АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ БУРЕНИЯ

Общие сведения об автоматизированных системах управления

Оптимизация бурения, как и всякого иного производственного процесса, невозможна без использования средств контроля, анализа и автоматизации операций технологического цикла. В данном случае средствами оптимизации на первом этапе могут являться контрольно-измерительные приборы, такие

как измерители осевого усилия МКП, скорости бурения ИСБ, регистратор затрат мощности Н-348, ограничитель крутящего момента ОМ-40, расходомеры промывочной жидкости, комплексы приборов для регистрации параметров и контроля процесса бурения РУМБ, КУРС, 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 углубке 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 А PC и роботизированную буровую систему РБК-4.

Автоматизация производства - процесс в развития 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.

Пример 1. В компании Ford в 1990 г. на создание автомобиля - от концепции до поставки потребителю - уходило пять с лишним лет, а на каждые 100 машин появлялось 150 дефектов. К 1998 г. Ford сократила продолжительность цикла более чем вдвое - теперь он менее двух лет. Уровень брака снизился со 150 до 81 дефекта на 100 автомобилей. Такой качественный рывок стал возможен благодаря применению

автоматизированной компьютерной программы инженерного проектирования MSC/NASTRAN for Windows, с использованием которой, например, полностью спроектированы в малые сроки автомобили марки Ford Focus.

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

Структура модели процесса бурения скважины

Рис. 4.1. Структура модели процесса бурения скважины

особенностей управляемых объектов различной природы и специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы объекта - управляющее возмущение. Оно предназначено для компенсации эффекта 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. (рис. 4.1).

Параметры режима бурения, их вариация оказывают управляющее воздействие на объект - процесс углубки 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, углубка за один оборот, выход керна, износ истирающих материалов - являются параметрами, которые оценивают качественные и количественные стороны процесса бурения и могут выступать в качестве критериев 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:

по принципу регулирования; по принципу поиска.

Соответственно, все системы делятся на два класса: системы

регулирования и системы поиска.

В автоматической системе регулировании 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 заранее 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 этой 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.

Экстремальной системой управления является система управления процессом бурения.

На рис. 4.2 приведена упрощенная принципиальная схема экстремальной системы управления буровым станком. Принцип действия системы основан на экстремальном характере зависимости скорости бурения v от усилия подачи F инструмента в скважину. Каждому значению твердости горной породы Z соответствует определенное значение усилия F, при котором механическая скорость бурения будет максимальной. Поэтому задача системы - отыскивать при разных, заранее не известных твердостях пород оптимальное значение усилия F. В качестве отклика может использоваться и иной параметр, например, углубка за один оборот инструмента на забое, или величина крутящего момента.

Система управления буровым станком

Рис. 4.2. Система управления буровым станком: а - характеристика процесса бурения; б - принципиальная схема системы; в- функциональная схема

Скорость бурения измеряется в системе при помощи тахогенерагора ТГ, кинематически связанного с буровой штангой и выполняющего функции датчика скорости бурения ДС. Усилие подачи создается гидроцилиндром, в который через дроссель Др поступает рабочая жидкость. Величина усилия подачи зависит от положения дросселя. На дроссель воздействует исполнительный двигатель ИД. Направление вращения двигателя ИД зависит от положения контакта Р1 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 Ux, пропорциональное скорости бурения v.

Поиск оптимальных значений усилия подачи инструмента F происходит следующим образом. Если усилие подачи меньше того, которое обеспечивает максимальную скорость бурения, двигатель перемещает дроссель в сторону увеличения усилия. 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 Ux 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. Одновременно через контакт Р2 произойдет разряд конденсатора (сброс старого значения Ux). Теперь усилие подачи начнет уменьшаться, и скорость бурения будет приближаться к максимальному значению по противоположной ветви экстремальной характеристики (рис. 4.2, а). В дальнейшем этот процесс реверсирования двигателя ИД многократно повторяется, благодаря чему бурение происходит в основном при оптимальном усилии подачи.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >