡盤、加減壓、泵量大小等基本動作。在恒鉆壓鉆進(jìn)模塊控制操作中，由于鉆孔內(nèi)鉆壓的變動范圍較大，所以可以將發(fā)生的地層變化情況為依據(jù)，分段控制孔內(nèi)孔深。例如可以設(shè)定50 m為間隔不改變鉆壓，下段50 m則依據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)具體反饋情況，調(diào)節(jié)鉆壓直至固定在一定范圍，這樣每完成一段優(yōu)化控制直至全部鉆孔完成。在定切入量鉆進(jìn)模塊控制操作中，需要借助鉆壓有效調(diào)控定切入量鉆進(jìn)，才能夠優(yōu)化鉆頭，那么就應(yīng)當(dāng)對鉆壓、轉(zhuǎn)速或沖洗液量進(jìn)行調(diào)節(jié)，來相應(yīng)的調(diào)整切入量。在大量試驗驗證過程中，可以調(diào)節(jié)定切入量為0.10～0.125 mm/r，與文中研究巖心鉆機設(shè)備特點結(jié)合，獲得鉆壓、切入量二者的變化趨勢[21]。在鉆速功率比控制模塊中，結(jié)合多年工作實踐與試驗成果，在復(fù)雜的深孔鉆進(jìn)地層條件下，越高的孔底溫度，就有著更高的鉆探設(shè)備與相應(yīng)配套的鉆具技術(shù)要求。為了提出鉆速功率比控制鉆進(jìn)優(yōu)化模式，需解決鉆進(jìn)總功率消耗方面，包括鉆頭克服水平阻力、循環(huán)泥漿內(nèi)的鉆具自轉(zhuǎn)消耗功率、反轉(zhuǎn)鉆具所要克服循環(huán)液阻力消耗功率、孔壁摩阻力所需鉆具消耗功率以及縱向振動消耗功率、橫向振動消耗及其他消耗的功率等問題，文中提出實時鉆速功率比優(yōu)化決策公式如下[22]

式中 N為總功率消耗，W;N1為鉆柱空轉(zhuǎn)系功率消耗，W;N2為附加功率消耗，W;N3為井底鉆頭破碎巖石消耗功率，W;NROP為單位內(nèi)進(jìn)尺所需消耗比能。在提升、下放鉆具模塊中，設(shè)計自動化控制系統(tǒng)可以減少非鉆進(jìn)時間和人力、財力成本投入，但是因為控制系統(tǒng)功能復(fù)雜，所以在此以單個鉆柱自動提下鉆過程控制為例，設(shè)計驅(qū)動控制方案，對于鉆桿提升下放過程中，以提引器所在位置為依據(jù)，改變卷筒轉(zhuǎn)速。交流變頻驅(qū)動能夠獲取優(yōu)異起制動以及優(yōu)異調(diào)速性能，擁有高功率、高效率與節(jié)能性。在繩索打撈過程的自動控制設(shè)計中，監(jiān)控打撈器下放、以及內(nèi)管提升過程中的速度、巖心管所在位置以及過程所遇阻力參數(shù)，能夠

有效控制繩索絞車。

2.5 通信連接設(shè)計運用共享變量實現(xiàn)不同用戶可以基于計算機VI、本地不同VI和同程序框圖間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的循環(huán)交換。經(jīng)過RJ-45連接器與ADAM-6000系列模塊相連接，經(jīng)網(wǎng)線與無線HUB連接，滿足10～100 M通信網(wǎng)速。計算機終端經(jīng)Adam.NET Utility軟件配置測試自動監(jiān)控系統(tǒng)傳感器設(shè)備，各模塊配置界面（圖5）。

對于項目管理器可以運用OPC Server軟件Modbus TCP Configurator建立I/O Server提供OPC接口，之后建立約束變量，即可連接傳感器信號和LabVIEW程序，完成系統(tǒng)編程可以獲得實際所需鉆進(jìn)參數(shù)值和相應(yīng)的開關(guān)控制[23]。

3 試驗測試在實驗室現(xiàn)場實驗中，整個取樣系統(tǒng)分為3部分，機械部分、電子監(jiān)控部分、萬米光纜、PC機。機械部分由長沙礦山研究研設(shè)計實現(xiàn)，而取樣鉆機的電子監(jiān)控系統(tǒng)則是文中重點設(shè)計內(nèi)容。在實驗室模擬調(diào)試最主要的問題在于無法獲取萬米光纜，萬米光纜只有到現(xiàn)場進(jìn)行測試才能獲取到，因此在實驗室模擬調(diào)試的重點工作之一就是模擬設(shè)計萬米光纜。根據(jù)電纜制造廠商給出的電纜參數(shù)：每千米單根電纜分布電容0.1 uF，電阻20 Ω，在實驗室里可以簡單搭建一個RC網(wǎng)絡(luò)來模擬萬米光纜（圖6）。

