一种矿用液压钻机的全自动控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种矿用液压钻机的全自动控制方法，包括自动打钻过程，所述自动打钻过程包括依次实施的钻杆箱自动巡检步骤、大倾角自动上钻杆步骤、钻杆自动接扣步骤和钻杆自动钻进步骤；还包括自动卸钻过程，所述自动卸钻过程包括自动卸扣过程、动力头定位过程、大倾角自动下钻杆过程。本发明提供了一种矿用液压钻机全自动控制技术，使得钻机自动完成加载或拆卸钻杆、自动钻进等工作过程，无需人工手动操作，降低了工人的劳动强度，有效地保证了钻机工作的稳定性可靠性，极大地提高了钻机的工作效率。
【专利说明】一种矿用液压钻机的全自动控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及液压钻机的控制【技术领域】，特别涉及一种矿用液压钻机的全自动控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，矿用液压钻机无论是在现场工作面操作，还是远程操作，都是由人工手动控制的，这就对操作人员有较高的技术要求。而且人工长时间操作钻机作业，不断地重复复杂的操作过程，易出现操作疲劳而产生误操作，甚至造成安全事故，同时人工控制操作效率较低，使得钻机作业效率也较低。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种矿用液压钻机全自动控制方法，使得钻机安全可靠地自动完成工作过程，无需人工手动操作，有效地保证钻机的安全作业，也降低了工人的劳动强度，而且全自动控制系统可以实现钻机多个执行机构同步动作或多台钻机同时作业，极大地提高了钻机的工作效率。
[0004]本发明的目的是这样实现的:一种矿用液压钻机的全自动控制方法，包括自动打钻过程，所述自动打钻过程包括依次实施的钻杆箱自动巡检步骤、大倾角自动上钻杆步骤、钻杆自动接扣步骤和钻杆自动钻进步骤；
[0005]所述钻杆箱自动巡检步骤具体为:
[0006]S1:通过手动调试，记录准确抓取每根钻杆时位移传感器的位移值；
[0007]S2:机械臂伸缩液压缸向下伸出，当机械手接近钻杆时，若接近开关到位，则停止伸出，记录当前位移值，并缩回机械臂伸缩液压缸；
[0008]S3:将步骤S2中位移传感器的位移值与步骤SI中记录的移传感器的位移值进行比较，即可确定当前列钻杆的根数；
[0009]所述大倾角自动上钻杆步骤具体为:
[0010]Sll:首先通过矿用隔爆型姿态仪寻北，对整机进行定位；
[0011]S12:控制系统自动调整机架至目标姿态；
[0012]S13:机械臂以机架姿态为参考目标，完成自动上钻杆的过程；
[0013]上钻杆的过程具体为:
[0014]S21:机械手垂直伸出到目标钻杆位置并夹紧钻杆；
[0015]S22:机械手缩回；
[0016]S23机械臂旋转到水平位置；
[0017]S24:增大机械臂的倾角到指定角度；
[0018]S25:机械手水平伸出到指定位置；
[0019]S26:后夹持器夹紧钻杆；
[0020]S27:机械手松开并水平缩回到指定位置；[0021 ] S28:减小机械臂的倾角，使机械臂处于抓取钻杆前的初始位置；
[0022]所述钻杆自动接扣步骤具体为:
[0023]S31:上钻杆过程完成后，接第一个扣，后夹持器松开；
[0024]S32:接第二个扣，前夹持器松开，自动接扣完成。
[0025]进一步，在上钻杆前满足以下条件:机械手垂直且机械手伸缩到指定位置；钻杆箱当前列有钻杆。
[0026]进一步,还包括自动卸钻过程，所述自动卸钻过程包括自动卸扣过程、动力头定位过程、大倾角自动下钻杆过程；
[0027]所述自动卸扣过程具体为:
[0028]S11:动力头快速推进到接扣区并完成正常接扣，前夹持器松开并反转；
[0029]S22:动力头边旋转边后退到第一指定位置；
[0030]S33:后夹持器夹紧，前夹持器夹紧并正转；
[0031]S44:后夹持器松开卸第一个扣；
