Общие сведения об автоматизированных системах управления

Современное бурение невозможно без использования средств контроля, анализа и автоматизации операций технологического цикла. В данном случае на первом этапе оснащения буровых агрегатов средствами контроля могут применяться контрольно-измерительные приборы, которые регистрируют различные параметры бурового процесса и позволяют достаточно точно контролировать и устанавливать заданные технологические режимы.

На втором этапе совершенствования системы управления буровые агрегаты, оснащенные комплексами контрольно-измерительных приборов, должны включать системы автоматического управления процессом бурения, которые решают задачу поиска оптимальных условий бурения и поддержания выбранных параметров в заданных пределах. К таким средствам можно отнести такие отечественные системы, как АСУТП-Б и «Карат-2» ПГО «Кировгеология» и САОПБ-1 ПГО «Севукргеология».

Третий этап создания автоматизированных систем управления в бурении связан с появлением буровых установок, способных работать автономно в автоматическом режиме: на первом этапе при углублении скважины, а на втором этапе и при проведении спуско-подъемных операций. При этом система управления бурением, управляемая процессором, руководствуется программой и критериями, ориентированными на поиск оптимальных условий и параметров режима бурения. К таким средствам в настоящее время можно отнести буровые агрегаты компании Atlas Copco с системами АРС и роботизированную буровую систему РБК-4.

Автоматизация производства - процесс в развитии технической системы, при котором функции управления и контроля, ранее выполнявшиеся человеком, передаются приборам и автоматическим устройствам.

Цель автоматизации производства заключается в повышении эффективности и безопасности производства, оптимальном использовании производственных ресурсов.

Основа автоматизации производства - автоматическое управление -

совокупность действий, направленных на поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления.

Алгоритм управления производственным процессом в обязательном порядке должен включать функции поиска оптимальных условий.

Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой (управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления цели управления, с учетом особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее возмущение. Оно компенсирует эффект внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством управления.

При бурении в качестве факторов управляющего возмущения применяются параметры режима бурения: осевая нагрузка, частота вращения, количество и качество очистного агента, подаваемого в скважину, и др.

Параметры режима бурения, их вариация оказывают управляющее воздействие на объект - процесс углубления скважины с учетом внешних возмущающих воздействий - изменчивых по своим физико-механическим свойствам горных пород, изменяющейся глубины, профиля и состояния ствола скважины, проявления последствий геологических осложнений бурения и др.

Выходные величины процесса бурения - механическая скорость бурения, углубление за один оборот, выход керна, износ истирающих материалов -являются параметрами, которые оценивают качественные и количественные стороны процесса бурения и могут выступать как критерии управления процессом бурения путем взвешенной корректировки управляющих воздействий.

В основе автоматического управления процессом находится

вырабатываемое управляющее воздействие на объект или систему объектов.

Управляющее воздействие вырабатывается по одному из двух фундаментальных принципов: регулирования и поиска.

Соответственно, все системы делятся на два класса: системы

регулирования и системы поиска.

В автоматической системе регулирования управляющие воздействия вырабатываются в результате сравнения истинного значения управляемой величины с её предписанным значением. Системы регулирования применяют для управления несложными объектами, характеристики которых заранее изучены и для которых известно, в каком направлении и насколько нужно изменить управляющее воздействие при определенном отклонении управляемой величины от заданного значения. Например, это системы подогрева воды, воздуха в помещении или агрегатах, системы автоматического отключения набора воды в емкость и др.

В автоматической системе поиска основные управляющие воздействия формируются с помощью пробных управляющих воздействий и путем анализа результатов пробных воздействий. Такую процедуру поиска правильных управляющих воздействий приходится применять в случаях, когда характеристики объекта меняются или известны не полностью. Например, известен тип зависимости управляемой величины от управляющего воздействия, но неизвестны числовые значения параметров данной зависимости. Поэтому системы поиска называют также системами с неполной информацией.

Наиболее часто принцип автоматического поиска применяют для управления объектами, характеристики которых имеют экстремальные значения параметров. Целью управления является отыскание и поддержание управляющих воздействий, соответствующих экстремальному значению управляемой величины. Такие системы поиска называют экстремальными системами.

Экстремальная система управления - это система управления процессом бурения.

На рис. 7.11 приведена упрощенная принципиальная схема экстремальной системы управления буровым станком с гидравлической системой подачи бурового инструмента. Принцип действия системы основан на экстремальном характере зависимости механической скорости бурения V от усилия подачи Р инструмента в скважину. Каждому значению твердости горной породы I соответствует определенное значение осевого усилия Р, при котором механическая скорость бурения будет максимальной. Осевое усилие Р на инструмент обеспечивается гидроприводом путем подачи масла от гидронасоса в гидроцилиндр бурового станка. Основная задача системы управления процессом бурения - отыскивать при разных, заранее не известных твердостях пород I оптимальное значение осевого усилия Р на инструмент. В качестве отклика может использоваться не механическая скорость бурения V, а иной параметр, например, углубление за один оборот инструмента на забое или величина крутящего момента Мкр.

Скорость бурения измеряется в системе при помощи тахогенератора Тг, кинематически связанного с буровой штангой и выполняющего функции датчика скорости бурения Дс. Поскольку усилие подачи Р создается гидроцилиндром, в который через дроссель Др поступает рабочая жидкость, величина усилия Р подачи зависит от положения дросселя. На дроссель воздействует исполнительный двигатель Ид. Направление вращения двигателя

Ид зависит от положения контакта Р электромагнитного реле. Реле является исполнительным элементом и одновременно выполняет вместе с запоминающим устройством ЗУ некоторые логические функции. Запоминающее устройство состоит из диода и конденсатора С, на который подается напряжение их, пропорциональное скорости бурения V.

Поиск оптимальных значений усилия подачи инструмента Р происходит следующим образом. Если усилие подачи меньше того, которое обеспечивает максимальную механическую скорость бурения, то двигатель перемещает дроссель в сторону увеличения усилия (дроссель приоткрывается). Пока скорость возрастает - диод открыт, напряжение на обмотке реле равно нулю, контакт Р1 находится в таком положении, которое соответствует увеличению усилия подачи. Как только усилие превысит оптимальное значение, скорость V начнет уменьшаться. В этом случае напряжение 11х также начнет уменьшаться, и на обмотке реле появится напряжение, равное разности двух значений: предыдущего, которое теперь находится в памяти конденсатора, и текущего, пропорционального скорости бурения в данный момент. Реле включится и изменит направление вращения двигателя Ид в сторону закрытия впускного дросселя. Одновременно через контакт Р2 произойдет разряд конденсатора (сброс старого значения их). Теперь усилие подачи начнет уменьшаться, и скорость бурения будет приближаться к максимальному значению по противоположной ветви экстремальной характеристики (рис. 7.12, а). В дальнейшем этот процесс реверсирования двигателя ИД многократно повторяется, благодаря чему бурение происходит в основном при оптимальном усилии подачи.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >