CN105373099B - 一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明针对具有进给驱动机构、旋转驱动机构、冲击驱动机构，可同时实现钻杆的进给、旋转与冲击的钻机结构，为探究钻具在不同工艺规程参数下钻进的温升机理，降低烧钻风险，提出一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器及控制方法。

本发明一种钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，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，得到钻机在的参数，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。

上述一种钻具工艺规程参数调节试验装置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；其中：

A、钻具钻进过程控制方法为：

步骤1：控制进给电机工作正转，以进给速度v_p＝v_p1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，v_p1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v_r＝v_r1速度运动，此时钻具开始进行钻进；其中，v_r1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1.10速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r1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v_p＝v_p2，v_p2＞v_p1；同时控制旋转驱动器驱动旋转电机转速v_r＝v_r2，v_r2＞v_r1；同时计数器进行次计数，使计数值Counter1＝1；

步骤9：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞350N时，此时，计数值Counter1加1；

步骤10：对计数值进行判断，当计数值Counter1＜3时，执行步骤11；当计数值Counter1＞3时，执行步骤13；

步骤11：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2，降低钻压力；同时，计时器Timer2开始计时；

步骤12：当计时器Timer2计时时间Timer2＝10s，进给电机停止钻进时间达10s，返回执行步骤8～10；

步骤13：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝v_p3，v_p3＜v_p2；同时通过次数器进行计数，使计数值Counter2＝1；

步骤14：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞400N，计数值Counter2加1；

步骤15：对计数值进行判断，当计数值Counter2＜3时，执行步骤16；当计数值Counter2＞3时，执行步骤18；

步骤16：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2；同时，计时器Timer3开始计时；

步骤17：当计时器Timer3计时时间Timer3＝10s，返回执行步骤13～15；

步骤18：控制进给电机速度v_p＝v_p4，v_p4＜v_p3；同时，通过计数器进行计数，使计数值Counter3＝1；

步骤19：压扭复合力传感器反馈钻压力F＞400N时，计数值Counter3加1；

步骤20：对计数值进行判断，若计数值Counter3＜10时，执行步骤21；当计数值Counter3＞10时，执行步骤23；

步骤21：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2；同时，计时器Timer4开始计时；

步骤22：当计时器Timer4计时时间Timer4＝10s，返回执行步骤18～20。

步骤23：判断计数器Counter3的大小，若Counter3＞10，同时Counter3＜20时，执行步骤24；若Counter3≥20时，则进入步骤25；

步骤24：控制冲击电机启动，设定冲击频率Freq＝F1，F1为设定的冲击频率初始值，返回执行步骤21；

步骤25：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3＜30，执行步骤26；若计数值Counter3＞30时，执行步骤27；

步骤26：提高冲击频率Freq＝F2，返回执行步骤21；

步骤27：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3≥30时，进一步判断冲击电机的冲击频率，若冲击频率达到最大值F3，则返回执行步骤21，否则执行步骤28；

步骤28：提高冲击频率Freq＝F3，返回执行步骤21。

B、钻进环境的温度控制方法为：

步骤Ⅰ：真空机组启动，开始对真空室内抽真空；

步骤Ⅱ：根据真空计A的测量值判定真空室内的真空度，若达到需要真空度，进入步骤Ⅲ；若未达到需要真空度，返回步骤Ⅰ继续对真空室内抽真空；

步骤Ⅲ：真空机组维持真空室内的真空度；

步骤Ⅳ：启动制冷机；，开始对真空室内制冷；

步骤Ⅴ：根据温度钎的测量值判定钻进对象的温度，若达到需要的低温，进入步骤Ⅵ：温度控制子系统开始低温控温；若未达到需要的低温，返回执行步骤继续对真空室内制冷；

步骤Ⅵ：通过碘钨灯开始加热钻进对象表面；

步骤Ⅶ：根据温度钎位于钻进对象表面的铂电阻返回的温度测量值，若达到需要的高温，执行步骤Ⅷ；若未达到需要的高温，返回步骤Ⅵ继续加热钻进对象表面；

步骤Ⅷ：温度控制子系统进行高温控温，开始进行试验；

步骤Ⅸ：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤Ⅹ；

步骤Ⅹ：试验完成，关闭真空控制子系统。

C、钻进环境的真空度进行控制方法为：

步骤(1)：打开空气压缩机和冷水机B，保证真空机组的动力气路和冷却水路畅通；

步骤(2)：根据试验要求，若进行高真空试验，启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(3)；若进行低真空试验，同样启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(10)；