[0032]S55:动力头到第二指定位置，后夹持器夹紧卸第二个扣；
[0033]S66:卸扣完成后，动力头退至最后端；
[0034]大倾角自动下钻杆过程具体为:
[0035]Slll:机械手水平伸出到指定位置并夹紧钻杆；
[0036]S112:后夹持器松开，机械手水平缩回到指定位置；
[0037]S113:减小机械臂的倾角，使机械手垂直；
[0038]S114:检查钻杆箱当前列是否满，若是，则钻杆箱换列；若否，则机械手垂直伸出并松开机械手；
[0039]SI 15:机械手缩回；
[0040]S116:增大机械臂的倾角，使机械手处于下钻杆的初始状态。
[0041]进一步，在自动打钻和自动卸钻过程中，采用自适应定位方法对钻杆箱、机械手、机械臂以及动力头进行定位，钻杆箱、机械手、机械臂及动力头统称为执行机构；所述自适应定位方法具体包括:
[0042]1、给定执行机构一个较小的初始定位速度V0，记录执行机构停下来的位置；
[0043]I1、判断执行机构当前位置是否在目标区间；若未到目标区间，则执行机构回退，自动修正以大于VO的速度重新定位；若在该区间，下次仍以该定位速度进行定位；若超出了该区间，则执行机构回退，自动修正以小于VO的速度重新定位；重复之前步骤，直到执行机构停的位置在定位区间内，即完成了一次定位。
[0044]进一步,下一次定位的初始速度为上一次定位时的最后一个循环的定位速度。
[0045]进一步，控制模块根据传感器反馈值及动态经验库提供的参数计算出实时卡钻可能性knx ;处理模块根据knx的大小及动态经验库提供的相关参数值来进行相应的防卡钻处理如下:
[0046]当knx < knxO时，此时推进太慢，增加推进速度，直到满足knxO〈knx〈knxl ；
[0047]当knxO < knx < knxl时,钻进状态正常；
[0048]当knxl ^ knx < knx2时，减少推进速度，直到满足knxO〈knx〈knxl ；
[0049]当knx2 ( knx < knx3时，停止推进一定时间，直到满足knxO〈knx〈knxl ；
[0050]当knx彡knx3时,在该点往返前进后退一定时间，直到满足knxO〈knx〈knxl。
[0051]本发明的优点在于:钻机全自动作业，无需人工进行繁琐的操作，降低了操作人员技术要求；安全可靠的全自动控制功能，降低了人工操作带来的风险，减少了安全隐患；钻机可实现多个执行机构同步动作，提高了钻机的作业效率；利用全自动控制系统一人可控制多台钻机同时作业，极大提高了人工操作的效率；人工操作钻机时，从发现问题到解决问题，整个过程有一定的滞后性，而全自动控制系统具有完善的故障自诊断和预处理机制，极大提高了系统应对突发事件和容错的能力，保证了钻机工作的稳定性和可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0052]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中:
[0053]图1为本发明全自动控制系统结构图；
[0054]图2为自动打钻控制流程图；
[0055]图3为大倾角自动上下钻杆控制流程图；
[0056]图4自动钻进控制原理图；
[0057]图5自动卸钻控制流程图；
[0058]图6为自适应定位原理图。
【具体实施方式】
[0059]以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0060]如图1所不,矿用液压钻机全自动控制系统主要包括PLC模块、信号放大板、继电器模块、传感器组以及先导电磁阀。PLC模块主要包括CPU模块、数字量模块和模拟量模块，传感器组主要包括压力传感器、温度传感器、转速传感器、位移传感器、倾角传感器、超声传感器以及接近开关。根据控制要求，数字量经过继电器模块、模拟量经过信号放大板共同完成对先导电磁阀的控制，所述先导电磁阀控制液压多路阀，所述液压多路阀用于控制执行机构。所述传感器组将采集到执行机构信号作为反馈信号，经滤波处理传输到模拟量模块，经模拟量模块处理后传输到CPU模块，CPU模块发出控制指令，对执行机构进行实时调整控制输出。
[0061]一种矿用液压钻机的全自动控制方法，包括自动打钻过程，如图2所示，所述自动打钻过程包括依次实施的钻杆箱自动巡检步骤、大倾角自动上钻杆步骤、钻杆自动接扣步骤和钻杆自动钻进步骤；开始自动打钻之前，须确定钻机的初始状态为:前夹持器松开并反转到位；后夹持器松开到位；机械手水平，机械手松开并有一定倾角；钻杆箱的每列钻杆根数不得小于前一列钻杆根数，并保证钻杆箱选定列到位；设定机械手目标倾角与机架目标倾角值相同。所有执行机构若不在初始状态，须手动操作至初始状态。
[0062]所述钻杆箱自动巡检步骤具体为:
[0063]SI:通过手动调试，记录准确抓取每根钻杆时位移传感器的位移值；
[0064]S2:机械手伸缩液压缸向下伸出，当机械手接近钻杆时，若接近开关到位，则停止伸出，记录当前位移值，并缩回机械手伸缩液压缸；
[0065]S3:将步骤S2中位移传感器的位移值与步骤SI中记录的移传感器的位移值进行比较，即可确定当前列钻杆的根数。
[0066]图3为大倾角自动上钻杆控制流程图。在大倾角自动上下钻杆控制中，主要应用了矿用隔爆型姿态仪定位技术。矿用隔爆型姿态仪在静止状态下通过光纤陀螺仪和倾角传感器通过萨格纳克效应测量地球的自转角速度的各分量，通过导航控制芯片对陀螺仪和倾角传感器的输出信号进行解算，短时间内找到设备与真正北方向的夹角，再进行方位对准和姿态解算，通过倾角传感器测量出设备的倾角及横滚角，最后将以上姿态参数通过显控装置进行显示，同时通过RS485通讯传送给至PLC模块，作为自动控制的参考值。在大倾角自动上下钻杆过程中，首先通过矿用隔爆型姿态仪寻北对整机进行定位，再根据实际需要设定机架姿态目标值，控制系统便会自动调整机架至目标姿态。最后，机械手会以机架姿态为参考目标，完成自动上下钻杆的过程。
[0067]所述大倾角自动上钻杆步骤具体为:
[0068]S11:首先通过矿用隔爆型姿态仪寻北，对整机进行定位；
[0069]S12:控制系统自动调整机架至目标姿态；
[0070]S13:机械臂以机架姿态为参考目标，完成自动上钻杆的过程；
[0071]上钻杆的过程具体为:
[0072]S21:机械手垂直伸出到目标钻杆位置并夹紧钻杆；
[0073]S22:机械手缩回；
[0074]S23机械臂旋转到水平位置；
[0075]S24:增加机械臂的倾角到指定角度；
[0076]S25:机械手水平伸出到指定位置；
[0077]S26:后夹持器夹紧钻杆；
[0078]S27:机械手松开并水平缩回到指定位置；
[0079]S28:减小机械臂的倾角，使机械臂处于抓取钻杆前的初始位置；
[0080]所述钻杆自动接扣步骤具体为:
[0081]S31:上钻杆过程完成后，接弟个扣，后夹持器松开；
[0082]S32:接第二个扣，前夹持器松开，自动接扣完成。
[0083]在上钻杆前满足以下条件:机械手垂直且机械手伸缩到指定位置；钻杆箱当前列有钻杆。
[0084]图4为自动钻进控制原理图。如图所示，传感器是测量单元，包含压力、速度传感器，主要用来测量旋转和推进的实时压力和速度，并反馈给控制模块；控制模块根据传感器反馈值及动态经验库提供的参数计算出实时卡钻可能性knx ;处理模块根据knx的大小及动态经验库提供的相关参数值来进行相应的防卡钻处理如下:
[0085]当knx < knxO时，此时推进太慢，应适当增加推进速度，直到满足knxO<knx<knxl ；
[0086]当knxO < knx < knx I时，说明钻进状态正常，可不处理；
[0087]当knxl < knx < knx2时，应适当减少推进速度，直到满足knxO〈knx〈knxl ；
[0088]当knx2 < knx < knx3时，需停止推进一定时间，直到满足knxO〈knx〈knxl ；
[0089]当knx ^ knx3时，此时有很大的卡钻可能性，需在该点往返前进后退一定时间，直到满足knxO〈knx〈knxl (若knx不能变小,则报警人工处理)。
[0090]在自动钻进过程中，智能防卡钻技术的应用，使得钻机卡钻的可能性较小，钻进的效率较高。
[0091]图5为自动卸钻控制流程图。如图所示，自动卸钻主要包括自动接扣卸扣、动力头定位、大倾角自动下钻杆过程。图5中虚框部分即为大倾角自动下钻杆过程。开始自动卸钻iu须调整钻机的初始状态为:打完钻后直接开时卸钻；动力头在最如端连接着钻杆；iu夹持器松开并反转到位；后夹持器松开；机械手张开，机械手水平并有倾角到位；钻杆箱的每列钻杆根数不得小于前一列钻杆根数，并保证钻杆箱选定列到位；设定机械手目标倾角与机架目标倾角值相同。所有执行机构若不在初始状态，须手动操作至初始状态。
[0092]所述自动卸扣过程具体为:
[0093]S11:动力头快速推进到接扣区并完成正常接扣，前夹持器松开并反转；
[0094]S22:动力头边旋转边后退到第一指定位置；
[0095]S33:后夹持器夹紧，前夹持器夹紧并正转；
[0096]S44:后夹持器松开卸第一个扣；
[0097]S55:动力头到第二指定位置，后夹持器夹紧卸第二个扣；
[0098]S66:卸扣完成后，动力头退至最后端。
[0099]大倾角自动下钻杆流程如图5中的虚框部分，大倾角自动下钻杆过程具体为:
[0100]Slll:机械手水平伸出到指定位置并夹紧钻杆；
[0101]S112:后夹持器松开，机械手水增缩回到指定位置；
[0102]S113:减小机械臂的倾角，使机械手垂直；
[0103]S114:检查钻杆箱当前列是否满，若是，则钻杆箱换列；若否，则机械手垂直伸出并松开机械手；
[0104]SI 15:机械手缩回；
[0105]S116:增大机械臂的倾角，使机械手处于下钻杆的初始状态。
[0106]自动打钻和自动卸钻过程中钻杆箱、机械手、机械臂以及动力头都需要定位，控制系统采用了位移传感器和控制器组成的闭环控制定位方式。但是在实际工作过程中，一方面由于先导阀有一定的关闭时间以及机械和液压存在惯性，使得控制存在滞后位移；另一方面受先导阀和多路阀灵敏度以及摩擦阻力的影响，定位速度会发生变化，使得定位电流(即先控制导电磁阀的输入电流)和定位速度(即定位控制过程中执行机构的移动速度)没有准确的对应关，使得定位出现较大的偏差，故系统采用了自适应定位技术。自适应定位原理如图6所示。在自适应定位过程中，先由控制程序给定一个较小的初始定位速度W，等执行机构停下来后，再判断当前位置是否在目标区间，若在，下次仍以该定位速度进行定位；若超出了该区间，则控制执行机构回退，自动修正以小于VO的速度重新定位；若仍超出，(此时超出幅度应小于前一次)，则重复之前步骤，直到执行机构停的位置在目标区间内，即完成了一次定位。下一次定位可根据上一次的经验将定位的初始速度设置成上一次最后一个循环的定位速度。当预设定为速度太小时，亦可根据同样的原理进行智能摸索，并求解出合适的定位速度。
[0107]以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【权利要求】
1.一种矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:包括自动打钻过程，所述自动打钻过程包括依次实施的钻杆箱自动巡检步骤、大倾角自动上钻杆步骤、钻杆自动接扣步骤和钻杆自动钻进步骤； 所述钻杆箱自动巡检步骤具体为: Si:通过手动调试，记录准确抓取每根钻杆时位移传感器的位移值； S2:机械臂伸缩液压缸向下伸出，当机械手接近钻杆时，若接近开关到位，则停止伸出，记录当前位移值，并缩回机械臂伸缩液压缸； S3:将步骤S2中位移传感器的位移值与步骤SI中记录的移传感器的位移值进行比较，即可确定当前列钻杆的根数； 所述大倾角自动上钻杆步骤具体为: Sll:首先通过矿用隔爆型姿态仪寻北，对整机进行定位； S12:控制系统自动调整机架至目标姿态； S13:机械臂以机架姿态为参考目标，完成自动上钻杆的过程； 上钻杆的过程具体为: S21:机械手垂直伸出到目标钻杆位置并夹紧钻杆； S22:机械手缩回； S23机械臂旋转到水平位置； S24:增大机械臂的倾角到指定角度； S25:机械手水平伸出到指定位置； S26:后夹持器夹紧钻杆； S27:机械手松开并水平缩回到指定位置； S28:减小机械臂的倾角，使机械臂处于抓取钻杆前的初始位置； 所述钻杆自动接扣步骤具体为: S31:上钻杆过程完成后，接弟个扣，后夹持器松开； S32:接第二个扣，前夹持器松开，自动接扣完成。
