Методы организации доступа к линиям связи 5 page

ЧАСТЬ 2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ТИПОВЫХ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И УСТАНОВОК В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

1. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ БУРЕНИЯ

И ЭКСКАВАЦИИ

1.1. Автоматизация процессов бурения

1.1.1. Основные направления и эффективность

автоматизации процессов бурения

Основными направлениями автоматизации бурения являются:

· Создание ЛСА – локальных систем автоматизации процессов бурения (САУ бурового станка), обеспечивающих:

– оптимизацию процесса бурения (автоматическое регулирование);

– автоматическую защиту;

– диагностику;

– программно-логическое управление вспомогательными операциями (наращивание, сборка – разборка бурового става
и др.);

· Создание АСУ буровыми работами на карьере, включающих в свой состав:

– локальные САУ буровых станков;

– SCADA -систему (систему диспетчеризации).

АСУТП буровыми работами решают на верхнем уровне управления следующие задачи:

· Планирование буровых работ;

· Выбор критерия оптимального управления бурением;

· Централизованный (диспетчерский) контроль и учет работы буровых станков.

Источники эффективности автоматизации процессов бурения:

· Повышение производительности буровых станков;

· Снижение затрат на себестоимость бурения (5–7 %);

· Сокращение расхода долот и электроэнергии соответственно до 30 и 10 %.

1.1.2. Буровой процесс как объект автоматизации

Схема бурового процесса как объекта автоматизации представлена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Структура и параметры процесса бурения

– вектор управляющих воздействий (режимных параметров);

– осевая нагрузка на долото (усилие подачи);

– частота вращения бурового става;

– расход агента очистки скважины (воздуха);

– вектор возмущающих воздействий ( – крепость буримых пород, – состояние (износ) долота и т.д.);

– выходной вектор периодически контролируемых величин;

– сменные затраты на бурение;

– сменная производительность (м/смена).

– выходной вектор непрерывно контролируемых величин;

– скорость бурения;

В – уровень вибрации;

– коэффициент интенсивности износа долота,

; (1.1)

– удельные энергозатраты на бурение, кВт·ч/м,

где – мощность, потребляемая ЭП при вращении (бурении);

– глубина пробуренной скважины (величина проходки).

Математическое описание объекта:

; (1.2)

, (1.3)

где – функционал входных векторов.

Из уравнений (1.2) и (1.3) закон оптимального управления может быть записан выражением

, (1.4)

при условии обеспечения экстремальных значений выходных векторов ().

1.1.3. Критерии оптимального управления бурением

В качестве критериев оптимального управления бурением могут быть использованы:

Критерий максимальной производительности:

.

Критерий минимальных затрат на бурение (минимальной себестоимости бурения ). Себестоимость бурения определяется выражением

(1.5)

где – стоимость долота;

– стойкость долота.

Для реализации критерия в реальном времени предварительно проводят экспериментальное бурение и из массива полученных данных находят функциональные зависимости:

Для карьерных шарошечных станков характер этих функций показан на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Зависимость режимных параметров от скорости

бурения при оптимальном управлении по критерию

Функциональные зависимости оптимальных режимных параметров от скорости бурения могут быть представлены в следующем виде:

(1.6)

(1.7)

где и – постоянные коэффициенты, определяемые свойствами буримых пород и состоянием долота.

Критерий минимального износа долота: .

Критерий минимальных энергозатраты: .

Стабилизация нагрузки электропривода вращателя с ог-раничением вибраций бурового става:

;

.

Последний принцип управления бурением взрывных скважин на карьерах применяют, если не достигаются экстремальные значения параметров или .

1.1.4. Системы автоматизации процесса бурения

карьерных шарошечных станков

К САУ бурением предъявляются следующие требования:

· Оптимизация процесса бурения с использованием не менее двух контуров регулирования;

· Автоматическая защита:

- от стопорения бурового става;

- забучивания скважины;

- чрезмерных вибраций бурового става;

· Автоматическое программно-логическое управление вспомогательными операциями (перехватом, наращиванием
и разборкой бурового става);

· Автоматический контроль технического состояния и поиск неисправностей (диагностика).

Кинематическая схема карьерного бурового станка 3СБШ-200 представлена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Кинематическая схема станка 3СБШ-200

Элементы схемы:

П – силовой преобразователь;

ЭДВ – электродвигатель вращения;

Р – редуктор;

БС – буровой став;

Ш – шпиндель;

ЗП – зажимной патрон;

ГЦ – гидроцилиндр подачи;

ГД – гидродроссель;

СД – серводвигатель;

ГТ – гидротурбина;

ТГ – тахогенератор;

ДСБ – датчик скорости бурения;

МГП – механизм гидроподачи.

Параметры системы:

F – усилие подачи (осевая нагрузка на долото);

G – вес поступательно движущихся частей става;

v – скорость бурения (скорость подачи);

– реакция забоя;

– давление в напорной магистрали;

– усилие противодавления, создаваемое в гидроцилиндре;

h – глубина бурения;

– сечение проходного окна ГД;

– скорость истечения жидкости;

– напряжение тахогенератора;

– сечение поршня;

– момент вращения бурового става;

– частота вращения бурового става.

В динамике движение бурового става может быть описано выражением

. (1.8)

В статике работа МГП описывается уравнениями:

; (1.9)

; (1.10)

; (1.11)

, (1.12)

где – коэффициент пропорциональности.

Статические характеристики МГП представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Статические характеристики МГП

Выводы:

1. МГП обладает саморегулированием: с ростом крепости буримых пород возрастает усилие подачи.

2. Эффективность саморегулирования возрастает с уменьшением сечения .

Далее рассматриваются структуры и функции САУ бурением шарошечных станков.

Система «Режим 2НМ»

Функции системы:

· Автоматическое регулирование режимных параметров по критерию (оптимальное управление бурением).

В процессе бурения оптимальные значения режимных параметров определяются в функции скорости в соответствии с выражениями (1.6) и (1.7);

· Автоматическое ограничение параметров (защита) вибраций В, нагрузки (тока) I, электродвигателя вращателя и давления в системе продувки скважины.

Функциональная структурная схема САУ бурением «Режим 2НМ» представлена на рис. 1.5.

Рис. 1.5. Структурная схема САУ бурением «Режим 2НМ»

Система состоит из следующих элементов:

ЗОН, ЗЧВ – задатчики оптимального значения соответственно усилия подачи (осевой нагрузки) и частоты вращения бурового става;

ДСБ – датчик скорости бурения (ГТ – ТГ);

САР ОН – система автоматического регулирования осевой нагрузки, содержащая ПИ-регулятор, МГП и датчик осевой нагрузки;

САР ЧВ – система автоматического регулирования частоты вращения, содержащая ПИ-регулятор, электропривод вращателя и датчик частоты вращения;

БОТ – блок ограничения тока электропривода вращателя для защиты от стопорения бурового става, включающий в свой состав датчик тока, управляющий элемент (УЭ) и выходной элемент (ВЭ);

БОВ – блок ограничения вибрации бурового става, содержащий датчик вибрации – УЭ – ВЭ;

БОД – блок ограничения давления воздуха в пневматической системе очистки скважины (реле давления).

Параметры системы:

P – давление воздуха в пневмосистеме очистки скважины;

I – ток электродвигателя вращателя;

– сигналы коррекции задания осевой нагрузки на долото соответственно по давлению в пневмосистеме и току электродвигателя вращателя;

– сигналы коррекции заданной частоты вращения бурового става соответственно по вибрации (виброскорости)
и давлению.

Возможные статические характеристики блоков ограничения параметров системы показаны на рис. 1.6.

Сигнал коррекции равен:

;

.

Сигнал коррекции равен:

.

Рис. 1.6. Статические характеристики ступенчатой (а)

и пропорциональной (б) коррекции сигналов задания

Статические характеристики задатчиков осевой нагрузки
и частоты вращения при управлении по критерию представлены на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Статические характеристики

задатчиков осевой нагрузки (a) и частоты вращения (б)

Настройка системы на оптимальный режим бурения осуществляется в следующем порядке:

1. Записать в ЗОН и ЗЧВ оптимальные зависимости и , найденные экспериментальным бурением для данного станка на данном месторождении.

2. При переходе на другое месторождение, другой станок изменить записи в ЗОН и ЗЧВ в соответствии с новыми оптимальными заданиями.

Основным недостатком системы «Режим 2НМ» является невозможность оперативной перестройки системы на оптимальный режим при изменении условий бурения.

Система «Режим СВ»

Достоинством системы « Режим СВ » является возможность оперативной настройки в процессе бурения на оптимальный режим. В качестве управляемых параметров в системе используют:

· Углубления на 1 оборот долота

(1.13)

· Показатель режима бурения

; (1.14)

· Критерий эффективности процесса бурения:

, (1.15)

где N – мощность привода.

Структурная схема системы «Режима СВ» для станка 3СБШ-200Н представлена на рис. 1.8.

Элементы схемы:

– датчики момента, скорости бурения, частоты вращения бурового става, усилия подачи и вибрации бурового става соответственно;

БОВ, БОМ – блоки автоматического ограничения момента
и вибраций, формирующие сигналы коррекции заданий
и соответственно;

МДУ – множительно-делительное устройство (вычислитель);

– задатчики параметров K и Z;

– ПИ-регуляторы K и Z;

ГПП – гидропривод подачи;

ЭПВ – электропривод вращения бурового става;

«БС – долото – забой» – объект управления.

Параметры системы:

– заданные машинистом значения показателя режима бурения и углубления долота;

– выходные сигналы регуляторов параметров K
и Z;

– крепость буримых пород.

Рис. 1.8. Структурная схема системы «Режима СВ» для станка 3СБШ-200Н

Настройка системы на оптимальный режим бурения осуществляется в следующем порядке:

1. Установить с помощью задатчиков средние значения заданий: .

2. Включить систему.

3. Изменяя , найти по прибору локальный максимум .

4. Изменяя , найти локальный максимум .

5. Повторяя процедуры по пп. 3, 4, найти абсолютный максимум , которому будут соответствовать оптимальные значения .

6. При резком изменении показателя Э в процессе бурения, повторить пп. 3, 4 и найти новое максимальное значение .