工作人員操作PC機，上位機監(jiān)控平臺與電子監(jiān)控系統(tǒng)實時通訊，通過點擊上位機對應(yīng)的功能按鈕鍵，開啟和關(guān)閉電子監(jiān)控系統(tǒng)中的繼電器通和斷，從而控制取樣鉆機開啟和停止，全壓、高壓、中壓還是低壓工作。燈、攝像頭、高度計、油馬達(dá)開啟和停止控制，以及支腿動作控制、卸荷閥和輔助閥的打開和關(guān)閉過程類似電機的開啟和停止控制（圖7、圖8）。

經(jīng)過進(jìn)行室內(nèi)試驗的檢驗，采集信號能正確顯示采集數(shù)值，進(jìn)一步到實驗現(xiàn)場進(jìn)行實際鉆進(jìn)數(shù)據(jù)采集試驗。首先將鉆機上安裝傳感器與ADAM-6000系列模塊和24 V電源進(jìn)行線路連接，對于油缸、上下腔壓力、泵壓和位移傳感器輸出的模擬量信號依次分別連接在ADAM-6017模塊的4，5，6，7通道上，確保計算機程序上的通道與實際連接通道相吻合，將鉆機立軸轉(zhuǎn)速和泥漿泵量檢測的傳感器連接在ADAM-6050模塊的DI5，6通道上，然后與電源連通，再重新確定線路連接是否正確。整個連接過程如圖4所示。下一步接通24 V電源，利用計算機搜索無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行模塊配置，一切準(zhǔn)備就緒，開動鉆機進(jìn)行對鉆參的實時監(jiān)測，通過將傳感器模塊連接24 V電源線路，分別通過傳感器4，5，6，7通道傳輸模擬量信號，保證計算機程序通道相吻合實際連接通道，接通電源確保線路連接正確。本次測試鉆進(jìn)試驗測得記錄數(shù)據(jù)見表1。

上位機經(jīng)過雙絞線、RS-232/RS-485接口轉(zhuǎn)換卡與多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表AOB192E-9T4相連接，選擇串行端口為COM1，通信波特率設(shè)置為9 600 bit/s，無奇偶校驗位，8位數(shù)據(jù)位，2位停止位;多功能網(wǎng)絡(luò)電力儀表通信波特率同樣設(shè)置為9 600 bit/s。完成相關(guān)設(shè)置后，從上位機發(fā)送16進(jìn)制讀儀表寄存器命令幀“0103 00 2E 0026 A4 19”。從機接收命令幀之后，

向主機返回一串包含起始寄存器地址為002EH的連續(xù)38個16位的數(shù)據(jù)幀信息。

當(dāng)電機啟動運行工作時，鉆機供電系統(tǒng)的三相電壓、三相電流總有功功率總無功功率總功率因數(shù)參數(shù)值依次為甲板A相電壓366.95 V，B相電壓368.21 V，C相電壓367.58 V;甲板A相電流29.49 A，B相電流31.07 A，C相電流30.63 A;總有功功率18 288.24 W、總無功功率3 811.75 W。總功率因數(shù)0.98。監(jiān)測到的電力參數(shù)值與實際估計值相符合，說明監(jiān)測系統(tǒng)可靠，系統(tǒng)設(shè)計成功。在鉆進(jìn)監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)幾個問題，一是無線路由器因運行環(huán)境影響，自身性能受到一定限制，二是在鉆進(jìn)過程中的鉆壓、進(jìn)尺的參數(shù)要保證準(zhǔn)確合理，可以通過改變DI地址偏移量來成功解決此問題。采用計算機控制現(xiàn)場電磁換向閥，能夠鉆機立軸自動倒桿，試驗中可以連接線路，切換液壓油路，這樣僅僅通過控制受益流閥、電磁換向閥，就能夠及時發(fā)現(xiàn)鉆機鉆進(jìn)過程中存在的問題：未形成系統(tǒng)壓力，換向閥無法換向。經(jīng)分析認(rèn)為是由于未疏通油路存在堵塞故障，所致油管憋熱，油路改進(jìn)設(shè)計存在根本問題。通過檢測液壓閥在多次嘗試后，發(fā)現(xiàn)因為過大流量所致閥門芯堵死，經(jīng)過檢修之后恢復(fù)正常。

4 結(jié) 論

1）研制了巖心鉆進(jìn)計算機數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)模塊化，包括數(shù)據(jù)采集模塊、鉆進(jìn)過程控制模塊、鉆井工況識別模塊和通信連接。

2）提出巖心鉆機自動化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路，提高了鉆機設(shè)備鉆進(jìn)工作自動化、智能化水平，有良好的技術(shù)應(yīng)用前景。

3）試驗測試中通過該系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)問題提出相應(yīng)的解決對策，運用LabVIEW和OPC技術(shù)，確保了本問題提出的自動監(jiān)控系統(tǒng)方案合理可行性，達(dá)到了監(jiān)測巖心鉆機的鉆進(jìn)過程相關(guān)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且可以控制鉆進(jìn)過程。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 朱興，樊巖松，韓冰.國產(chǎn)全液壓鉆機的研制與應(yīng)用[J].石油機械，2014，42（6）：20-23.

ZHU Xing，F(xiàn)AN Yansong，HAN Bing，et al.Development and application of domestic hydraulic drilling rig[J].China Petro-Leum Machinery，2014，42（6）：20-23.

[2]陳斌.礦用鉆機監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用分析[J].機械管理開發(fā)，2020，35（

1）：208-209.

CHEN Bin.Application analysis of mine drilling rig monitoring system[J].Machinery Management Development，2020，35（

1）：208-209.

[3]薛倩冰，張金昌.智能化自動化鉆探技術(shù)與裝備發(fā)展概述[J].探礦工程（巖土鉆掘工程），2020，47（4）：9-14.

XUE Qianbing，ZHANG Jinchang.Advances in intelligent auto-matic drilling technologies and equipment[J].Exploration Engineering（Rock & Soil Drilling and Tunneling），2020，47（4）：9-14.

[4]米樹剛，李建華，李健.CSD1800ZD型自動化巖心鉆機的應(yīng)用與分析[J].探礦工程，2021，48（2）：94-99.

MI Shugang;LI Jianhua;LI Jian.Application and analysis of CSD1800ZD automatic core drill [J].Exploration Engineering，2021，48（2）：94-99.

[5]韓同方.鉆機提升平臺安全監(jiān)控系統(tǒng)在石油勘探中的設(shè)計與應(yīng)用[J].機械與電子，2020，38（4）：57-62.

HAN Tongfang.Design and application of safety monitoring system for drilling rig lifting platform in petroleum exploration[J].Machinery and Electronics，2020，38（4）：57-62.

[6]陳艷娟，陳建林，唐敏，等.全液壓坑道鉆機自動上、下鉆桿裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計及仿真分析[J].煤礦機械，2019，40（6）：5-8.

CHEN Yanjuan，CHEN Jianlin，TANG Min，et al.Design and simulation analysis of the hydraulic system of the fully hydraulic tunnel drilling rig for automatic up and down drill pipe devices[J].Coal Mine Machinery，2019，40（6）：5-8.

[7]張始齋.ZYWL-4000SY履帶式自動鉆機雙夾持器液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].煤礦機械，2019，40（10）：7-9.

ZHANG Shizhai.ZYWL-4000SY double gripper hydraulic system design of crawler automatic drilling rig[J].Coal Mine Machinery，2019，40（10）：7-9.

[8]黃雷，文國軍，張奧東.基于Web的非開挖鉆機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化儀表，2016，37（4）：82-85.

HUANG Lei，WEN Guojun，ZHANG Aodong.Web-

based remote monitoring system for trenchless drilling rigs[J].Automation Instrumentation，2016，37（4）：82-85.

[9]劉小華.基于AMESim的ZKL-4000SY自動鉆機機械手傾角調(diào)節(jié)系統(tǒng)研究[J].礦山機械，2016，4（10）：9-13.

LIU Xiaohua.Research on the ZKL-4000SY automatic drilling rig manipulator dip adjustment system based on AMESim[J].Mining Machinery，2016，4（10）：9-13.

[10]徐竟天，李樹剛，張乃祿，等.基于S7-300軟冗余的鉆機自動送鉆控制系統(tǒng)設(shè)計[J].石油機械，2009，37（9）：98-101.

XU Jingtian，LI Shugang，ZHANG Nailu，et al.Design of automatic drill feed control system based on S7-300 soft redundancy[J].Petroleum Machinery，2009，37（9）：98-101.

