DD220091A1 - Automatische steuereinheit zur durchfuehrung eines bohrvorganges - Google Patents

Abstract

Die automatische Steuereinheit zur Durchfuehrung eines Bohrvorganges bezieht sich auf das Gebiet des Bergbaues. Das Ziel, den Bohrprozess oekonomischer zu gestalten, soll aufgabengemaess durch Beeinflussung des Bohr- und Vorschubantriebes, entsprechend der vorgegebenen Sollwerte, erreicht werden. Vorschlagsgemaess dient die Andruckkraft bzw. Bohrgeschwindigkeit als Fuehrungsgroesse zur Steuerung des Bohrvorganges. Ueberschreitet das Drehmoment am Bohrgestaenge den zulaessigen Wert, so wird das Drehmoment Fuehrungsgroesse. Zweckmaessig kommt die Erfindung bei Grosslochbohrmaschinen zur Anwendung.

Description

IiteI der erfindung

Automatische Steuereinheit zur Durchführung eines Bchrvorganges

Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Bergbaues.

Zweckmäßig kommt die Erfindung bei, Großlochbohrmaschinen zur Anwendung. Darunter sollen solche Bohrmaschinen verstanden, sein, bei denen das Ende einer Bohrstange mit dem Bohrantrieb während des Bohrens fest verbunden ist, wobei der Antrieb. vornehmlich hydraulisch erfolgt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen In der Bohrtechnik für Erd- und Gesteinsbohrungen sind eine Vielzahl von Lösungen bekannt, welche die Erfassung von Meßdaten und deren übertragung zum Inhalt haben. So sind z.B.

in den D5-0S 2 433 492, 2 536 054 u. a. Lösungen bekannt gemacht, wie die Erfassung und Übertragung der Meßwerte aus dem Bohrloch durchgeführt werden kann,. Eine Rückkopplung in Form einer Steuerung und' Regelung auf den Bohrprozeß lassen, diese Lösungen nicht zu.

Die ΟΞ-OS 2 129 356, 2 135 725 . bieten Lösungen zur Erfassung und übertragung von Meßwerten aus. der Bohrlochsohle zum Zwecke der Steuerung und Regelung des Bohrprozesses an. Zur Übertragung der Meßwerte wird die Bohrflüssigkeit genutzt. Im genannten Anwendungsgebiet der Erfindung läßt'sich die Sohrflüssigkeit als Datenträger nicht .nutzen. Auch darüber hinaus sind Lösungen,dieser Art verwertbare Hinweise nicht zu entnehmen. Der DE-OS 2 351 364 ist eine Lösung zur selbsttätigen Optimierung des Bohrfortschrittes für Turbinenbohrverfahren zu

' ' .... ι

.entnehmen. Der Vorschlag ist gebunden an den Einsatz von Elek-

30. tromotoren- als Antriebsörgan.'. Elekj-rohyd raulische Bohrantriebe ... besitzen andere Kennlinien und lassen sich deswegen vorschlagsgemäß nicht regeln,

' In; der DE-OS 2 252 433 ist eine~ selbsttätige' Alarm- und Still- . setzvorrichtung beschrieben. Bei zu schnellem Eindringen des Bohrmeißels in'das Gestein dient ein Signal als Anlaß zur • Stillsetzung der Bohrmaschine. Es werden mit diesem Vorschlag · nur bestimmte Gefahrenmomente, z, B. Bohreinbrüche während des : Bohrens, erfaßt und. zur Auslösung für die Stillsetzung des Bohrvorganges genutzt,

-Die DD-WP 37 396 beschreibt eine Nachlaßvorrichtuhg für Tief- · bohranlagen mit automatischer Regelung. Als_: Antriebsmotor dient ein fremderregter Gleichstromnebenschlußmotor mit elektronischem Antriebsregler, Das Drehmoment des'.Antriebimotors wird über dessen Stromaufnahme bestimmt. Diese. Messung im ...