2.根据权利要求1所述的矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:在上钻杆前满足以下条件:机械手垂直且机械手伸缩到指定位置；钻杆箱当前列有钻杆。
3.根据权利要求1所述的矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:还包括自动卸钻过程，所述自动卸钻过程包括自动卸扣过程、动力头定位过程、大倾角自动下钻杆过程; 所述自动卸扣过程具体为: S11:动力头快速推进到接扣区并完成正常接扣，前夹持器松开，动力头反转； S22:动力头边旋转边后退到第一指定位置； S33:后夹持器夹紧，前夹持器夹紧，动力头正转； S44:后夹持器松开卸第一个扣； S55:动力头到第二指定位置，后夹持器夹紧卸第二个扣； S66:卸扣完成后，动力头退至最后端； 大倾角自动下钻杆过程具体为: Slll:机械手水平伸出到指定位置并夹紧钻杆； S112:后夹持器松开，机械手水平缩回到指定位置； S113:减小机械臂的倾角，使机械手垂直； S114:检查钻杆箱当前列是否满，若是，则钻杆箱换列；若否，则机械手垂直伸出并松开机械手； SI 15:机械手缩回； S116:增大机械臂的倾角，使机械手处于下钻杆的初始状态。
4.根据权利要求3所述的矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:在自动打钻和自动卸钻过程中，采用自适应定位方法对钻杆箱、机械手、机械臂以及动力头进行定位，钻杆箱、机械手、机械臂及动力头统称为执行机构；所述自适应定位方法具体包括: 1、给定执行机构一个较小的初始定位速度V0，记录执行机构停下来的位置； I1、判断执行机构当前位置是否在目标区间；若未到目标区间，则执行机构回退，自动修正以大于VO的速度重新定位；若在该区间，下次仍以该定位速度进行定位；若超出了该区间，则执行机构回退，自动修正以小于VO的速度重新定位；重复之前步骤，直到执行机构停的位置在定位区间内，即完成了 一次定位。
5.根据权利要求4所述的矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:下一次定位的初始速度为上一次定位时的最后一个循环的定位速度。
6.根据权利要求3所述的矿用液压钻机的全自动控制方法，其特征在于:控制模块根据传感器反馈值及动态经验库提供的参数计算出实时卡钻可能性knx ;处理模块根据knx的大小及动态经验库提供的相关参数值来进行相应的防卡钻处理如下: 当knx < knxO时，此时推进太慢，增加推进速度，直到满足knxO〈knx〈knxl ； 当knxO < knx < knx I时,钻进状态正常； 当knxl ( knx < knx2时，减少推进速度，直到满足knxO〈knx〈knxl ； 当knx2 ( knx < knx3时，停止推进一定时间，直到满足knxO〈knx〈knxl ； 当knx ^ knx3时,在该点往返前进后退一定时间,直到满足knxO〈knx〈knxl。
【文档编号】E21B44/00GK104196517SQ201410394711
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月12日 优先权日:2014年8月12日
【发明者】王清峰, 陈松林, 肖玉清, 王宇, 黄麟森, 吴锋, 段勋兴, 胡小林, 宋辉, 王国震, 秦怡, 杨燕鸽, 张先韬, 周宝成 申请人:中煤科工集团重庆研究院有限公司