SE447748B - System for automatic control of a rotational drill - Google Patents
System for automatic control of a rotational drillInfo
- Publication number
- SE447748B SE447748B SE8004911A SE8004911A SE447748B SE 447748 B SE447748 B SE 447748B SE 8004911 A SE8004911 A SE 8004911A SE 8004911 A SE8004911 A SE 8004911A SE 447748 B SE447748 B SE 447748B
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- drilling tool
- sensor
- drilling
- unit
- rotational frequency
- Prior art date
Links
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B44/00—Automatic control systems specially adapted for drilling operations, i.e. self-operating systems which function to carry out or modify a drilling operation without intervention of a human operator, e.g. computer-controlled drilling systems; Systems specially adapted for monitoring a plurality of drilling variables or conditions
- E21B44/02—Automatic control of the tool feed
Abstract
Description
447 748 2 borrhastigheten V. Den signal, som skall uttas från divisionsan- ordningens utgång, matas till den ingång hos jämförelseelementet vid regulatorn för den axiella belastningen på borrverktyget, som dessutom matas med en signal för förinställning av minsta möjliga axíella belastning P på borrverktyget. 447 748 2 the drilling speed V. The signal to be extracted from the output of the division device is fed to the input of the comparator element at the axial load regulator on the drilling tool, which is also supplied with a signal for presetting the minimum possible axial load P on the drilling tool.
Vid en utföringsform av det kända systemet regleras borrverk- tygets rotationsfrekvens 00 enligt ett direkt proportionellt samband i funktion av borrhastigheten V, medan den axiella belastningen är inställbar medelst en strypventil med fixerad tvärsnittsyta hos ven- tilens öppning, vilken ventil är anordnad i ett hydraulsystem för matning av borrverktyget till anbrottet i och för att åstadkomma motståndet mot vätskeutströmningen i hydraulsystemet.In one embodiment of the known system, the rotational frequency 00 of the drilling tool is regulated according to a directly proportional relationship in operation of the drilling speed V, while the axial load is adjustable by means of a throttle valve with fixed cross-sectional area of the valve opening. feeding the drilling tool to the opening in order to provide the resistance to the liquid outflow in the hydraulic system.
Den axíella belastningen P regleras vid det kända systemet i beroende av en signal, som är proportionell mot momentanvärdet på borrhastigheten V och som från borrhastighetsgivarens utgång över- föres till divisionsanordningens ingång. Över divisionsanordningens utgång formas en styrsignal, som påtryckes ingången hos regulatorn för den axiella belastningen P. Ju större momentanvärdet på borr- hastigheten är, ju lägre axiell belastning P inställes på borrverk- tyget.The axial load P is regulated in the known system in dependence on a signal which is proportional to the instantaneous value of the drilling speed V and which is transmitted from the output of the drilling speed sensor to the input of the division device. A control signal is formed over the output of the division device, which is applied to the input of the regulator for the axial load P. The greater the instantaneous value of the drilling speed, the lower the axial load P is set on the drilling tool.
Momentanvärdet på den axiella belastningen P mätes_av givaren för avkänning av den axiella belastningen och matas till en ingång hos,en andra divisionsanordning, över vars utgång en signal för styrning av regulatorn för borrverktygets rotationsfrekvens formas.The instantaneous value of the axial load P is measured by the sensor for sensing the axial load and is fed to an input of, a second division device, over the output of which a signal for controlling the regulator of the rotational frequency of the drilling tool is formed.
Ju större momentanvärdet på den axiella belastningen P, ju lägre rotationsfrekvens GJ förinställes av det automatiska styrsystemet.The larger the instantaneous value of the axial load P, the lower the rotational frequency GJ is preset by the automatic control system.
En nackdel med det kända systemet av nämnt slag är en låg regleringsnoggrannhet till följd av att de konstanta koeffícíenter, som skall ledas till divisionsanordningens ingångar och som kalky- leras i förväg och bestämmer de optimala regleringsprogrammen, är approximativa. De optimala regleringsprogrammen för de kända sys- temen bör kalkyleras i förväg för varje typ av borrverktyg och borr- maskiner och varje bergart. Kalkyleringen av de optimala programmen omfattar val av ett kvalitetskriterium, beräkning av extremvärdena på,kvalitetskriteriet för alla möjliga borrningsförhållanden och bestämning av de optimala värdena av rotationsfrekvensen U0 hos borrverktyget och av den optimala axiella belastningen på borrverk- tyget i berående av kvalitetskriteriets extremvärden. Nämnda kal- kyler är komplicerade och arbetskrävande och erfordrar användning av komplicerad räkneteknik. De genom nämnda kalkyler erhållna optimala 447 748 programmen är fixerade och endast användbara för de betingelser, för vilka de är avsedda. Avvikelsegraden för de optimala program- men från användningsförhållandena för desamma kan icke kontrolleras, vilket ytterligare försämrar styrnoggrannheten då borrningsförhållan- dena ändras.A disadvantage of the known system of this kind is a low control accuracy due to the fact that the constant coefficients, which are to be led to the inputs of the division device and which are calculated in advance and determine the optimal control programs, are approximate. The optimal control programs for the known systems should be calculated in advance for each type of drilling tool and drilling machine and each rock type. The calculation of the optimal programs includes selection of a quality criterion, calculation of the extreme values of, the quality criterion for all possible drilling conditions and determination of the optimal values of the rotational frequency U0 of the drilling tool and of the optimal axial load on the drilling tool. The aforementioned calculations are complicated and laborious and require the use of complicated arithmetic techniques. The optimal 447,748 programs obtained by said calculations are fixed and only usable for the conditions for which they are intended. The degree of deviation of the optimal programs from the operating conditions for the same can not be controlled, which further impairs the control accuracy when the drilling conditions change.
Ett syfte med föreliggande uppfinning är att öka noggrannhe- ten vid automatisk reglering av de optimala parametrarna vid ändring av borrningsförhållandena och att samtidigt göra styranordningarna enklare.An object of the present invention is to increase the accuracy of automatic control of the optimal parameters when changing the drilling conditions and at the same time to make the control devices simpler.
Detta ernás enligt uppfinningen medelst en anordning för automatisk reglering av en med vridverkan arbetande borr- maskin, till vars ena ingång är ansluten en regulator för reg- lering av en axiell belastning på ett borrverktyg och till vars andra ingång är ansluten en regulator för borrverktygets rota- tionsfrekvens, varvid varje regulator via var sitt jämförelse- element är ansluten till en förinställningsgivare för förin- ställning av den storhet, som skall regleras, medan borrmaski- nens utgångar är anslutna till en matningshastighetsgivare, en givare för avkânning av borrverktygets rotationsfrekvens, en givare för avkänning av den axiella belastningen pá borrverk- tyget, en givare för avkänning av ett vid borrverktyget pålagt vridmoment respektive en vibrationshastighetsgivare, varvid enligt uppfinningen anordningen innefattar dels en enhet för beräkning av borrverktygets förflyttning i djupled per varv hos borrverktyget, vilken enhets ingångar är anslutna till matnings- hastighetsgivaren respektive rotationsfrekvensgivaren, medan enhetens utgång är ansluten till elementet för jämförelse av borrverktygets momentana förflyttning i djupled per varv hos borrverktyget med ett i förväg bestämt värde, dels en enhet för beräkning av den specifika borrbarheten, vilken enhet med sina ingångar är ansluten till rotationsfrekvensgivaren respektive belastningsgivaren och med sin utgång är ansluten till jämförel- seelementet för jämförelse av den momentana specifika borrbar- heten med ett i förväg bestämt värde, varvid de i förväg bestäm- da värdena på borrverktygets förflyttning i djupled per varv och den specifika borrbarheten bestämmes av en kalkylator, vars ingångar är anslutna till matningshastighetsgivaren, rotations- -frekvensgivaren, belastningsgivaren, vridmomentgivaren respektive 447 748 vibrationshastighetsgivaren och till respektive förinställnings- givare för förinställning av ingángsparametrar och vars ut-_ gångar är anslutna till jämförelseelementet, belastningsregula- torn, rotatíonsfrekvensregulatorn respektive elementet för jäm- förelse av den momentana specifika borrbarheten med ett i för- väg bestämt värde.This is achieved according to the invention by means of a device for automatic control of a rotary drilling machine, to one input of which is connected a regulator for regulating an axial load on a drilling tool and to which other input is connected a regulator for the root of the drilling tool each controller is connected via a separate comparison element to a presetting sensor for presetting the quantity to be regulated, while the outputs of the drilling machine are connected to a feed speed sensor, a sensor for sensing the rotational frequency of the drilling tool, a sensor for sensing the axial load on the drilling tool, a sensor for sensing a torque applied to the drilling tool and a vibration speed sensor, respectively, the device according to the invention comprising a unit for calculating the movement of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool, to feed speed the sensor and the rotational frequency sensor, while the output of the unit is connected to the element for comparing the momentary movement of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool with a predetermined value, and a unit for calculating the specific drillability, which unit is connected to the rotational frequency sensor the load sensor and with its output is connected to the comparison element for comparing the instantaneous specific drillability with a predetermined value, the predetermined values of the displacement of the drilling tool in depth per revolution and the specific drillability being determined by a calculator , whose inputs are connected to the feed rate sensor, the rotational frequency sensor, the load sensor, the torque sensor and the vibration speed sensor respectively 447 748 and to the respective presetting sensor for presetting input parameters and whose outputs are connected to the comparison element, the load gs regulator, the rotational frequency regulator and the element for comparing the instantaneous specific drillability with a predetermined value.