Elektromotor als Eingangsgröße, für eine exakte .Regelung, wie . sie der Bohrprozeß verlangt, ist zu ungenau. Aus der,Literatur ist desweitsren das Verfahren der Sigma-V-^v Regelung zur Führung des Sohrvorga.nges in der Rotary-Bohrtechnik bekannt. Mittels eines Mikrorechners erfolgt die Steue-^ ru.ng der Nachlaßwinde, um vor allemiBrüche des Bohrgestänges ' bei so.lchen Bohrmaschinen zu vermeiden, deren Maschinenleistung über der zulässigen Belastung des Bohrgestänges liegt. Der Nachteil dieser Lösung besteht in dem hohen technisch-ökonomischen Aufwand zur Bildung deö Sigma-V-Soll-/ Istwertvergleiches mittels Mikrorechner .und darin, daß diese nur eine Grenzwertregelung darstellt. Für dem in Anwendungsgebiet· genannten Einsatz der Erfindung ist deshalb dies nicht raöglich\ und zweckmäßig. Zum Stand der Technik der direkten Meßverfahren der Bohrpara-

.60 meter, wie Andruckkraft und Drehmoment, ist zu sagen, daß diese sehr aufwendig, im praktischen Betrieb häufig störanfällig und über ein Versuchsstadium kaum hinausgekommen sind.. Eine komplexe Lösung für dia automatische Fahrweise von Bohrmaschinen der genannten Art ist nicht bekannt geworden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat zum Ziel,- durch Senkung der Stillstandszeit . .ten, Steigerung der Arbeitsproduktivität und Erhöhung der Werkzeug- und Maschinenstandzeiten als Folge einer automatischen .: Regelung von .Bohrmaschinen der genannten Art, den. Bohrprozeß ökonomischer zu gestalten.

. Darlegung des Wesens der Erfindung

.Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erfaßten Parameter des Bohrvorganges, insbesondere' die Andruckkraft, die Bohrgeschwindigkeit, die\Bohrdrehzahl und das Drehmoment im Bohrgestange, in einer Steuereinheit so zu verarbeiten, daß die automatische Steuerung des Bohrvorganges durch Beeinflussung des / Bohr- und Vorschubantriebes entsprechend der eingestellten .Soll· 'werte sowie eine handgesteuerte Fahrweise möglich ist. Zur Realisierung dieser Aufgabenstellung erfassen Sensoren die

SO Bohrparameter in bekannter Weise, Der hydraulische Bohr- bzw. Vorschubantrieb ist jeweils in einen Regelkreis eingebunden,¹ welcher der Drehzahl- bzw, Andruckregelung dient. Die Sollwerte der Drehzahl und der Andruckkraft werden aus der Kenntnis der ν.ρϊ*liegende η lithologischen Bedingungen vorgegeben.

85* Vorschlagsgemäß dient, als Führungsgröße für den automatischen Bohrvorgang die Andruckkraft bzw, 3ohrgeschwindi-gkeit, Bei Überschreiten eines zulässigen Drehmomentes im Bohrgestänge wird das.Drehmoment so lange zur Führungsgröße',. bis sich durch Veränderung der Andruckkraft bzw, Bohrgeschwindigkeit und/oder

• 90 der Drehzahl des Bohrgestänges das zulässige Drehmoment,-ein-;

\ stellt. Schaltungsmäßig liegt der Oifferenzdruck des Volumenstromes und das Fördervolumen des Vorschubantriebes als Eingangsgröße an einer zugehörigen Regeleinheit an, deren Aus-'-; gangsgröße auf ein, dem Vorschubantrieb zugeordnetes Servoventil wirkt. Vom Bohrantrieb i^t die Drehzahl des' Hydraulikmotors und dessen Fördervolumen als Eingangsgröße auf eine zu- . gehörige Regeleinheit geschaltet,.deren Ausgangsgröße ein Servoventil für diesen Antrieb beeinflußt. Das am.Bohrgestänge anstehende Drehmoment ist äquivalent dem'Druck des Volumenstromes im Bohrantrieb und liegt als diese Größe an einer Re'gelsinheit an, deren Ausgang auf,die Regeleinheit des Vorschubantriebes geschaltet ist und diese bei unzulässigem Drehmoment beeinflußt . · . . , . .."..