步骤(3)：启动维持泵，维持扩散泵出口的真空度；

步骤(4)：对真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于3.5Pa，执行步骤(5)，若高于3.5Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(5)：扩散泵出口真空度满足，开启维持阀；

步骤(6)：打开维持阀后，由于真空管道内存在少量空气，真空计B的测量值会从低于3.5Pa上升超过6Pa；因此再次对根据真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于6Pa，执行步骤(7)；若高于6Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(7)：扩散泵启动真空度满足，开启扩散泵；

步骤(8)：启动机械泵A，开始对真空室内抽粗真空；

步骤(9)：打开预抽阀与旁通阀，使低真空管路接通；

步骤(10)：对真空计C测量值进行判断，若真空计C测量值不高于600Pa，执行步骤(11)，若高于600pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(11)：罗茨泵启动条件满足，开启罗茨泵；

步骤(12)：关闭旁通阀，使中真空管路接通；对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于6.7Pa，则执行步骤(15)；若高于6.7Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(15)：关闭粗抽阀，打开前级阀，打开精抽阀，使高真空管路接通。

步骤(16)：对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于0.5Pa，则执行步骤(17)；若高于0.5Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(17)：罗茨泵工作结束，关闭罗茨泵；

步骤(18)：打开旁通阀，维持真空室内真空度；

步骤(19)：启动机械泵，增加维持扩散泵出口的能力；

步骤(20)：打开截止阀，接通机械泵；

步骤(21)：对真空室内真空计A的测量值进行判断，若真空计A的测量值达到需要的试验真空度，执行步骤(22)；

步骤(22)：真空机组继维持真空室内真空度，开始进行试验；

步骤(25)：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤(26)；

步骤(26)：试验完成，关闭真空控制子系统。

本发明的优点在于：

(1)本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器中，三个控制子系统共用一个控制中心，每个子系统连同控制中心均可独立运行，方便进行不同组合的试验，极大方便控制装置调试，相应的降低了装置的研制周期；

(2)本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法，能够根据下钻过程中的钻压力大小，判定面临的钻进环境，切换相应的钻进模式，当钻压力过大是能够暂时停止进给，继续回转以降低钻压力，当钻压力将至安全值范围内，可以继续进行钻进。当面临苛刻钻进地层时，可以开启回转-冲击相耦合的钻进模式，能够保证很好的钻进效果；

(3)本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法，通过采集电机的工作电流，通过电流滤波，当电机过载时可以自动对电机采取保护，直至能够安全钻进。

(4)本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法中，对真空室内真空控制部分，可以根据所需要的真空度等级，对真空泵机组运行采取灵活的控制方法。

附图说明

图1为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器整体结构框图；

图2为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器中钻进控制子系统结构框图；

图3为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器中温度控制子系统结构框图；真空控制子系统及控制方法

图4为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器中真空控制子系统结构详图；

图5为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法中钻进控制部分流程图；

图6为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法中温度控制部分流程图；

图7为本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制方法中真空控制部分流程图。

图中：

1-钻进控制子系统 2-温度控制子系统 3-真空控制子系统

4-控制中心 5-钻进试验台 101-运动控制卡

102-旋转驱动器 103-旋转编码器 104-冲击驱动器

105-冲击编码器 106-进给驱动器 107-进给编码器

108-放大器 109-A/D转换器 110-压扭复合力传感器

111-位置开关 112-热电偶 113-温度巡检仪

114-钻进控制子系统通讯接口 115-钻进控制子系统电接口 201-温度控制PLC

202-制冷机 203-碘钨灯 204-电热丝

205-温度钎 206-铂电阻巡检仪 207-储液室

208-换热器 209-紫铜管 210-冷水机A

211-循环泵 212-真空计A 213-温度控制子系统通讯接口

214-温度控制子系统电 301-机械泵A 302-机械泵B接口

303-罗茨泵 304-扩散泵 305-维持泵

306-截止阀 307-维持阀 308-旁通阀

309-粗抽阀 310-精抽阀 311-前级阀

312-放气阀 313-电磁阀组 314-真空控制PLC

315-空气压缩机 316-冷水机B 317-真空计B

318-真空计C 319-配电系统 320-真空控制子系统通讯接口

321-真空控制子系统电接口

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，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共四部分，如图1所示。

所述钻进控制子系统用于实现钻进机构的钻进控制，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，如图2所示。其中，运动控制卡为钻进控制子系统的控制核心，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，进而实现钻机钻具的旋转运动、钻机钻具的进给运动以及质量块对钻机钻具的冲击。所述压扭复合力传感器、热电偶、位置开关、进给编码器、冲击编码器与旋转编码器安装在钻进试验台上。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(起始点)；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，为钻进控制子系统供电。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，得到钻机在的参数，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，如图3所示。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，以及达到预定温度以后的控温。电热丝用于在制冷试验结束后，给冷却介质加热，使得钻进对象温度能够快速回升至常温。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。所述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于给温度控制子系统供电。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，如图4所示。其中，真空控制PLC为真空控制子系统的控制中枢，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；真空机组中，机械泵A、机械泵B的工作真空度范围10⁵Pa～6×10²Pa，罗茨泵的工作真空范围6×10²Pa～6×10^-2Pa，扩散泵的工作真空范围6×10^-2Pa～6×10^-4Pa。真空控制阀件用于控制真空抽气管路；真空控制阀件中，前级阀和旁通阀默认为打开状态，其余阀门默认为关闭状态。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，用于判断当前真空度是否达到工作泵的工作真空范围，进而确定开启工作真空范围与当前真空度对应的工作泵。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，从而使真空抽气管路可形成三条真空管路：分别为低真空管路、中真空管路与高真空管路。所述低真空管路时，机械泵A和机械泵B开启，截止阀打开，粗抽阀打开，前级阀和旁通阀默认打开，使用低真空管路工作时真空计C返回真空机组出口真空度数据，当这一点真空度低于6×10²Pa，可以切换中真空管路。中真空管路时，罗茨泵开启，旁通阀关闭，使用中真空管路工作时真空计C返回真空机组出口真空度数据，当这一点真空度低于6Pa，可以切换高真空管路。高真空管路时，维持泵和扩散泵启动，维持阀、精抽阀打开、前级阀关闭；其中扩散泵需要预热1小时，启动维持泵后，真空计B返回维持泵泵口的真空度，当这一点真空度低于6Pa，打开维持阀，维持扩散泵出口的真空度，再启动扩散泵预热。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，为真空控制子系统供电。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。

上述钻具工艺规程参数调节试验装置控制器，在钻机钻具工作过程中，由控制中心通过钻进控制子系统、温度控制子系统与真空控制子系统，分别实现钻机钻具的钻进控制、钻进环境的温度控制与钻进环境的真空控制，具体为：

A、钻机钻具的钻进控制，如图5所示，通过下述步骤完成：

步骤1：控制进给电机工作正转，以进给速度v_p＝v_p1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；

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，即：钻进深度Depth＝0mm。

步骤3：保持进给电机速度不变，控制旋转电机启动，以v_r＝v_r1速度运动，此时钻具开始进行钻进。

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Depth＝预定深度时，钻取试验结束，中断正在进行的速度等级切换。

步骤5：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞250N时，作为一次切换速度等级条件，执行步骤6～7。

步骤6：控制进给电机速度v_p＝0，停止进给，而旋转电机保持转速v_r＝v_r1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，进给电机停止钻进时间达5s，作为一次切换速度等级条件，执行步骤8；

步骤8：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝v_p2，v_p2为设定的第一次切换的进给速度值，且v_p2＞v_p1；同时控制旋转驱动器驱动旋转电机转速v_r＝v_r2，v_r2＞v_r1；同时计数器进行次计数，使计数值Counter1＝1。

步骤9：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞350N时，作为一次切换速度等级条件；此时，计数值Counter1加1。

步骤10：对计数值进行判断，当计数值Counter1＜3时，执行步骤11；当计数值Counter1＞3时，执行步骤13。

步骤11：控制进给驱动器驱动进给电机1.10速度v_p＝0，停止进给，而旋转电机1.4保持转速v_r＝v_r2，降低钻压力；同时，计时器Timer2开始计时。

步骤12：当计时器Timer2计时时间Timer2＝10s，进给电机1.10停止钻进时间达10s，作为一次切换速度等级条件；返回执行步骤8～10；

步骤13：控制进给驱动器驱动进给电机1.10速度v_p＝v_p3，v_p3为设定的第二次切换的进给速度值，v_p1＜v_p3＜v_p2；同时通过次数器进行计数，使计数值Counter2＝1；

步骤14：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞400N，作为一次切换速度等级条件；此时，计数值Counter2加1；

步骤15：对计数值进行判断，当计数值Counter2＜3时，执行步骤16；当计数值Counter2＞3时，执行步骤18；

步骤16：控制进给电机速度v_p＝0，停止进给，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2，降低钻压力；同时，计时器Timer3开始计时；

步骤17：当计时器Timer3计时时间Timer3＝10s，进给电机停止钻进时间达10s，作为切换速度等级条件，返回执行步骤13～15；

步骤18：控制进给电机速度v_p＝v_p4，v_p4为设定的第三次切换的进给速度值，v_p4＝v_p1；同时，通过计数器进行计数，使计数值Counter3＝1

步骤19：压扭复合力传感器反馈钻压力F＞400N时，作为一次切换速度等级条件；此时，计数值Counter3加1；

步骤20：由运动控制卡对计数值进行判断，若计数值Counter3＜10时，执行步骤21；当计数值Counter3＞10时，执行步骤23；

步骤21：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，停止进给，进给电机停止进给，速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2，降低钻压力；同时，计时器Timer4开始计时。

步骤22：当计时器Timer4计时时间Timer4＝10s，进给电机停止钻进时间达10s，作为切换速度等级条件，返回执行步骤18～20。

步骤23：判断计数器Counter3的大小，若Counter3＞10，同时Counter3＜20时，表示钻进工况较为苛刻，则执行步骤24；若Counter3≥20时，则进入步骤25；

步骤24：控制冲击电机启动，设定冲击频率Freq＝F1，返回执行步骤21；

步骤25：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3＜30，冲击电机当前冲击频率不够，执行步骤26；若计数值Counter3＞30时，执行步骤27；

步骤26：提高冲击频率Freq＝F2，返回执行步骤21；

步骤27：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3≥30时，进一步判断冲击电机的冲击频率，若冲击频率达到最大值，则返回执行步骤21，否则执行步骤28；

步骤28：提高冲击频率Freq＝F3，返回执行步骤21。

本发明给出优选的钻进速度切换条件参数如下表所示：

上述整个钻机钻具钻进控制过程中，采用均值电流滤波实现试验钻进平台中所有电机的保护，采用均值滤波算法保护电机的好处在于既过滤了电机启动时的大电流，同时过滤了电机工作过程中偶尔出现的峰值电流。均值滤波电流保护的具体算法实现为：

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，本发明样例中取5。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：C_average＝C_sum/k-1；

钻进控制子系统1采集一个新的电流数据，即k+1时刻的电流数据C[k+1]，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+1]；则此时

电流值之和C_sum＝C_sum-C[4]+C[k+1]。

电流数组移位为：C[i]＝C[i+1]，i＝1、2、3、……、k+1。

重新计算电流均值：C_average＝C_sum/5

若C_average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C_average大于设定保护电流，则钻进出现故障，报警并终止钻进。由此实现对电机工作过程进行保护。

同样的，本发明中对采集的钻进钻具的压力和扭矩电压信号都进行均值滤波，有效避免钻进过程中因为震动出现的峰值。本发明对电机电流采样频率2Hz，对钻压力和扭矩采样频率10Hz，通过钻进控制子系统1采集电机电流对电机进行保护，通过钻压力的反馈，控制中心作出相应的钻进策略，输出下一时刻的控制信号。

B、为避免钻进过程中，低温造时成真空室体内的水汽结冰影响钻进对象的特性，在真空室内真空度达到试验所需真空度后，对真空室内进行温度控制，如图6所示，具体步骤如下：

步骤Ⅰ：真空机组启动，开始对真空室内抽真空。

步骤Ⅱ：根据真空计A的测量值判定真空室内的真空度，若达到需要真空度，进入步骤Ⅲ；若未达到需要真空度，返回步骤Ⅰ继续对真空室内抽真空。

步骤Ⅲ：真空机组维持真空室内的真空度。

步骤Ⅳ：启动制冷机，开始对真空室内制冷。

步骤Ⅴ：根据温度钎的测量值判定钻进对象的温度，若达到需要的低温，进入步骤Ⅵ：温度控制子系统开始低温控温；若未达到需要的低温，返回执行步骤4继续对真空室内制冷。

步骤Ⅵ：通过碘钨灯开始加热钻进对象表面。

步骤Ⅶ：根据温度钎位于钻进对象表面的铂电阻返回的温度测量值，若达到需要的高温，执行步骤Ⅷ；若未达到需要的高温，返回步骤Ⅵ继续加热钻进对象表面。

步骤Ⅷ：温度控制子系统进行高温控温，开始进行试验。

步骤Ⅸ：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤Ⅹ。

步骤Ⅹ：试验完成，关闭真空控制子系统。

C、真空室内钻进环境的真空控制，如图7所示，通过下述步骤完成：

步骤(1)：打开空气压缩机和冷水机B，保证真空机组的动力气路和冷却水路畅通。

步骤(2)：根据试验要求，若进行高真空试验，启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(4)；若进行低真空试验，同样启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(10)。

步骤(3)：启动维持泵，维持扩散泵出口的真空度。

步骤(4)：对真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于3.5Pa，执行步骤(5)，若高于3.5Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(5)：扩散泵出口真空度满足，开启维持阀。

步骤(6)：打开维持阀后，由于真空管道内存在少量空气，真空计B的测量值会从低于3.5Pa上升超过6Pa；因此再次对根据真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于6Pa，执行步骤(7)；若高于6Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(7)：扩散泵启动真空度满足，开启扩散泵。

步骤(8)：启动机械泵A，开始对真空室内抽粗真空。

步骤(9)：打开预抽阀与旁通阀，使低真空管路接通。

步骤(10)：对真空计C测量值进行判断，若真空计C测量值不高于600Pa，执行步骤(11)，若高于600pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(11)：罗茨泵启动条件满足，开启罗茨泵。

步骤(12)：关闭旁通阀，使中真空管路接通。

步骤(13)：若进行高真空试验，则执行步骤(14)；若进行低真空试验，则执行步骤v；

步骤(14)：对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于6.7Pa，则执行步骤(15)；若高于6.7Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(15)：关闭粗抽阀，打开前级阀，打开精抽阀，使高真空管路接通。

步骤(16)：对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于0.5Pa，则执行步骤(17)。若高于0.5Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤。

步骤(17)：罗茨泵工作结束，关闭罗茨泵。

步骤(18)：打开旁通阀，维持真空室内真空度。

步骤(19)：启动机械泵，增加维持扩散泵出口的能力；

步骤(20)：打开截止阀，接通机械泵B。

步骤(21)：对真空室内真空计A的测量值进行判断，若真空计A的测量值达到需要的试验真空度，执行步骤(22)；

步骤(22)：真空机组继维持真空室内真空度，开始进行试验；

步骤(25)：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤(26)；

步骤(26)：试验完成，关闭真空控制子系统。

Claims (5)

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：C_average＝C_sum/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C_sum＝C_sum-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：C_average＝C_sum/k

若C_average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C_average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v_p＝v_p1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，v_p1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v_r＝v_r1速度运动，此时钻具开始进行钻进；其中，v_r1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v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r1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v_p＝v_p2，v_p2＞v_p1；同时控制旋转驱动器驱动旋转电机转速v_r＝v_r2，v_r2＞v_r1；同时计数器进行次计数，使计数值Counter1＝1；

步骤9：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞350N时，此时，计数值Counter1加1；

步骤10：对计数值进行判断，当计数值Counter1＜3时，执行步骤11；当计数值Counter1＞3时，执行步骤13；

步骤11：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2，降低钻压力；同时，计时器Timer2开始计时；

步骤12：当计时器Timer2计时时间Timer2＝10s，进给电机停止钻进时间达10s，返回执行步骤8～10；

步骤13：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝v_p3，v_p3＜v_p2；同时通过次数器进行计数，使计数值Counter2＝1；

步骤14：当压扭复合力传感器反馈的钻压力F＞400N，计数值Counter2加1；

步骤15：对计数值进行判断，当计数值Counter2＜3时，执行步骤16；当计数值Counter2＞3时，执行步骤18；

步骤16：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2；同时，计时器Timer3开始计时；

步骤17：当计时器Timer3计时时间Timer3＝10s，返回执行步骤13～15；

步骤18：控制进给电机速度v_p＝v_p4，v_p4＜v_p3；同时，通过计数器进行计数，使计数值Counter3＝1；

步骤19：压扭复合力传感器反馈钻压力F＞400N时，计数值Counter3加1；

步骤20：对计数值进行判断，若计数值Counter3＜10时，执行步骤21；当计数值Counter3＞10时，执行步骤23；

步骤21：控制进给驱动器驱动进给电机速度v_p＝0，而旋转电机保持转速v_r＝v_r2；同时，计时器Timer4开始计时；

步骤22：当计时器Timer4计时时间Timer4＝10s，返回执行步骤18～20；

步骤23：判断计数器Counter3的大小，若Counter3＞10，同时Counter3＜20时，执行步骤24；若Counter3≥20时，则进入步骤25；

步骤24：控制冲击电机启动，设定冲击频率Freq＝F1，F1为设定的冲击频率初始值，返回执行步骤21；

步骤25：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3＜30，执行步骤26；若计数值Counter3＞30时，执行步骤27；

步骤26：提高冲击频率Freq＝F2，返回执行步骤21；

步骤27：判断计数器Counter3的大小，若计数值Counter3≥30时，进一步判断冲击电机的冲击频率，若冲击频率达到最大值F3，则返回执行步骤21，否则执行步骤28；

步骤28：提高冲击频率Freq＝F3，返回执行步骤21。

4.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：所述温度控制子系统对真空室内的温度控制方法为：

步骤Ⅰ：真空机组启动，开始对真空室内抽真空；

步骤Ⅱ：根据真空计A的测量值判定真空室内的真空度，若达到需要真空度，进入步骤Ⅲ；若未达到需要真空度，返回步骤Ⅰ继续对真空室内抽真空；

步骤Ⅲ：真空机组维持真空室内的真空度；

步骤Ⅳ：启动制冷机，开始对真空室内制冷；

步骤Ⅴ：根据温度钎的测量值判定钻进对象的温度，若达到需要的低温，进入步骤Ⅵ：温度控制子系统开始低温控温；若未达到需要的低温，返回执行步骤继续对真空室内制冷；

步骤Ⅵ：通过碘钨灯开始加热钻进对象表面；

步骤Ⅶ：根据温度钎位于钻进对象表面的铂电阻返回的温度测量值，若达到需要的高温，执行步骤Ⅷ；若未达到需要的高温，返回步骤Ⅵ继续加热钻进对象表面；

步骤Ⅷ：温度控制子系统进行高温控温，开始进行试验；

步骤Ⅸ：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤Ⅹ；

步骤Ⅹ：试验完成，关闭真空控制子系统。

5.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：所述真空控制子系统对真空室内钻进环境的真空控制方法为：

步骤(1)：打开空气压缩机和冷水机B，保证真空机组的动力气路和冷却水路畅通；

步骤(2)：根据试验要求，若进行高真空试验，启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(3)；若进行低真空试验，同样启动真空机组，开始对真空室内抽真空，并执行步骤(10)；

步骤(3)：启动维持泵，维持扩散泵出口的真空度；

步骤(4)：对真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于3.5Pa，执行步骤(5)，若高于3.5Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(5)：扩散泵出口真空度满足，开启维持阀；

步骤(6)：打开维持阀后，由于真空管道内存在少量空气，真空计B的测量值会从低于3.5Pa上升超过6Pa；因此再次对根据真空计B测量值进行判断，若真空计B测量值不高于6Pa，执行步骤(7)；若高于6Pa则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(7)：扩散泵启动真空度满足，开启扩散泵；

步骤(8)：启动机械泵A，开始对真空室内抽粗真空；

步骤(9)：打开预抽阀与旁通阀，使低真空管路接通；

步骤(10)：对真空计C测量值进行判断，若真空计C测量值不高于600Pa，执行步骤(11)，若高于600pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(11)：罗茨泵启动条件满足，开启罗茨泵；

步骤(12)：关闭旁通阀，使中真空管路接通；对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于6.7Pa，则执行步骤(15)；若高于6.7Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(15)：关闭粗抽阀，打开前级阀，打开精抽阀，使高真空管路接通；

步骤(16)：对真空计C的测量值进行判断，若真空计C测量值不高于0.5Pa，则执行步骤(17)；若高于0.5Pa，则继续对真空室内抽真空，再次执行本步骤；

步骤(17)：罗茨泵工作结束，关闭罗茨泵；

步骤(18)：打开旁通阀，维持真空室内真空度；

步骤(19)：启动机械泵，增加维持扩散泵出口的能力；

步骤(20)：打开截止阀，接通机械泵；

步骤(21)：对真空室内真空计A的测量值进行判断，若真空计A的测量值达到需要的试验真空度，执行步骤(22)；

步骤(22)：真空机组继维持真空室内真空度，开始进行试验；

步骤(25)：判断试验是否完成，若完成试验，执行步骤(26)；

步骤(26)：试验完成，关闭真空控制子系统。