En sådan utformning av anordningen gör det möjligt att i hög grad öka noggrannheten vid automatisk reglering av borr- ningsparametrarna och att samtidigt förenkla styranordningarna.Such a design of the device makes it possible to greatly increase the accuracy of automatic control of the drilling parameters and at the same time to simplify the control devices.
Det är lämpligt att kalkylatorn är försedd med en enhet för kalkyl av ett kvalitetskriterium, vilken enhet är uppbyggd i form av en divisionsanordning, vars ingångar är anslutna till multiplikationselement, av vilka det ena är avsett att i be- roende av den axiella belastningen på borrverktyget och mat- ningshastigheten avge en elektrisk signal, som motsvarar fram- matningseffekten för borrverktyget, medan det andra multiplika- tionselementet är avsett att i beroende av det vid borrverktyget pålagda vridmomentet och borrverktygets rotationsfrekvens avge en elektrisk signal, som motsvarar borrningseffekten.It is suitable that the calculator is provided with a unit for calculation of a quality criterion, which unit is built in the form of a division device, the inputs of which are connected to multiplication elements, one of which is intended to depend on the axial load on the drilling tool. and the feed speed emits an electrical signal corresponding to the feed power of the drilling tool, while the second multiplication element is intended to emit an electrical signal corresponding to the drilling power depending on the torque applied to the drilling tool and the rotational frequency of the drilling tool.
Detta gör det möjligt att vid borrningen operativt be- stämma kvalitetskriteriet i form av ett förhållande mellan frammatningseffekten och borrningseffekten som funktion av borrningsparametrarna.This makes it possible to operatively determine the quality criterion during drilling in the form of a relationship between the feed-in power and the drilling power as a function of the drilling parameters.
Det är ändamålsenligt, att kalkylatorn är försedd med en enhet för förinställning av den axiella belastningen på borr- verktyget, vilken enhet är ansluten till jämförelseelementet för jämförelse av den momentana specifika borrbarheten med ett i förväg bestämt värde via en kompenseringsenhet, som är avsedd att påverkas, då kvalitetskriteriet får det optimala värdet vid regleringen av den axiella belastningen på borrverktyget medelst en förinställningsgivare för förinställning av nämnda belast- ning, vilken förinställningsgivare är ansluten till belastnings- regulatorn via en strömställare.It is expedient for the calculator to be provided with a unit for presetting the axial load on the drilling tool, which unit is connected to the comparison element for comparing the instantaneous specific drillability with a predetermined value via a compensation unit, which is intended to be actuated. , when the quality criterion is given the optimum value when regulating the axial load on the drilling tool by means of a presetting sensor for presetting said load, which presetting sensor is connected to the load regulator via a switch.
Detta gör det möjligt att förinställa den optimala axiella belastningen på borrverktyget såväl vid en konstant ro-, tationsfrekvens hos borrverktyget som vid samtidig reglering av rotationsfrekvensen och den axiella belastningen pà borrverk- tyget, varigenom inställningstiden för den optimala axiella belastningen blir kortare. ' 447 748 Det är lämpligt att kalkylatorn är försedd med en enhet för förinställning av borrverktygets rotationsfrekvens, vilken enhet är ansluten till jämförelseelementet för jämförelse av borrverktygets momentana förflyttning per varv med ett i förväg bestämt värde via en kompenseringsenhet, som är avsedd att på- verkas, då kvalitetskriteriet blir optimalt vid regleringen av borrverktygets rotationsfrekvens medelst en förinställnings- givare för förinställning av rotationsfrekvensen, vilken för- inställningsgivare är ansluten till rotationsfrekvensregulatorn via en omkopplare. i Detta gör det möjligt att förinställa den optimala rota- tionsfrekvensen hos borrverktyget såväl vid en konstant axiell belastning på borrverktyget som vid samtidig reglering av den axiella belastningen och rotationsfrekvensen, vilket minskar inställningstiden för det optimala värdet på borrverktygets rotationsfrekvens.This makes it possible to preset the optimum axial load on the drilling tool both at a constant rotational frequency of the drilling tool and at simultaneous control of the rotational frequency and the axial load on the drilling tool, whereby the setting time for the optimal axial load becomes shorter. 447 748 It is suitable that the calculator is provided with a unit for presetting the rotational frequency of the drilling tool, which unit is connected to the comparison element for comparing the instantaneous movement of the drilling tool per revolution with a predetermined value via a compensation unit, which is intended to be actuated. , when the quality criterion becomes optimal when regulating the rotational frequency of the drilling tool by means of a presetting sensor for presetting the rotational frequency, which presetting sensor is connected to the rotational frequency regulator via a switch. This makes it possible to preset the optimum rotational frequency of the drilling tool both at a constant axial load on the drilling tool and at simultaneous control of the axial load and the rotational frequency, which reduces the setting time for the optimum value of the rotary frequency of the drilling tool.
Det är lämpligt att kalkylatorn är försedd med en enhet för kalkyl av borrningssjälvkostnadspriset, vilken enhet inne- fattar en adderare, vars utgång är ansluten till en extremregu- lator, vars ena ingång via en mellandivisionsanordning är an- sluten till en utgång från en andra divisionsanordning, vars ingångar matas med signaler, som motsvarar borrverktygets momen- tana förflyttning i djupled per varv hos borrverktyget och kostnaden för ett enda borrverktyg, varvid mellandivisionsanord- ningens andra ingång är ansluten till en förinställningsgivare för borrverktygets motorspänning, medan adderarens andra ingång är ansluten till en andra mellandivisionsanordning, vars ena ingång är ansluten till matningshastighetsgivaren och vars andra ingång är ansluten till en utgång från en andra adderare, vars ena ingång matas med en signal, som motsvarar amorteringskost- naden för borrmaskinen och underhàllspersonalens lön, och vars andra ingång är ansluten till en utgång från ett multiplika- tionselement, vars separata ingångar matas med signaler, som motsvarar kostnaden per enhet av den förbrukade elkraften och borrverktygets effektförbrukning. 447 748 En dylik utformning av enheten för kalkylering av borrnings- självkostnadspriset gör det möjligt att separat kalkylera de enskil- da värdena av självkostnadspriset för borrverktyget och andra om- kostnadsposter i beroende av momentanvärdena på borrningsparametrar- na och de borrningsparametrar, som skall matas till ingångarna hos enheten för kalkyl av borrningssjälvkostnadspriset, och, om så behövs, att använda nämnda enskilda värden som enskilda kvalitetskriterier för reglering av borrmaskinens driftsförhâllanden.It is suitable that the calculator is provided with a unit for calculating the drilling cost price, which unit comprises an adder, the output of which is connected to an extreme regulator, one input of which is connected via an intermediate division device to an output of a second division device. , the inputs of which are supplied with signals corresponding to the momentary movement of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool and the cost of a single drilling tool, the second input of the intermediate division device being connected to a preset sensor for the drilling tool's motor input. second intermediate division device, one input of which is connected to the feed rate sensor and the other input of which is connected to an output of a second adder, one input of which is supplied with a signal corresponding to the amortization cost of the drill and maintenance personnel, and the other input of which is connected to an output from a multiplication onselement, the separate inputs of which are supplied with signals corresponding to the unit cost of the electricity consumed and the power consumption of the drilling tool. 447 748 Such a design of the unit for calculating the drilling cost price makes it possible to separately calculate the individual values of the cost price for the drilling tool and other cost items depending on the instantaneous values of the drilling parameters and the drilling parameters to which the input parameters are to be applied. at the unit for calculating the drilling cost price, and, if necessary, using said individual values as individual quality criteria for regulating the operating conditions of the drilling machine.
Det är lämpligt, att förinställningsgivaren för borrverkty- getsxmnxmspâufing, ifall borrverktygets rotationsfrekvens regleras, är utförd som en potentiometer.It is suitable that the presetting sensor for the drilling tool's xmnxmspâu fi ng, if the rotational frequency of the drilling tool is regulated, is designed as a potentiometer.
Detta gör det möjligt att vid enkel konstruktiv utformning snabbt - innan borrningen påbörjas - förinställa en konstant motor- resurs, som icke är beroende av borrverktygets rotationsfrekvens, då typen av det använda verktyget är känd. _ Det är vidare lämpligt, att förinställningsgivaren för borr- verktygets mmxmsfiâming, ifall den axiella belastningen på borrverk- tyget regleras, är uppbyggd i form av en funktionsomvandlare för omvandling av momentanvärdet på den axiella belastningen på borr- verktyget till en mmxmspänningsfunktion av nämnda belastning.This makes it possible, in the case of a simple design, to quickly - before drilling begins - preset a constant motor resource, which is not dependent on the rotational frequency of the drilling tool, as the type of tool used is known. It is furthermore suitable that the presetting sensor for the mmxm of the drilling tool, if the axial load on the drilling tool is regulated, is constructed in the form of a function converter for converting the instantaneous value of the axial load on the drilling tool to a mmxm voltage function of said load.
Detta gör det möjligt att medelst enkla medel, operativt vid borrningen förinställa momentanvärdet på borrverktygets motorresurs i beroende av det för det vid borrningen använda borrverktygets typ kända sambandet mellan motorresursen och den axiella belastningen på borrverktyget, samtidigt som det automatiska styrsystemets arbets- förlopp blir flexiblare.This makes it possible by simple means, operatively during drilling, to preset the instantaneous value of the drilling tool's motor resource depending on the known relationship between the motor resource and the axial load on the drilling tool for the type of drilling tool used during drilling, while making the automatic control system more flexible.
Det är lämpligt, att kalkylanordningen är försedd med en ex- tremregulator, vars ingång är ansluten till utgången från enheten för kalkyl av kvalitetskriteriet och vars utgång via en omkopplare är kopplad till en av flertalet ingångar hos elementet för jämförel- se av momentanvärdet på den specifika borrbarheten hos berget ifråga med ett förutbostämt värde eller till ingången hos regulatorn för reglering av den axiella belastningen.It is suitable that the calculating device is provided with an external controller, the input of which is connected to the output of the unit for calculating the quality criterion and the output of which is connected via a switch to one of the plurality of inputs of the element for comparing the instantaneous value of the specific the drillability of the rock in question with a predetermined value or to the input of the regulator for regulating the axial load.
Detta gör det möjligt att snabbare söka de optimala värdena för den axiella belastningen på borrverktyget medelst det automatis- ka styrsystemet utan minskning av reglernoggrannheten, i synnerhet vid borrning i omväxlande berg med plötsligt varierande egenskaper. 447 748 Uppfinningen beskrives närmare nedan under hänvisning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 visar ett blockschema över det föreslagna automatiska styrsystemet, fig. 2 visar ett blockschema över en enhet för kalkyl av kvalitetskriteriet vid en utföringsform av uppfinningen, varvid man som kvalitetskriterium använder för- hållandet mellan frammatningseffekten för borrverktyget och borr- ningseffekten i berget ifråga, enligt uppfinningen, fig. 5 visar ett blockschema över en enhet för förinställning av den axiella be- lastningen på borrverktyget, enligt uppfinningen, fig. H visar ett blockschema över en enhet för förinställning av rotationsfrekvensen hos borrverkgyet, enligt uppfinningen, fig. 5 visar ett blockschema över en enhet för kalkyl av kvalitetskriteriet vid en utföringsform av uppfinningen då nämnda kriterium utgöres av det löpande borrnings- självkostnadspriset, enligt uppfinningen, fig. 6 visar hur en extremregulator anslutes till ett element för jämförelse av momen- tanvärdet på den specifika borrbarheten hos det berg, som skall borras i, med det i förväg bestämda värdet, enligt uppfinningen, fig. 7 visar hur en extremregulator anslutes till ett element för jämförelse av momentanvärdet på borrverktygets förflyttning i djup- riktningen med det förutbestämda värdet, enligt uppfinningen, fig. 8 visar ett blockschema över en enhet för begränsning av borrverk- tygets rotationsfrekvens, enligt uppfinningen, och fig. 9 visar ett blockschema över en enhet för begränsning av den axiella belast- ningen på borrverktyget, enligt uppfinningen.This makes it possible to more quickly search for the optimal values for the axial load on the drilling tool by means of the automatic control system without reducing the control accuracy, especially when drilling in alternating rocks with suddenly varying properties. 447 748 The invention is described in more detail below with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a block diagram of the proposed automatic control system, Fig. 2 shows a block diagram of a unit for calculating the quality criterion in an embodiment of the invention, using as quality criterion the relationship between the feed power of the drilling tool and the drilling power of the rock in question, according to the invention, Fig. 5 shows a block diagram of a unit for presetting the axial load on the drilling tool, according to the invention, Fig. H shows a block diagram of a unit for presetting the rotational frequency of the drilling rig, according to the invention, Fig. 5 shows a block diagram of a unit for calculating the quality criterion in an embodiment of the invention when said criterion consists of the current drilling cost price, according to the invention, Fig. 6 shows how an extreme regulator is connected to an element for the comparison of the tan value of the specific drillability of the rock to be drilled in, with the predetermined value, according to the invention, Fig. 7 shows how an extreme regulator is connected to an element for comparing the instantaneous value of the drilling tool's movement in the depth direction with the predetermined value , according to the invention, Fig. 8 shows a block diagram of a unit for limiting the rotational frequency of the drilling tool, according to the invention, and Fig. 9 shows a block diagram of a unit for limiting the axial load on the drilling tool, according to the invention.
Den grundläggande principen för det föreslagna automatiska styrsystemet är att man som reglerparametrar använder borrverkty- gets optimala förflyttning i djupriktningen per varv hos borrverk- tyget, borrverktygets s.k. motorresurs, samt de energiförhållanden vid borrningen, som gör det möjligt att reducera den improduktiva förbrukningen av den energi, som skall tillföras borrverktyget, till ett minimum. Den för styrsystemets arbete nödvändiga informa- tionen kalkyleras operativt och kontinuerligt vid borrningen och utnyttjas omedelbart för styrning av borrmaskinen efter ett av ope- ratören valt kvalitetskriterium ur en sats av kriterier, vilka förekommer vid det automatiska styrsystemet.The basic principle of the proposed automatic control system is that the optimal movement of the drilling tool in the deep direction per revolution of the drilling tool is used as control parameters, the drilling tool's so-called motor resource, as well as the energy conditions during drilling, which make it possible to reduce the unproductive consumption of the energy to be supplied to the drilling tool to a minimum. The information necessary for the work of the control system is calculated operationally and continuously during drilling and is used immediately for controlling the drilling machine according to a quality criterion chosen by the operator from a set of criteria which occur in the automatic control system.
I fig. 1 visas ett blockschema över systemet för automatisk styrning av en med vridverkan arbetande borrmaskin.Fig. 1 shows a block diagram of the system for automatic control of a rotary drilling machine.
Systemet för automatisk styrning av en med vridverkan arbe- tande borrmaskin 1 innefattar en regulator 2 för reglering av en axiell belastning P på ett på ritningen icke visat borrverktyg och 447 748 8 en-regulator 3 för reglering av b°PPVePkÜYEeÜS P°Üatí°nSfrekVen$ G), vilka regulatorer är anslutna till borrmaskinens 1 ingång.The system for automatic control of a rotary drilling machine 1 comprises a regulator 2 for regulating an axial load P on a drilling tool not shown in the drawing and 447 748 8 a regulator 3 for regulating b ° PPVePkÜYEeÜS P ° Üatí ° nSfrekVen $ G), which controllers are connected to the input of the drill 1.
Regulatorerna 2 och 3 är via var sitt jämförelseelement H respekti- ve 5 anslutna till tillhörande utgångar från en kalkylanordning 6.The controllers 2 and 3 are connected via respective comparison elements H and 5, respectively, to associated outputs from a calculation device 6.
Borrmaskinens 1 respektive utgångar är anslutna till en åï' vare 7 för avkänning av borrhastigheten V, en givare 8 för avkän- ning av borrverktygets rotationsfrekvens 00, en givare 9 för &Vkän“ ning av den axiella belastningen P på borrverktyEeÜ= en Sívafe 10 för avkänning av ett vridmoment M vid borrverktyget och en givare 11 för en vibrationshastighet X. Givarnas 7'11 utšånšaf är anslut' na till kalkylanordningens 6 respektive ingångar.The respective outputs of the drilling machine 1 are connected to a sensor 7 for sensing the drilling speed V, a sensor 8 for sensing the rotational frequency 00 of the drilling tool, a sensor 9 for sensing the axial load P on the drilling toolEeÜ = a Sívafe 10 for sensing of a torque M at the drilling tool and a sensor 11 for a vibration speed X. The external sensors 7'11 are connected to the respective inputs of the calculating device 6.
Kalkylanordníngens 6 ingångar matas dessutom med signaler 12, vilka motsvarar borrverktygets motorresurs Rao, borrverktygets kostnad Cn, en kostnad CE för den elkraft, som skall förbrukas av borrmaskinen 1, en amorteringskostnad CA för borrmaskinen 1 och underhållspersonalens lön, och den effekt N, som skall krävas av maskinen 1.The inputs of the calculator 6 are further supplied with signals 12, which correspond to the motor resource Rao of the drilling tool, the cost Cn of the drilling tool, a cost CE for the electric power to be consumed by the drilling machine 1, an amortization cost CA for the drilling machine 1 and the maintenance personnel's salary. required by the machine 1.
Styrsystemet innefattar dessutom en enhet 13 för kalkyl av det löpande värdet på borrverktygets förflyttning z i djupriktningen per varv hos borrverktyget, vilken enhets ingångar är anslutna till borrhastighetsgivaren 7 och rotationsfrekvensgivaren 8, medan enhe- tens 13 utgång är ansluten till elementet 5 för jämförelse av momen- tanvärdet på borrverktygets förflyttning z i djupriktningen med en i förväg bestämd förflyttning zo i djupriktningen, som är förin- ställbar av datoranordningen 6.The control system further comprises a unit 13 for calculating the current value of the movement of the drilling tool in the depth direction per revolution of the drilling tool, which unit inputs are connected to the drilling speed sensor 7 and the rotational frequency sensor 8, while the unit 13 output is connected to the element 5 for comparing torque. the tan value of the displacement of the drilling tool z in the depth direction with a predetermined displacement zo in the depth direction, which is presettable by the computer device 6.
En sådan utformning av styrsystemet gör det möjligt att kon- tinuerligt och automatiskt kontrollera borrverktygets arbetseffek- tivitet i beroende av den momentana förflyttningen z i djupled och att förhindra att maskinen 1 drives under improduktiva förhållanden med låg borrhastighet V.Such a design of the control system makes it possible to continuously and automatically check the working efficiency of the drilling tool depending on the instantaneous movement z in the deep direction and to prevent the machine 1 from being operated under unproductive conditions with low drilling speed V.
Styrsystemet är dessutom försett med en enhet 14 för kalkyl av momentanvärdet på ett s.k. specifikt borrbarhetsindex Fo/Z i form av produkten 6JP mellan den momentana axiella belastningen P på borrverktyget och den momentana rotationsfrekvensenc» hos borr- verktyget. Enhetens lä ingångar är anslutna till rotationsfrek- vensgivaren 8 och den axiella belastningsgivaren 9, medan dess ut- gång är ansluten till elementet B för jämförelse av momentanvärdet på det specifika borrbarhetsindexet Fo/Z i form av nämnda UDP- produkt med det specifika borrbarhetsindex Fo/ZO,-som skall kalky- ...-f.,..--...-..___..._....-_.,-_.._...._....__ , 447 748 9 leras av kalkylanordningen 6, Detta gör det möjligt att under borrmaskinens 1 arbetsförlopp automatiskt kontrollera nämnda NP- värde så, att de borrningsförhållanden, vid vilka GÛP-värdet är lågt och följaktligen maskinens verkningsgrad är låg, förhindras. In- gångarna hos regulatorn 2 för den axiella belastningen och hos re- gulatorn 3 för borrverktygets rotationsfrekvens matas dessutom - från kalkylanordningens 6 respektive utgångar - med signaler Aïp och Afw för begränsning av den axiella belastningen P respektive rotationsfrekvensen 60. Att operativt begränsa den axiella belast- ningen och rotationsfrekvensen bidrar till att göra borrmaskinens 1 arbetsförlopp stabilt utan att kraftiga vibrationer och skakning uppkommer, samt till att öka funktionssäkerheten hos maskinens 1 utrustningar.The control system is also provided with a unit 14 for calculating the instantaneous value of a so-called specific drillability index Fo / Z in the form of the product 6JP between the instantaneous axial load P on the drilling tool and the instantaneous rotational frequencyc »of the drilling tool. The unit inputs of the unit are connected to the rotational frequency sensor 8 and the axial load sensor 9, while its output is connected to the element B for comparison of the instantaneous value of the specific drillability index Fo / Z in the form of said UDP product with the specific drillability index Fo / ZO, -som skal kalky- ...- f., .. - ...-..___..._....-_., -_.._...._... This makes it possible to automatically check said NP value during the operation of the drilling machine 1 so that the drilling conditions at which the GÛP value is low and consequently the efficiency of the machine is prevented are prevented. The inputs of the axial load regulator 2 and of the rotational frequency regulator 3 of the drilling tool are also supplied - from the calculator 6 and the outputs, respectively - with signals Aïp and Afw for limiting the axial load P and the rotational frequency 60, respectively. and the frequency of rotation contribute to making the operation of the drilling machine 1 stable without strong vibrations and shaking, as well as to increasing the functional safety of the machine 1's equipment.
Det automatiska styrsystemet är försett med nödvändiga kontroll- mätapparater 15-19 för indikering av de vid borrningen uppkommande momentanvärdena på borrhastigheten V, borrverktygets rotationsfrek- vens m, den axiella belastningen P på borrverktyget, vrídmomentet M vid borrverktyget och vibrationshastígheten f .The automatic control system is equipped with the necessary control measuring devices 15-19 for indicating the instantaneous values of the drilling speed V, the rotational frequency m of the drilling tool, the axial load P of the drilling tool, the torque M at the drilling tool and the vibration speed f.
Under borrmaskinens 1 arbetsförlopp kalkylerar anordningen 6 efter de indikerade momentanvärdena på borrhastigheten V, rotations- frekvensen UJ , den axiella belastningen P på borrverktyget, samt efter ingångsparametrarna 12 de enligt det av operatören valda kva- litetskriteriet optimala värdena på borrverktygets förflyttning Zo i djupled per varv hos borrverktyget och på det specifika borrbar- hetsindexet FO/Zo för det berg, som skall borras i. Vid enheterna 13, lll kalkyleras samtidigt momentanvärdena på borrverktygets för- flyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget och på (UP-produkten.During the operation of the drilling machine 1, the device 6 calculates according to the indicated instantaneous values of the drilling speed V, the rotational frequency UJ, the axial load P of the drilling tool, and according to the input parameters 12 the optimal values of the drilling tool. at the drilling tool and on the specific drillability index FO / Zo for the rock to be drilled in. At units 13, lll, the instantaneous values of the drilling tool's displacement Z are calculated at depth per revolution of the drilling tool and on (UP product).
De erhållna momentanvärdena och de kalkylerade optimala vär- dena för WP och FO/ZO respektive Z och ZO jämföres med varandra vid jämförelseelementen U och 5. Den skillnadssignal AZ, som skall erhållas över jämförelseelementets 5 utgång, matas till in- gången hos rotationsfrekvensregulatorn 5, som ändrar borrverkty- gets rotationsfrekvens tillsAZ-värdet i det närmaste blivit lika med noll. Den skillnadssignalAUüP), som skall erhållas över ut- gången från jämförelseelementet 14, påtryckes ingången hos belast- ningsregulatorn 2, som ändrar den axiella belastningen tills4(fUP)' värdet i det närmaste blivit lika med noll.The obtained instantaneous values and the calculated optimum values for WP and FO / ZO and Z and ZO, respectively, are compared with each other at the comparison elements U and 5. The difference signal AZ, to be obtained over the output of the comparison element 5, is fed to the input of the rotational frequency regulator 5. which changes the rotational frequency of the drilling tool until the AZ value becomes almost zero. The difference signal (ALUP) to be obtained across the output of the comparator 14 is applied to the input of the load regulator 2, which changes the axial load until the value (4 fUP) 'becomes almost zero.
Anordningen 6 kalkylerar dessutom de signaler AI' och ßfw för begränsning av den axiella belastningen respektive rotationsfrek- vensen, som matas till regulatorerna 2 resepktive 5 i och för att korrigera momentanvärdena på P och ßdför de ifrågavarande borr-nings- 447 748 w förhållandena så, att man förhindrar att borrmaskinen 1 drives med avsevärda vibrationer, vilka är skadliga för underhållspersonalen och gör maskinens 1 utrustningar mindre funktionssäkra.The device 6 further calculates the signals AI 'and ßfw for limiting the axial load and the rotational frequency, respectively, which are fed to the regulators 2 respectively 5 in order to correct the instantaneous values of P and ßd for the respective drilling conditions 447 748 w. that the drilling machine 1 is prevented from being operated with considerable vibrations, which are harmful to the maintenance personnel and make the equipment of the machine 1 less reliable.
Efter avslutad automatisk reglering av borrningsförhâllan- dena, dvs. P och GU, arbetar borrmaskinen 1 - sedan den överförts till de driftsförhållanden, då den axiella belastningen och rota- tionsfrekvensen får de optimala värdena Po respektive 600 - utan ändring av borrningsförhållandena tills egenskaperna hos det berg, som skall borras i, ändras. Då bergets egenskaper ändras, ändras momentanvärdet på borrverktygets förflyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget, vilket leder till uppkomsten av skillnadssig- nalen ¿\Z (mellan signalerna Z och Zo) över utgången.från elementet 5 för jämförelse av nämnda signaler. Rotationsfrekvensregulatorn 3 reglerar rotationsfrekvensen Q), vilket resulterar i att 60 P-pro- dukten (dvs. produkten mellan rotationsfrekvensenšü och den axiella belastningen P på borrverktyget) ändras och att belastningsregula- torn 2 kommer att reglera den axiella belastningen. Kalkylatorn 6 avger samtidigt de optimala värdena för det specifika borrbarhets- indexet Fo/Zo och borrverktygets förflyttning Zo i djupled per varv hos borrverktyget. Regleringen avslutas, då den skillnad 4»Z mellan den optimala förflyttningen ZO i djupled och den momentana-förf1ytt- ningen Z, som uppkommer över utgången från elementet 5 för jämförel- se av Zo med Z, och den skillnad zß (¿UP) mellan det optimala speci- fika borrbarhetsindexet Fo/Zo för det avsedda berget och momentan- värdet på UUP - produkten som uppträder över utgången från elementet 4 för jämförelse av Fo/Zo med UJP blir lika med noll. I detta fall börjar borrmaskinen 1 drivas under de nya driftsförhållanden, vid vilka CU- och P-värdena motsvarar de optimala värdena för den nya formationen i det berg, som skall borras i. Ifall bergets egenska- per ändras kontinuerligt regleras borrningsparametrarna, dvs. Cfleoch P, kontinuerligt. Om bergets hårdhet exempelvis ökar, minskas borr- verktygets rotationsfrekvens LU, medan den axiella belastningen P ökas. Ifall bergets hårdhet minskar, ökas rotationsfrekvensen, me- dan den axiella belastningen minskas. Då man borrar i ett homogent berg, vars hårdhet icke ändras, förblir den axiella belastningen och rotationsfrekvensen stabila.After completion of automatic regulation of the drilling conditions, ie. P and GU, the drilling machine 1 operates - after it has been transferred to the operating conditions, when the axial load and the rotational frequency are given the optimum values Po and 600, respectively - without changing the drilling conditions until the properties of the rock to be drilled in change. As the properties of the rock change, the instantaneous value of the displacement Z of the drilling tool changes in depth per revolution of the drilling tool, leading to the emergence of the difference signal ¿\ Z (between the signals Z and Zo) over the output of the element 5 for comparing said signals. The rotational frequency regulator 3 regulates the rotational frequency Q), which results in the P product (ie the product between the rotational frequency and the axial load P on the drilling tool) changing and the load regulator 2 regulating the axial load. Calculator 6 simultaneously outputs the optimal values for the specific drillability index Fo / Zo and the displacement Zo of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool. The control is terminated when the difference 4 »Z between the optimal displacement ZO in depth and the instantaneous displacement Z, which arises over the output of the element 5 for comparison of Zo with Z, and the difference zß (¿UP) between the optimal specific drilling index Fo / Zo for the intended rock and the instantaneous value of the UUP product that appears above the output from element 4 for comparison of Fo / Zo with UJP is equal to zero. In this case, the drilling machine 1 begins to operate under the new operating conditions, at which the CU and P values correspond to the optimal values for the new formation in the rock to be drilled in. If the rock properties change continuously, the drilling parameters are regulated, ie. C fl and P, continuously. For example, if the hardness of the rock increases, the rotational frequency LU of the drilling tool decreases, while the axial load P increases. If the hardness of the rock decreases, the rotational frequency increases, while the axial load decreases. When drilling in a homogeneous rock, the hardness of which does not change, the axial load and the frequency of rotation remain stable.
Vid kalkylatorn 6 kan man efter det av operatören gjorda va- let utnyttja flera kvalitetskriterier. I fig. 2 visas en utförings- form av enheten för kalkyl av kvalitetskriteriet vid kalkylatorn 6, vid vilken man som ett kvalitetskriterium använder förhållandet 447 748 11 PV/ “7M mellan matníngseffekten PV för borrverktyget mot borrhâls- bottnen och borrningseffekten QIM för berget medelst borrverktyget.At the calculator 6, several quality criteria can be used according to the choice made by the operator. Fig. 2 shows an embodiment of the unit for calculating the quality criterion at the calculator 6, in which the ratio 447 748 11 PV / “7M is used as a quality criterion between the feed power PV for the drilling tool against the borehole bottom and the drilling power QIM for the rock by means of the drilling tool. .
Genom att detta kvalitetskriterium utnyttjas för styrning av borr- ningsparametrarna filoch P, blir maskinens 1 improduktiva effekt- förbrukning låg.By using this quality criterion for controlling the drilling parameters fi and P, the machine's 1 unproductive power consumption becomes low.
Enheten för kalkyl av kvalitetskriteriet är vid denna utfö- ringsform uppbyggd i form av en divisionsanordning 20, vars ingång- ar är anslutna till multiplikationselement 21 och 22. Multiplika- tionselementets 22 ingång matas från respektive givare med signa- ler, vilka motsvarar momentanvärdena för den axiella belastningen P på borrverktyget och borrhastigheten V. Multipliceringselemen- tets 21 ingång matas från respektive givare med signaler, som mot- svarar momentanvärdena för borrverktygets rotationsfrekvens och vridmomentet M vid borrverktyget. De värden på matningseffekten PV för borrverktyget mot borrhålsbottnen och borrningseffekten QJM för berget medelst borrverktyget, som skall erhållas över utgång- en från multiplikationselementen 22 respektive 21, matas till in- gången hos divisionsanordningen 20, över vars utgång förhållandet PVANM kalkyleras. Divisionsanordningens 20 utgång är kopplad till en indikeringsanordning 23 för indikering av förhållandet PVÅUM.The unit for calculating the quality criterion is in this embodiment built in the form of a division device 20, the inputs of which are connected to multiplication elements 21 and 22. The input of the multiplication element 22 is supplied from the respective sensors with signals which correspond to the instantaneous values for the the axial load P on the drilling tool and the drilling speed V. The input of the multiplication element 21 is supplied from the respective sensors with signals corresponding to the instantaneous values of the rotational frequency of the drilling tool and the torque M at the drilling tool. The values of the feed power PV of the drilling tool against the borehole bottom and the drilling power QJM of the rock by means of the drilling tool to be obtained over the output of the multiplication elements 22 and 21, respectively, are fed to the input of the division device 20, over whose output the PVANM ratio is calculated. The output of the division device 20 is connected to an indicating device 23 for indicating the PVÅUM ratio.
I och för att justera det automatiska styrsystemet startar kalkylatorn 6 - innan styrsystemets arbetsförlopp påbörjas - en en- het för förinställning av den axiella belastningen på borrverktyget (fig. 3) och en enhet för förinställning av borrverktygets rotations- frekvens (fig. U).In order to adjust the automatic control system, the calculator 6 starts - before starting the operation of the control system - a unit for presetting the axial load on the drilling tool (Fig. 3) and a unit for presetting the rotational frequency of the drilling tool (Fig. U).
Enheten (fig. 3) för förinställning av den axiella belastning- en P på borrverktyget innefattar en belastningsförinställningsgiva- re 2U, som via en omkopplare 25 är ansluten till ingången hos regu- latorn 2 för belastningen på borrverktyget, och en kompenseringsen- het 26, vars utgång via jämförelseelementet U och omkopplaren 25 också är ansluten till belastningsregulatorns 2 ingång. Jämförel- seelementet U är försett med en indikeringsanordning 26 för indi- kering av_ skillnaden mellan UIF-värdet och det specifika borrbarhets- indexet FO/Zo för det berg, som skall borras i.The unit (Fig. 3) for presetting the axial load P on the drilling tool comprises a load presetting sensor 2U, which is connected via a switch 25 to the input of the regulator 2 for the load on the drilling tool, and a compensation unit 26, whose output via the comparison element U and the switch 25 is also connected to the input of the load regulator 2. The comparison element U is provided with an indicating device 26 for indicating the difference between the UIF value and the specific drillability index FO / Zo for the rock to be drilled in.
En sådan utformning av enheten för förinställning av den axiella belastningen P gör det möjligt att samtidigt som den axiella belastningen förinställes bestämma det optimala specifika borrbar- hetsindexet FO/Zo efter momentanprodukten dw, dvs. produkten mellan rotationsfrekvensen och den axiella belastningen P. n 447 748 12 Då borrverktygets rotationsfrekvens är konstant, vilken frekvens instålles av operatören i förväg och är lika med medelfrek- vensen inom ett regleringsområde för rotationsfrekvensen GJ, ökar manden axíella belastningen P på borrverktyget medelst förinställ- ningsgivaren 24 tills indikeringsanordningen 23 (fig. 2) indikerat största möjliga förhåiiahde rv/flvm. momenfianväraet åå det specivika borrbarhetsindexet (UP kompenseras medelst kompenseringsenheten 26 så, att den skillnad 4(W P) mellan (JP-produkten och Fo/Zo-vär- det som uppkommer över utgången från elementet H för jämförelse av CUP med Fo/Zo, blivit lika med noll. Samtliga operationer upprepas vid andra rotationsfrekvenser 60 hos borrverktyget sä, att indike- ringsanordningen 23 ger minimiavläsningen på maximiförhållandet PV/UUM. Den efter slutkompenseringen erhållna signalen över ut- gången från kompenseringsenheten 26 representerar det optimala specifika borrbarhetsindex Fo/Zo för det berg, som skall borras i, som motsvarar den optimala rotationsfrekvensen a)hos borrverktyget och den optimala axiella belastningen P på borrverktyget. <_Enheten (fig. 4) för förinställning av rotationsfrekvensen hos borrverktyget innefattar en rotationsfrekvensförinställnings- givare 28, som.via en omkopplare 29 är ansluten till rotationsfrek- vensregulatorns 3 ingång, och en kompenseringsenhet 30, vars utgång via elementet 5 för jämförelse av borrverktygets momentana förflytt- ning Z i djupled per varv hos borrverktyget med den i förväg bestäm- da förflyttningen ZO i djupled och via omkopplaren 29 också är an- sluten till rotationsfrekvensregulatorns 3 ingång. Jämförelseele- mentet 5 är försett med en indikeringsanordning 31 för indikering av skillnaden mellan den i förväg bestämda förflyttningen ZO i djupled och borrverktygets momentana förflyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget. En sådan utformning av enheten för förin- ställning av rotationsfrekvensen gör det möjligt att samtidigt som rotationsfrekvensen förinställes bestämma borrverktygets optimala förflyttning ZO i djupled efter den momentana förflyttningen Z i djupled.Such a design of the unit for presetting the axial load P makes it possible, at the same time as the axial load is preset, to determine the optimal specific drillability index FO / Zo according to the instantaneous product dw, ie. the product between the rotational frequency and the axial load P. n 447 748 12 When the rotational frequency of the drilling tool is constant, which frequency is set by the operator in advance and is equal to the average frequency within a control range of the rotational frequency GJ, the axial load P increases on the drilling tool sensor 24 until the indicating device 23 (Fig. 2) has indicated the largest possible ratio rv / fl vm. The specificity of the specific drillability index (UP is compensated by means of the compensation unit 26 so that the difference 4 (WP) between the JP product and the Fo / Zo value All operations are repeated at other rotational frequencies 60 of the drilling tool so that the indicating device 23 gives the minimum reading of the maximum ratio PV / UUM. rock to be drilled in, which corresponds to the optimum rotational frequency a) of the drilling tool and the optimum axial load P on the drilling tool. 29 is connected to the input of the rotational frequency controller 3, and a compensation unit 30, va rs output via the element 5 for comparing the instantaneous movement Z of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool with the predetermined displacement ZO in depth and via the switch 29 is also connected to the input of the rotational frequency regulator 3. The comparison element 5 is provided with an indicating device 31 for indicating the difference between the predetermined displacement ZO in depth and the instantaneous displacement Z of the drilling tool Z in rotation per revolution of the drilling tool. Such a design of the unit for presetting the rotational frequency makes it possible, at the same time as the rotational frequency is preset, to determine the optimal displacement ZO of the drilling tool in depth after the instantaneous displacement Z in depth.
Ifall den axiella belastningen på borrverktyget är konstant (denna belastning inställes av operatören i förväg), ökar man me- delst förinställningsgivaren 28 borrverktygets rotationsfrekvens tills indikeringsanordningen 23 (fig. 2) indikerat minimiförhållan- det PV/UIM mellan matningseffekten EV för borrverktyget och borr- ningseffekten UIM för berget. Borrverktygets momentana förflytt- ning Z i djupled kompenseras medelst kompenseringsenheten 30 så, 447 748 13 att den skillnad ¿3Z mellan den momentana förflyttningen Z i djup- led och den förinställda förflyttningen Zo i djupled, som uppträder över jämförelseelementets 5 utgång, är lika med noll. Samtliga operationer upprepas tills man funnit minsta möjliga förhållande PV/CAJM.If the axial load on the drilling tool is constant (this load is set by the operator in advance), the rotational frequency of the drilling tool 28 is increased by means of the presetting sensor 28 until the indicating device 23 (Fig. 2) indicates the minimum PV / UIM ratio between the drilling tool feed power EV and the drilling tool. the UIM effect on the rock. The instantaneous movement Z of the drilling tool Z in depth is compensated by the compensation unit 30 so that the difference ¿3Z between the instantaneous movement Z in depth and the preset movement Zo in depth, which occurs over the output of the comparison element 5, is equal to zero . All operations are repeated until the smallest possible PV / CAJM ratio is found.
Den efter slutkompenseringen över kompenseringsenhetens 30 utgång erhållna signalen representerar borrverktygets optimala förflyttning ZG i djupled per varv hos borrverktyget.The signal obtained after the final compensation over the output of the compensation unit 30 represents the optimal movement ZG of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool.
Efter avslutad justering av det automatiska styrsystemet överföres systemet medelst omkopplarna 25 och 29 till det drift- tillstånd, då det automatiskt styr maskinen och arbetar utan att operatören deltar i styrningen.After completion of the adjustment of the automatic control system, the system is transferred by means of the switches 25 and 29 to the operating state, when it automatically controls the machine and operates without the operator participating in the control.
Borrverktygets optimala förflyttning Z0 i djupled per varv hos borrverktyget kan inställas i förväg, om nämnda förflyttning Zo är känd för den använda borrverktygstypen, vilken förflyttning bestämmes efter borrverktygets geometriska parametrar eller genom processtekniska överväganden, i vilket fall justeringen av det automatiska styrsystemet reduceras till att man medelst enheten (fig. 3) för förinställning av den axiella belastningen på borrverk- tyget förinställer det optimala specifika borrbarhetsindêxet FO/ZO för det berg, som skall borras i, under automatisk reglering av borrverktygets rotationsfrekvens. I detta fall utnyttjar man vid det automatiska styrsystemet ett kvalitetskriterium P/M ' Zo, där P är den axiella belastningen, M vridmomentet vid borrverktyget och ZQ borrverktygets optimala förflyttning i djupled per varv hos borr- verktyget.The optimal displacement Z0 of the drilling tool Z0 per revolution of the drilling tool can be set in advance, if said displacement Zo is known for the type of drilling tool used, which displacement is determined by the geometric parameters of the drilling tool or by process technical considerations. by means of the unit (fig. 3) for presetting the axial load on the drilling tool presets the optimal specific drilling capacity index FO / ZO for the rock to be drilled in, under automatic control of the rotational frequency of the drilling tool. In this case, the automatic control system uses a quality criterion P / M 'Zo, where P is the axial load, M the torque at the drilling tool and the ZQ drilling tool's optimal displacement in depth per revolution of the drilling tool.
I fig. 5 visas en utföringsform av den till kalkylatorn 6 hörande enheten för kalkyl av kvalitetskriteriet, där kvalitets- kriteriet utgöres av borrningskostnaden C. En enhet för kalkylering av borrningssjälvkostnadspriset C är uppbyggd i form av en adderare 32, vars ena ingång via en divisionsanordning 33 är ansluten till en utgång från en andra divisionsanordning 3U, vars ingångar matas med signaler, som motsvarar borrverktygets momentana förflyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget respektive kostnaden C för ett enda borrverktyg. Mellan divisionsanordningens 33 ena ingång n matas med det av divisionsanordningen 3D kalkylerade förhållandet Cñ/Z, mellan mellandivisíonsanordningens 33 andra ingång matas med en signal, som motsvarar borrverktygets motorresurs R antingen i form av en funktion Rp av den aciella belastningen P, vilken funk- tion kalkyleras av en funktionsomvandlare 35 för belastningen P, eller i form av en förinställbar konstant storhet RQ”. 447 748 14 Adderarens 32 andra ingång är via en mellandivisíonsanord- ning 36 ansluten till en utgång från en adderare 37, VaPS ena in' gång matas med en signal CA, som motsvarar amorteringskostnaden för borrmaskinen och underhållspersonalens lön.Fig. 5 shows an embodiment of the unit for calculating the quality criterion belonging to the calculator 6, where the quality criterion consists of the drilling cost C. A unit for calculating the drilling cost price C is built in the form of an adder 32, one input via a division device 33 is connected to an output of a second division device 3U, the inputs of which are supplied with signals corresponding to the instantaneous movement Z of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool and the cost C for a single drilling tool, respectively. Between one input n of the division device 33 is fed with the ratio Cñ / Z calculated by the division device 3D, between the second input of the intermediate division device 33 is fed with a signal corresponding to the motor resource R of the drilling tool either in the form of a function Rp of the acial load P, which function calculated by a function converter 35 for the load P, or in the form of a presettable constant quantity RQ ”. 447 748 14 The second input of the adder 32 is connected via an intermediate division device 36 to an output of an adder 37, the VaPS one input being fed with a signal CA, which corresponds to the amortization cost of the drilling machine and the salary of the maintenance personnel.
Adderarens 37 andra ingång är ansluten till ett multiplika- tionselement 38, vars ingångar matas med signaler CE och N, som motsvarar kostnaden per kWh av elkraft respektive den effekt, som krävs av borrmaskinen. Mellandivisionsanordningens 36 andra ingång matas från borrhastighetsgivaren 7 med en signal som mßfißvarflr den momentana borrhastígheten V. Adderarens 32 utgång är ansluten till en extremregulator 39 och en indikeringsanordning 40 för indi- kering av den momentana borrningskostnaden C.The second input of the adder 37 is connected to a multiplication element 38, the inputs of which are supplied with signals CE and N, which correspond to the cost per kWh of electric power and the power required by the drilling machine, respectively. The second input of the intermediate division device 36 is supplied from the drilling speed sensor 7 with a signal which must correspond to the instantaneous drilling speed V. The output of the adder 32 is connected to an extreme regulator 39 and an indicating device 40 for indicating the instantaneous drilling cost C.
Genom att enheten för kalkyl av borrníngssjälvkostnadspri- set är utförd enligt det i fig. 5 visade blockschemat, kan man, om så behövs, för styrningen av borrningsparametrarna använda en- skilda självkostnadspriskriterier, vilka exempelvis avser kostnaden för borrverktyget eller andra omkostnadsposter.Because the unit for calculating the drilling cost price is performed according to the block diagram shown in Fig. 5, it is possible, if necessary, to control the drilling parameters for individual cost price criteria, which for example refer to the cost of the drilling tool or other cost items.
Under arbetsförloppet hos enheten för kalkyl av borrnings- självkostnadspriset efter de momentana signaler, som motsvarar borr- hastigheten V, den axiella belastningen P och borrverktygets för- flyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget och som matas från borrhastighetsgivaren 7, belastningsgivaren 9 respektive enheten 13 för kalkyl av borrverktygets momentana förflyttning Z i djupled, samt efter de över ingångarna hos enheten för kalkyl av kostnaden förinställda signaler, som motsvarar kostnaden Cn för borrverktyget, kostnaden CE per kWh av den elkraft, som skall förbrukas av borr- maskinen, amorteringskostnaden CA för borrverktyget 1 och underhålls- personalens lön respektive borrmaskinens 1 effektförbrukning N, kalkyleras kontinuerligt den momentana borrningskostnad C, som mot- svarar borrmaskinens 1 driftförhållanden. Den mot det kalkylerade löpande borrningssjälvkostnadspriset C svarande signalen matas till ingången hos en extremregulator 39, som ändrar borrverktygets rotationsfrekvens eller den akiella belastningen på borrverktyget tills borrningssjälvkostnadspriset uppnått det extremvärde, som motsvarar egenskaperna hos det berg, som skall borras i. Då bergets egenskaper varierar, ändras den kalkylerade kostnaden C, i vilket fall extremregulatorn 39 söker det nya extremvärdet för kostnaden C genom förinställning av de andra värden på rotations- frekvensen oèh den axiella belastningen, som är optimala vid borr- ningen av berget med de nya egenskaperna. Genom att det automatis- 447 748 15 ka styrsystemet arbetar i kombination med extremregulatorn 39, kan man eliminera behovet av att i förväg justera styrsystemet.During the operation of the unit for calculating the drilling cost price according to the instantaneous signals corresponding to the drilling speed V, the axial load P and the displacement Z of the drilling tool Z in depth per revolution of the drilling tool and fed from the drilling speed sensor 7, load sensor 9 and unit 13 respectively. for calculating the instantaneous movement Z of the drilling tool in depth, and after the signals preset over the inputs of the unit for calculating the cost, which corresponds to the cost Cn for the drilling tool, the cost CE per kWh of the electricity to be consumed by the drilling machine, the amortization cost CA for the drilling tool 1 and the salary of the maintenance personnel and the power consumption N of the drilling machine 1, respectively, the instantaneous drilling cost C, which corresponds to the operating conditions of the drilling machine 1, is continuously calculated. The signal corresponding to the calculated current drilling cost price C is supplied to the input of an extreme regulator 39, which changes the rotational frequency of the drilling tool or the actual load on the drilling tool until the drilling cost price reaches the extreme value corresponding to the properties of the rock. the calculated cost C is changed, in which case the extreme controller 39 searches for the new extreme value of the cost C by presetting the other values of the rotational frequency and the axial load, which are optimal when drilling the rock with the new properties. By operating the automatic control system in combination with the extreme controller 39, the need to adjust the control system in advance can be eliminated.
Vid borrning i berg med mycket omväxlande egenskaper sökes den optimala rotationsfrekvensen.0% respektive den optimala axiel- la belastningen PO kontinuerligt medelst extremregulatorn 39. Det automatiska styrsystemet gör det möjligt att såväl separat som sam- tidigt söka den optimala rotationsfrekvensen 0% och den optimala axiella belastningen Po, varvid den samtidiga sökningen bidrar till att öka styrsystemets snabbhet och att ytterligare öka reglernog- grannheten.When drilling in rock with very variable properties, the optimum rotational frequency.0% and the optimum axial load PO are sought continuously by means of the extreme regulator 39. The automatic control system makes it possible to search for the optimum rotational frequency 0% and the optimum rotation both separately and simultaneously. axial load Po, whereby the simultaneous search contributes to increasing the speed of the control system and to further increase the control accuracy.
I detta syfte är extremregulatorns 39 (fig. 6) ingång anslu- ten till utgången från den enligt fig. 2 eller 5 uppbyggda enheten för kalkyl av kvalitetskriteriet, medan regulatorns 39 utgång via en omkopplare H1 är ansluten till den ena ingången hos elementet 4 för jämförelse av det i förväg bestämda specifika borrbarhetsindexet FO/Zo för berget ifråga med den momentana GP - produkten, då den axiella belastningen P regleras. Om rotationsfrekvensen åflregleras, anslutas extremregulatorns 39 utgång via en omkopplare H2 (fig. 7) till den ena ingången hos elementet 5 för jämförelse av borrverkty- gets momentana förflyttning Z i djupled med den i förväg bestämda förflyttningen Z0.For this purpose, the input of the extreme controller 39 (Fig. 6) is connected to the output of the unit according to Fig. 2 or 5 for calculating the quality criterion, while the output of the controller 39 is connected via a switch H1 to one input of the element 4 for comparison of the predetermined specific drillability index FO / Zo for the rock in question with the instantaneous GP product, when the axial load P is regulated. If the rotational frequency å fl is regulated, the output of the extreme regulator 39 is connected via a switch H2 (Fig. 7) to one input of the element 5 for comparing the instantaneous movement Z of the drilling tool in depth with the predetermined movement Z0.
Om extremregulatorn 39 via omkopplaren 41 är ansluten till jämförelseelementets H ena ingång, regleras samtidigt nämnda FO/Zo, den axiella belastningen P och rotationsfrekvensen LJ, då regulatorn 39 söker extremvärdet för det av operatören valda kvalitetskriteriet (borrningssjålvkostnadspriset C), dvs. för förhållandet (PV/UOM eller för å-go. Då kvalitetskriteriet är extremt, blir indexet Fo/Z, rotationsfrekvensen co och den axiella belastningen P optimala för borrningsförhållandena i det ifrågavarande berget.If the extreme regulator 39 is connected via the switch 41 to one input of the comparator element H, the said FO / Zo, the axial load P and the rotational frequency LJ are regulated at the same time, when the regulator 39 seeks the extreme value for the quality criterion chosen by the operator (drilling cost price C). for the ratio (PV / UOM or for å-go. When the quality criterion is extreme, the index Fo / Z, the rotational frequency co and the axial load P become optimal for the drilling conditions in the rock in question.
Ifall extremregulatorn 39 via omkopplaren ü2 är ansluten till den ena ingången hos elementet 5 för jämförelse av borrverktygets momentana förflyttning Z i djupled per varv hos borrverktyget med den i förvåg bestämda förflyttningen Zo, regleras samtidigt Zo, borrverktygets rotationsfrekvens och den axiella belastningen på borrverktyget, då regulatorn 39 söker extremvärdet för det av opera- tören valda kvalitetskriteriet. Då kvalitetskriteriet får extrem- värdet, blir förflyttningen ZO i djupled, den axiella belastningen och rotationsfrekvensen optimala för borrningsförhâllandena i ber- get ifråga. 447 748 16 Om regulatorn 39 är direkt ansluten över belastningsregulatorns 2 eller rotationsfrekvensregulatorns 5 ingång, regleras separat den axiella belastningen eller rotationsfrekvensen, samtidigt som ro- tationsfrekvensen respektive den axiella belastningen är konstant.If the extreme regulator 39 via the switch ü2 is connected to one input of the element 5 for comparing the instantaneous movement Z of the drilling tool in depth per revolution of the drilling tool with the predetermined displacement Zo, Zo, the rotational frequency of the drilling tool and the axial load on b the controller 39 seeks the extreme value for the quality criterion chosen by the operator. When the quality criterion is given the extreme value, the displacement ZO in depth, the axial load and the rotational frequency become optimal for the drilling conditions in the rock in question. 447 748 16 If the controller 39 is directly connected across the input of the load regulator 2 or the rotational frequency regulator 5, the axial load or the rotational frequency is regulated separately, at the same time as the rotational frequency and the axial load, respectively, are constant.