In der Regeleinheit für den Vorschubantrieb gelangen die Sig- , na.le -des Differenzdruckes über- Gleichstrommeßbrücken zu einem Summierglied/ auf ;.welches, gleichfalls ein Kompensationsvvert- .

>./,.·. geber geschaltetist» Das Signal· des Fördervolumens gelangt, über eine Trägerfrequenzmeßbrücke zu einem Umschalter» an'wel-

, ehern auch .der Ausgang des 'Summiergliedes anliegt. Die Ausgänge.

des Umschalters und eines Sollwertgebersvsind mit dem Ausgang ' der Regeleinheit für das Drehmoment auf einen Regler' geschal-

^; : tet, dessen Ausgang dem Servoventil für die Servopumpe des Vorschubantrie.bes zugeht. Der Ausgang des .Summiergliedes . liegt noch an einem Nullspannungskomperator mit^; anschließender MeI- .

deleu.chte und einem Analog-Digital-Wandler mit nachfolgender

. ' Digitalanzeige an, ' : · ' .. . .:. · . ' . .

In der Regeleinheit für den Bohrantrieb liegt das" Signal der Drehzahl an einem Frequenz-Analog-yVandler an und gelangt von diesem auf einen Umschalter, an dem gleichfalls das Signal des ,

L20 Fördervolumens über eine Trägerfrequenzmeßbrücke ankommt. Der Ausgang des Umschalters und ein .Sollwertgeber sind auf einen Regler geschaltet, dessen Ausgang auf das Servoventil für die

:. ; ;·. Servopumpe des Bohrantriebes gelegt . ist,: Das Signälder Dreh-' zahl geht noch einem Zähler zu.. In-der Regeleinheit für das

L2S Drehmoment wirkt das diesem äquivalente Signal auf eine Gleichstrommeßbrücke zu einem Extremwertregler und von¹ diesem auf den 'Regler in der Regeleinheit für den Vorschubantrieb. Der Ausgang

. der Gleichstrommeßbrücke ,liegt noch an einem Ana-log-Digltal- .

" ":; Wandler.mit Digitalanzeige an, ' ., , .

.30 Die von Sensoren erfaßten ,Parameter des Vorschub- und Bohran-

triebes werden in den zugehörigen· Regeleinheiten elektrisch verarbeitet und danach Servdventilen zugeleitet, die-als Stellglieder in dem. jeweiligen Regelkreis die Stellung d,er Schiefscheibe der Servopumpe verändern. Die zwei .verketteten ''Regelkreise realisieren die Andruck- und Drehzahlregelung, ·

.wobei' die Sollwerte von Hand eingegeben werden. Bei Ober- . ,. '.· schreiten des zulässigen ,Drehmomentes am Bohrgestänge beein-. flußt die dafür vorgesehene Regeleinheit den' Aus.gang. der Re- .. geleinheit für den Vorschubantrieb: so lange, bis sich das

Drehmoment in dem zulässigen Bereich befindet. .' ' .'.:,

Ausführungsbeispiel " \ .

'^: ., Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist der Baugliedplan für die Steuerung einer Großlochbohrmaschine darge-.145 stellt. · \ .' " , . .. ;

. Der praktische. Ejetrieb der Großlochbohrmaschine erfordert verschiedenartige Bedien- und. Arbeitsweisen, So muß z, B. beim Gestängewechsel der Bohr- und Vorschubantrieb von Hand gefahren ;'. werden. Das Fahren in beiden Drehrichtungsn ist erforderlich und beim Abdrehen der Bohrstange muß im Bohrantrieb,ein steiler Druckanstieg, d. h. ein hoher D/rehmoment realisiert werden können. Beim Bohrbetrieb hingegen sollte durch automatische Steuerung der. Antriebe die Drehzahl des Bohrgestänges und der Andruck in beiden Richtungen konstant bleiben. Diesen Gege-.155 benheiten:'trägt die vorgeschlagene Steuerung Rechnung.

Die Großlochbohrma'schine verfügt über einen Bohrantrieb Al mit dem.Hydraulikmotor MH. und der Servopumpe ·. Pll.,Der Vorschubantrieb A2 der Großloc.hbohrmaschine besteht aus dem Hydraulikmo-' tor M21 und der Servopumpe P21. Beide Antriebe Al und A2 haben. als gemeinsamen Antrieb einen Drehstrommotor MOl, , ' .

Auf den Bohrantrieb Al wirkt die Regeleinheit REl. Dabei be- '.. wirkt der Regler ElO über, das elektrohydraulische. Servoventil YlO eine, entsprechend am Sollwertgeber SIl eingestellten 'Sollwert, proportionale Verstellung der Schiefscheibe der Servopumpe Pll, -Im Handbetrieb, dies entspricht der Stellung "1" des Umschalter SlO, wird die über dem induktiven Wegatufnehmer B12 und die Träg.erf requenzmeß'orücke A12 erfaßte Schie fscheibenstellu-ng als Istwert dem Regler ElO zugeführt. Im Automatikbe-, , trieb, der Umschalter SlO ist auf die Stellung "2" gelegt, 'wer-, den die über die Impulsgeber B13 und.314 gewonnenen und von dem Drehrichtungsdiskriminator Al3 ausgewerteten Impulse mit dem¹ < Frequenz-Analog-Handler A14 in ein Analogsignal umgewandelt und . als Istwert dem Regler ElO aufgeschaltet. Parallel dazu.gehen

diese Impulse dem Zähler'mit Speicherverhalten 'Al5 zu und werden -angezeigt, wobei d'ie Impulszahl pro Zeiteinheit der Drehzahl des Bohrgestänges entspricht und somit eine Drehzahlan- . '.. zeige .realisiert "ist. '

Auf den Vorschubantrieb A2 wirkt die Re'geleinheit RE2.Oer Regler Ξ20 bewirkt dabei über das elektrohydraulische Servo-

ISO ventil Y20 eine, entsprechend am Sollwertgeber S21 eingestellten Sollwert, proportionale Verstellung der·Schiefscheibe der Servopumpe P21. Im Handbetrieb, der Umschalter S20 liegt.auf der Stellung "1" wird die. über den induktiven-Wegaufnehmer B23 und die Trägerfrequenzmeßbrücke A23 erfaßte Schiefscheiben-"

185. stellung der Servopumpe . P2l als Istwert- dem Regler Ξ2Ο zugeführt. Im Automatikbetrieb, der Umschalter S20 liegt auf der . λ Stellung "2", erfolgt die Bildung des Istwertes durch Summierung der als/Signal vorliegenden Vorschubkraft und einer Kompensationsgröße , die de>'Hasse der mit dem Bohrgestänge verbundenen Totlasten, proportional ist. DieVorschubkroft erfassen die Druckgeber B21 und B22 und die nachgeschalteten Gleichstrommeßbrücken, A21 und A22. Das Ergebnis gelangt' als elektrisches Signal ebenso wie die über den Kompensationswertgeber S22 bereitgestellte Kompensationsgröße auf die Eingänge des Summiergliedes A20, Die Kompensation der Masse des Bohrgestänges sowie der Totlasten erfolgt, indem im Handbetrieb der Bohrkopf von der Bohrlochsohle freigefahren und der Kompensationswertgeber S22 sfo lange verstellt wird, bis die Kd'mpensationsgrößs ^; der von dem Vorschubantrieb A2 erzeugten Vorschubkraft, ent-'spricht. Dieser Zustand wird über .den dem Ausgang des Summiergliedes A20 nachgeschalteten Nullspannungskomperator A24 erkannt und durch die Meldeleuchte H2Q angezeigt, über den -pa rallel geschalteten Analog-Digital-Wandler A25 kommt :die am-Bohrkopf tatsächlich wirkende Andruckkraft an der Digitalen-

205. zeige A26 zur Anzeige, Nach dem Masseabgleich ist durch Umschaltung des Umschalters S20 der Automatikbetrieb möglich. Die Gleichstrommeßbrücken A21 und A22 sind so geschaltet, daß entsprechend der durch die Druckgeber B21, B22 gemessenen Werte.eine elektrische Differenzbildung erfolgt, was der ent-

210' sprechenden Bewegungsrichtung des Bohrgestänges entspricht.