[11]劉小華.ZKL-4000SY自動鉆機機械手液壓系統(tǒng)設(shè)計[J].機床與液壓，2017，45（15）：67-70.

LIU Xiaohua.Design of hydraulic system of ZKL-4000SY automatic drilling rig manipulator[J].Machine Tool and Hydraulics，2017，45（15）：67-70.

[12]陳春霞.基于PLC的石油鉆機自動控制系統(tǒng)與控制方法研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2014（2）：15-18.

CHEN Chunxia.Research on automatic control system and control method of oil drilling rig based on PLC[J].Instrumentation，Analysis and Monitoring，2014（2）：15-18.

[13]張鴻雁.一種應(yīng)用于配備管柱自動化處理系統(tǒng)的鉆機故障診斷系統(tǒng)研究[J].中國機械，2020（5）：57-58.

ZHANG Hongyan.Research on a drilling rig fault diagnosis system equipped with a pipe string automatic processing system[J].China Machinery，2020（5）：57-58.

[14]李傳偉，常關(guān)羽，于振興.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的石油鉆機設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，31（2）：159-165.

LI Chuanwei，CHANG Guanyu，YU Zhenxing.Design and implementation of remote monitoring system for oil rig equipment based on wireless sensor network[J].Journal of Northwestern Polytechnical University，2013，31（2）：159-165.

[15]張乃祿，郭晶，徐竟天，等.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鉆機安全監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].石油機械，2009，37（2）：53-55.

ZHANG Nailu，GUO Jing，XU Jingtian，et al.Research on the safety monitoring system of drilling rigs based on fuzzy neural network[J].Petroleum Machinery，2009，37（2）：53-55.

[16]雷萬年，陳航.針對防沖卸壓的自動鉆機優(yōu)化與應(yīng)用[J].煤礦機械，2020，41（8）：142-144.

LEI Wannian，CHEN Hang.Optimization and application of automatic drilling rig for anti-scouring and pressure relief[J].Coal Mine Machinery，2020，41（8）：142-144.

[17]王清峰，陳航.基于路徑規(guī)劃的大容量鉆桿自動輸送系統(tǒng)研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2020，47（1）：1-6.

WANG Qingfeng，CHEN Hang.Research on a large-capacity drill pipe automatic conveying system based on path planning[J].Mining Safety and Environmental Protection，2020，47（

1）：1-6.

[18]陳晨，梁雪慧，曹增輝，等.模塊鉆機平臺數(shù)字化管理系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2016（3）：71-73.

CHEN Chen，LIANG Xuehui，CAO Zenghui，et al.Research on the digital management system of the modular drilling rig platform[J].Industrial Instrumentation and Automation，2016（3）：71-73.

[19]叢萬生，鄭明建，楊向前.基于IPC、PLC、PROFIBUS的電動鉆機智能控制系統(tǒng)[J].石油機械，2004，32（11）：36-40.

CONG Wansheng，ZHENG Mingjian，YANG Xiangqian.Intelligent control system of electric drilling rig based on IPC，PLC and PROFIBUS[J].Petroleum Machinery，2004，32（11）：36-40.

[20]閆保永.全液壓自動送鉆技術(shù)控制系統(tǒng)的研究[J].探礦工程-巖土鉆掘工程，2016，43（6）：64-67.

YAN Baoyong.Research on the control system of full hydraulic automatic drilling technology[J].Prospecting Engineering-Rock and Soil Drilling and Tunneling Engineering，2016，43（6）：64-67.

[21]張鵬飛，魏培靜，田德寶，等.石油鉆機集成控制虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的研制[J].石油機械，2017，45（1）：1-5.

ZHANG Pengfei，WEI Peijing，TIAN Debao，et al.Development of a virtual simulation training system for integrated control of oil drilling rigs[J].Petroleum Machinery，2017，45（

1）：1-5.

[22]楊燕鴿.礦用鉆機機械手自動上下鉆桿機構(gòu)的控制方法[J].煤礦機械，2017，38（6）：100-102.

YANG Yange.The control method of the automatic upper and lower drill rod mechanism of the mining rig manipulator[J].Coal Mine Machinery，2017，38（6）：100-102.

[23]劉慶修.ZDY850LK煤礦坑道用遠(yuǎn)控鉆機[J].煤礦安全，2018，49（1）：139-141.

LIU Qingxiu.ZDY850LK remote control drilling rig for coal mine tunnels[J].Coal Mine Safety，2018，49（1）：139-141.

2089501705350