Det automatiska styrsystemet är dessutom försett med lämpli- ga organ för operativ begränsning av den axiella belastningen och borrverktygets rotationsfrekvens i beroende av borrmaskinens 1 tillåtliga vibrationshastighet I och arbetsmiljökraven för under- hållspersonalen, för vilket ändamål kalkylatorn 6 är försedd med en enhet (fig. 8) för begränsning av borrverktygets rotationsfrek- vens och en enhet (fig. 9) för begränsning av den axiella belast- ningen på borrverktyget. Enheten för begränsning av rotationsfrek- vensen är uppbyggd i form av ett element ÄB för jämförelse av den momentana vibrationshastigheten Ä næd en av en förinställningsgi- vare ÄH förinställd vibrationshastigbetlzflo.Jämförelseelementets 43 utgång är via ett spärrelement 45 ansluten till rotationsfrek~ vensregulatorn 3. Ifall vibrationshastigheten J under borrmaskinens 1 arbetsförlopp överstiger den av förinställningsgivaren HH förin- ställda vibrationshastigheten å'n¿n, uppkommer över jämförelseele- mentets 113 utgång en signal AXUJ , som över spärrelementet 115 överföres till ingången hos rotationsfrekvensregulatorn 3, som därigenom minskar borrverktygets rotationsfrekvens.The automatic control system is also provided with suitable means for operatively limiting the axial load and the rotational frequency of the drilling tool depending on the permissible vibration speed I of the drilling machine 1 and the working environment requirements of the maintenance personnel, for which purpose the calculator 6 is provided with a unit (Fig. 8 ) for limiting the rotational frequency of the drilling tool and a unit (Fig. 9) for limiting the axial load on the drilling tool. The unit for limiting the rotational frequency is constructed in the form of an element ÄB for comparing the instantaneous vibration speed Ä near one of a preset sensor ÄH preset vibration speed control fl and the output of the comparison element 43 is connected via a blocking element 45 to the rotational frequency regulator 3. J during the operation of the drilling machine 1 exceeds the vibration speed preset by the presetting sensor HH, a signal AXUJ arises over the output of the comparison element 113, which signal is transmitted via the blocking element 115 to the input of the rotational frequency regulator 3, thereby reducing the rotary frequency of the drilling tool.
Enheten för begränsning av den axiella belastningen på borr- verktyget är utförd som ett element Ä6 för jämförelse av den momen- tana vibrationshastigheten K med en av en förinställningsgivare H7 förinställd vibrationshastighet Jämförelseelementets 146 ut- gång är via ett spärrelement H8 ansluten till regulatorn 2 för den axiella belastningen på borrverktyget.The unit for limiting the axial load on the drilling tool is designed as an element Ä6 for comparing the instantaneous vibration speed K with a vibration speed preset by a presetting sensor H7. The output of the comparison element 146 is connected via a locking element H8 to the regulator 2 for the axial load on the drilling tool.
Då vibrationshastigheten I'under borrmaskinens 1 arbetsför- lopp överstiger det av förinställningsgivaren Ä7 förinställda värdet )'fl' P, uppkommer över utgången från jämförelseelementet 46 en signal.¿5)'p, som via spärrelementet ÄB ledes till belastningsregu- latorns 2 ingång. Det automatiska styrsystemet för en med vridver- 'kan arbetande borrmaskin gör det möjligt att automatiskt eller fjärrmanövrerbart styra borrningen, samt att kontinuerligt anskaffa pålitlig information angående borrmaskinens tillstånd och beteende vid borrningen.When the vibration speed I'd during the operation of the drilling machine 1 exceeds the value preset by the presetting sensor Ä7) 'fl' P, a signal emerges via the output from the comparison element 46, which is led via the blocking element ÄB to the input of the load regulator 2. The automatic control system for a rotary drilling machine makes it possible to control the drilling automatically or remotely, and to continuously obtain reliable information regarding the condition and behavior of the drilling machine during drilling.
Den för det automatiska styrsystemets funktion nödvändiga informationen beräknas operativt och kontinuerligt under borrmaski- nens arbetsförlopp och utnyttjas omedelbart för reglering av borr- 447 748 17 ningsparametrarna efter ett kvalitetskriterium, som - innan borr- ningen påbörjats - valts av operatören ur en sats av kriterier, som förekommer vid styrsystemet.The information necessary for the operation of the automatic control system is calculated operationally and continuously during the operation of the drilling machine and is used immediately to regulate the drilling parameters according to a quality criterion which - before drilling has begun - is selected by the operator from a set of criteria. which occurs in the control system.
Systemet erfordrar icke att man i förväg samlar information för sammanställning av reglerprogram eller för konstruktion av statiska statistiska modeller. Icke heller måste man införa funk- tionssamband mellan borrningsparametrarna och -egenskaperna.The system does not require the collection of information in advance for the compilation of control programs or for the construction of static statistical models. Nor does one have to introduce functional relationships between the drilling parameters and properties.
Ifall det emellertid finns appriori information, kan den ut- nyttjas vid systemet. Samtliga särdrag gör systemets användning och justering före användningen enklare.However, if there is a priori information, it can be used with the system. All features make the system's use and adjustment before use easier.
Styrsystemet erfordrar dessutom inmatning av minsta möjliga mängd data. som utgöres av koefficienter, vilka elektriskt repre- senterar borrverktygets kostnad, elkraftkostnaden, amorteringskost- naden för borrmaskinen och underhållspersonalens lön och borrverk- tygets motorresurs. Om så behövs, kan den mängd data. som skall inmatas i styrsystemet, ökas.The control system also requires input of the smallest possible amount of data. which consist of coefficients, which electrically represent the cost of the drilling tool, the cost of electricity, the amortization cost of the drilling machine and the salary of the maintenance personnel and the motor resource of the drilling tool. If needed, the amount of data can. to be entered into the control system is increased.
Systemet för automatisk styrning kan arbeta utan omställning och förberedande datainsamling på en godtycklig fyndort genom att den nödvändiga informationen bestämmes operativt vid borrningen.The automatic control system can operate without adjustment and preparatory data collection at any site by determining the necessary information operationally during drilling.
Det är tillräckligt att välja den för fyndorten ifråga lämpliga borrverktygstypen och att inmata motsvarande kostnadskoefficienter i systemet.It is sufficient to select the type of drilling tool suitable for the site in question and to enter the corresponding cost coefficients in the system.
Det föreslagna systemet för automatisk styrning bidrar till att borrmaskinen drives med minsta möjliga energiförbrukning och borrningssjälvkostnadspris, samtidigt som borrverktyget är funk- tionssäkert och ger hög borrkapacitet.The proposed system for automatic control contributes to the drilling machine being operated with the least possible energy consumption and drilling cost price, at the same time as the drilling tool is functional and provides high drilling capacity.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE8004911A SE447748B (en) | 1980-07-02 | 1980-07-02 | System for automatic control of a rotational drill |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SE8004911A SE447748B (en) | 1980-07-02 | 1980-07-02 | System for automatic control of a rotational drill |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| SE8004911L SE8004911L (en) | 1982-01-03 |
| SE447748B true SE447748B (en) | 1986-12-08 |
Family
ID=20341359
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SE8004911A SE447748B (en) | 1980-07-02 | 1980-07-02 | System for automatic control of a rotational drill |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| SE (1) | SE447748B (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE543372C2 (en) * | 2019-03-29 | 2020-12-22 | Epiroc Rock Drills Ab | Drilling machine and method for controlling a drilling process of a drilling machine |
-
1980
- 1980-07-02 SE SE8004911A patent/SE447748B/en not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| SE8004911L (en) | 1982-01-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| SE438877B (en) | DEVICE FOR CONTROL OF A PAPER REFINER | |
| US3633086A (en) | Closed-loop regulating system for a control circuit with a control drive | |
| GB2168828A (en) | Adaptive control | |
| SE428720C (en) | SETTING TO OPERATE AN INCORPORATING ENGINE WITH POWER CONTROL FOR REGULATING THE ENGINE SPEED AND A HYDROSTATIC TRANSMISSION WITH VARIABLE EXCHANGE DELAY | |
| US3220315A (en) | Machine tool adaptive control | |
| US2803112A (en) | Control means for constant speed hydraulic pump and motor transmission | |
| CN105317789A (en) | Hydraulic independent heat dissipation control method, device and system | |
| SE526462C2 (en) | Procedure, program and arrangement for the control of slag drilling | |
| SE447748B (en) | System for automatic control of a rotational drill | |
| RU2681325C1 (en) | Method of automatic feed control of drilling tool in drilling process | |
| US2600988A (en) | Constant surface speed lathe | |
| SE432206B (en) | PROCEDURE AND DEVICE FOR REGULATING AN AUTOGEN OR SEMI-AUTOGRAPHIC CROSS | |
| Ewart et al. | A digital computer program for the automatic determination of dynamic stability limits | |
| US4296302A (en) | Adaptive control of gap voltage and power to control servo operation of an electrical discharge machining apparatus | |
| US4554492A (en) | Motor control system | |
| EP1083337B1 (en) | Hydraulic drive apparatus | |
| SU1675546A1 (en) | Drilling mode control method | |
| SU1719122A1 (en) | Weight-on-bit and rotational speed automatic control system | |
| SU672370A1 (en) | Method of controlling operation duties of adjustable-blade hydraulic turbine | |
| CN102680059A (en) | Method for reducing small-flow calibration error of test bed flow meter of hydraulic machine model | |
| US2885566A (en) | Control means | |
| Wardhana et al. | Design of feed rate control system on loss in weight feeder using programmable logic controller | |
| Malik et al. | Design and test results of a software based digital AVR | |
| SU855203A1 (en) | Method of controlling well augerdrilling mode | |
| Bhat et al. | Canal automation using LabVIEW |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| NUG | Patent has lapsed |
Ref document number: 8004911-7 Effective date: 19920210 Format of ref document f/p: F |