Beim drückenden Bohren .wird der resultierende Istwert am Regler Ξ20 durch Summierung der Kompensatiönsgröße verkleinert, so daß der Vorschubantrieb A2.bei gleichem Sollwert eine größere Vorschubkraft erzeugt. Beim, ziehenden Bohren wird der Istwert des Reglers Ξ20 vergrößert, so daß bei gröPoersr Masse des Bohrgestänges und gleichem Sollwert vom Vorschub-

antrieb A2 geringere Vorschubkräfte erzeugt werden müssen. Das Drehmoment am Bohrgestänge erfaßt indirekt der Druckge-

' .ber BIi durch Messung des Hydraulikdru.ckes im Bohrantrieb Al, 220.·. Das gewonnene Signal wird .auf die Regeleinheit RE3geschaltet .und daselbst.durch die Gleichstromnießbrücke All aufbereitet. Der Ausgang der Gleichstrommeßbrücke All liegt einerseits an \, ; ;„ .;;.·ύ dam Grenzwert reg 1st £12 und andererseits an dem Analög-Digital- :^; ; ': : .Wandler A15 an, . Letzterer dient der Anzeige des Drehmomentes 225 .durch die Digitalanzeige A17, Der Grenzwertr,egler E12 ist in

seiner Funktion so beschaltet, daß bei überschreiten des .zuiäs-,sigen Drehmomentes ein Signal an den Regler £20 der Regelein- ;_:. heit R£2 erfolgt, Dieses Signal· beeinflußt die Funktion des : ... Reglers Ξ20 so lange, bis sich durch Verringerung der Vorschub-230 kraft im Vorschubantrieb A2 ein Drehmoment unterhalb der zuläs-

.: sigen Größe einstellt. \

. - \ Zur Kontrolle der Bohrgeschvvindigkeit der Großlochbohrmaschins ν; ve· v/erden über die Impulsgeber B24, · B25 Drehzahlimpulse vom Vor-

:. schubantrieb A2 abgegriffen, über den Richtungsdiskriminator ,235: A27 aufbereitet, pro Zeiteinheit gezählt und in ;der Digitalan- ;:..zeige A28. angezeigt. Außerdem werden die wichtigsten Bohrpara-

; .meter, wie Drehzahl des Bohrgestänges, dessen Drehmoment und ; ^v . Andruckkfaft, welche als Analogsignale RSGl, REG2,· REG3 in den ;:;::-;;/ zugehörigen. Regele'inheiten .REl, RE2, RE3 vorliegen, mit einem .240 Schreiber registriert. Somit ist die Möglichkeit gegeben, den

Bohrprozeß, zu dokumentieren. Desvveiteren werden die'beiden ver-' ketteten Regelkreise des Bohrantriebes Al und des Vorschüben- triebes Ά2 durch eine übergeordnete 'Steuerung, die in &er Zeich- .... .. nung nicht dargestellt ist, überwacht. Zu diesem Zivec'i werden ,245, mittels' Sensoren der Fülldruck und der Zustand der Filter; im

Bohrantrieb, Ai und Vorschubantrieb A2,·die öltemperatur und der ölstand im Behälter der Haupt-^jnd Hilfshydrauli.k, die Schwin- : gungsparameter der-.Großlochbohrmaschine und die Endlagen des ' Vorschubantriebes A2 überwacht. Die entsprechenden Signale wsr-

.250 den in.einem Störungsspeicher verarbeitet, zur Störungsmeldung.

genutzt^und führen im Falle einer Gefahr zur Abschaltung der ,Antriebe..

Claims (4)

Erfindungsansprüche ^

1. Automatische Steuereinheit zur Durchführung eines 3ohrvorganges, wobei Sensoren die Bohrparameter erfassen, der Bohr- und Vorschubantrieb hydraulisch erfolgt, Regelkreise für die Drehzahl- und Andruckregelung bestehen und die Vorgabe einer

Drehzahl erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Führungs- ; größe für den Bohrvbrgang die Andruckkraft bzw. die ßohrgeschwindigkeit vorgesehen ist und bei Oberschreiten des zulässigen Drehmomentes dieses die Führungsgröße darstellt, bis sich durch Veränderung der Andruckkraft bzw, der Bohrgeschwindigkeit und/oder der Drehzahl das zulässige Drehmoment einsfeilt , . indem vom Vorschubantrieb (A2) der Differenzdruck des Volumenstroraes und das Fördervolumen als Eingangsgrößen auf eine Regeleinheit (RE2) geschaltet sind, deren Ausgangsgröße auf ein Servoventil (Y20.) wirkt, welches auf den Vorschubantrieb (A2) regelnd eingreift, desweiteren vom Bohrantrieb (Al) die Drehzahl des Hydraulikmotors (MIl) und cias Fördervoiümen als Eingangsgrößen auf eine. Regeleihheit (REi) geschaltet sind, deren Ausgangsgröße auf ein Servoventil .(YlO). .wirkt,· welches auf den Bohrantrieb (Al₁) regelnd eingreift und letztlich das anstehende Drehmoment indirekt als Größe^: des Druckes des VoIu-. menstromes des Bohrantriebes (Al) als Eingangsgröße auf eine Regeleinheit (RE3) geschaltet ist, deren Ausgangsgröße auf die Regeleinheit (RE2), geschaltet ist und bei Überschreiten des zulässigen Drehmomentes deren Ausgangsgröße beeinflußt,.

2. Automatische Steuereinheit nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Regeleinheit (RE2) die vom induktiven Wegaufnehmer (B23) erfaßte Schiefschetbenstellung der Servopumpe (P21) über die Trägerfrequenzmeßbrücke (A23) und den Umschalter (S20) am Regler (E20) anliegt, ferner* daß die von den Druckgebern (B21, B22) erfaßten Drücke des Volumenstromes des Vbrschuban-

triebes (A2) über die Gleichstrommeßbrücken (A21; A22) auf die Eingänge des Summiergliedes (A2O) geschaltet sind, ebenso wie der Kompensationswertgeber (S22) und die Ausgangsgröße des Summiergliedes (A20) gleichfalls an dem Umschalter (S20) anliegt, wobei das Summierglied (A20) auf den Nullspannungskomperator (A24) und die Digitalanzeige (A26) wirkt und schließlich an den Eingängen des Reglers (E20) ein Sollwertgeber (S21) und der Ausgang der Regeleinheit (RE3) anstehen.

3. Automatische Steuereinheit nach Punkt 1, dadurch gekenn- : zeichnet, daß in der Regeleinheit (REl) die vom Wegaufnehmer

(B12) erfaßte SchiefScheibenstellung der Servopumpe (Pll) über eine Trägerfrequenzmeßbrücke (A12) und den Umschalter (SlO) : am Regler (ElO) anliegt, daß von Impulsgebern (B13; B14) über 45. Drehrichtüngsdiskrimihator (A13) und Frequenz-Änalog-Wandler (A14) der. Impuls für die Drehzahl des Hydraulikmotors (MIl) auf den Umschalter (SlO) erfolgt, wobei dieser nach der , Drehrichtüngsdiskrimihator (A13) gleichfalls auf einen Zäh- ; ler (A16) wirkt und daß ferner ein Sollwertgeber (SIl) auf den Eingang des Reglers (EiO) geschaltet ist.

4. Automatische Steuereinheit nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet_f daß in der Regeleinheit (RE3) der von einem Druckgeber (BIi) erfaßte Druck des Volumenstromes des Bohrantrie- ; bes (Al) als elektrisches Signal über eine Gleichstrornmeßbrücke (Ali) aneinem Grenzv;ertgeber (E12) anliegt und nach ; der Gleichstrommeßbrücke (All) auf Analog-Digital-Wandler '; (A15) wirkt, : ; _:. ; -

: Hierzu 1 Blatt Zeichnung