分离加重材料时卧螺离心机的自适应控制研究
摘要：通过对加重材料的研究，建立数学模型，确定出分离加重材料时卧螺离心机的分离粒度;设计变频全自动闭环控制系统，根据钻井液的粘度、密度及工作时卧螺离心机的负载扭矩、振动的变化，通过实时数据采集，将其数据反馈给单片机;针对采集到的数据，用单片机中编制的C++程序进行判断，控制系统发出相应的处理指令，输出变频器频率和供浆泵流量，达到随着钻井液性能及卧螺离心机参数的变化，加重材料得到zui有效分离的目的。
关键词：钻井液;卧螺离心机;全自动闭环控制;单片机;加重材料分离
中图分类号：TE8311 文献标识码：A 文章编号：1006-768X(2007)05-0099-03
卧螺离心机作为一种钻井液固控设备，在钻井作业中有着非常重要的作用，它一方面能清除非加重钻井液的固相，另一方面还能从加重钻井液中分离加重材料[1]。但卧螺离心机的工作受多个参数的影响，例如：滚筒转速和扭矩、螺旋输送器转速和扭矩、钻井液供料量、钻井液性能、钻井液稀释程度、液体中固相的含量、聚合物残留程度等。改变其中任一个参数，都将影响卧螺离心机的分离效果。此外，断电、潜在的技术故障等都将危及卧螺离心机的安全。
一、分离加重材料时卧螺离心机分离粒度的确定
本文给出的方案为两台卧螺离心机合用，*台采用可调速卧螺离心机，设定好其分离粒度，用来分离加重材料，第二台用来清除有害固相[2]。
粒度确定过程为：当直径为dc(分离粒度)的粒子被全部分离，即分离效率ET=1，大于dc尺寸的粒子所需的沉降时间小于直径为dc粒子的沉降时间tc，而小于dc尺寸的粒子所需的沉降时间大于tc。因此，从d1(加重材料中zui小的粒度值)到dc间的粒子所能沉降下来的数量是按tc/tx的比例确定的，而dc到dm(加重材料中zui大的粒度值)的粒子则是沉降下来。式(2)中a为分布特性系数，对应分离效率为50%时的粒度值。
则分离总效率为：
由表1可知，随着卧螺离心机分离粒度的减小，卧螺离心机加重材料分离率提高，但分离加重材料中无用固相的含量也随着增加，经过振动筛后，根据加重材料与岩屑比重之间的关系，同时根据硬地层33μm以下的固相颗粒为819%[3]，因此综合确定出卧螺离心机的分离粒度为20μm，这时加重材料的分离效率达80%以上。
二、分离加重材料时全自动闭环控制系统的设计
1卧螺离心机工作系统设计出既能优化卧螺离心机工作，又能保障卧螺离心机安全运行的自动检测、控制系统.
电动机46驱动泵44，将罐40中的钻井液经管42、流量计48、密度计50和粘度计52，输送进卧螺离心机处理。
保护开关38a与连接器38相连。若齿轮箱超扭矩运行，保护开关38a将切断电源，停止电动机工作。
该系统中卧螺离心机的螺旋输送器与滚筒的运转模式为：①由变频驱动器54→交流电动机24→皮带26→空心轴21→法兰轴→卧螺离心机10→滚筒旋转。②由变频驱动器56→交流电动机34→太阳轮35→行星齿轮变速箱32→法兰轴19→螺旋输送器旋转。
2单片机检测和控制系统
卧螺离心机工作系统采用两台变频驱动器。为了使这两台变频驱动器与供液情况相协调，以便得到满意的分离效果，故采用了单片机自动控制系统。此外，单片机还可监测卧螺离心机的其他工作参数。卧螺离心机的监测接口情况如下：
(1)单片机60的两个输入接口分别与变频驱动器54、56相连，改变电动机24、34的工作频率，从而分别改变卧螺离心机滚筒和螺旋输送器的转速及扭矩。
(2)保护开关38a与单片机的一个输入端口相连，可对齿轮箱32的超扭矩做出响应，以保护卧螺离心机。
(3)单片机的一个端口与流量计48相连，测量经管42流进卧螺离心机的钻井液流量。
(4)单片机的一个端口与密度计50相连，测量经管42流进卧螺离心机的钻井液密度。
(5)单片机的一个端口与粘度计52相连，测量经管42流进卧螺离心机的钻井液粘度。
(6)单片机的一个端口与阀42a相连，控制阀42a开口的大小，从而控制流入卧螺离心机的流量。
(7)振动检测仪62安装在滚筒的外壳上，与单片机60相连，当接近或超过振动极限时，单片机将输出相关指令控制变频器54、56，以改变电动机24、34的工况，或停止电动机工作，以关掉卧螺离心机。
(8)轴承座上各安装有一对加速度传感器(垂直、水平各一只)，以检测轴的振动情况。当有特殊信号或参数出现时，即表明有潜在危险出现，单片机将发出警告或采取某些控制措施。
3控制系统的功能
(1)通过全自动闭环智能控制系统，卧螺离心机一直处于安全的工作运行中，以分离加重材料。
(2)当卧螺离心机在正常工作状态时，针对传感器采集的钻井液粘度值，由单片机输出钻井液处理量Q及主、辅电动机转速n。
(3)当卧螺离心机接近极限工况时(极限转速、极限扭矩、极限振动、极限电流)，单片机将发出警告信号，同时发出相关指令，改变电动机工况和供料泵的供液情况，避免或延缓故障发生。
(4)若卧螺离心机已超限工作，则单片机将停止卧螺离心机工作，以免卧螺离心机受到不必要的损坏。
三、全自动闭环控制系统的工作原理及流程图[4]、[5]
(1)用单片机的管脚p12、p13、p14，分别作为流量Q、密度ρ、粘度μ(A/D转换后)的输入端;用管脚p01、p02、p03分别作为振动k、加速度a、扭矩m(A/D转换后)的输入端;用管脚p05、p26分别作为控制驱动变频器，改变主、辅电机转速的输出端;用管脚p27作为控制阀门，改变供料泵流量的输出端。
(2)针对单片机芯片，采用C++程序语言，对不同的扭矩信号m、粘度μ、振动参数k、加速度a进行分段编程。
(3)用钻井液密度传感器、钻井液粘度传感器、振动传感器、加速度传感器、扭矩传感器，分别测量出工作数据。
(4)将传感器中采集的工作数据进行A/D转换，并输入到单片机中，单片机根据采集的数据，经已编制程序的判断，控制系统发出相应的输出处理指设立四个工况及相应工作参数：①正常安全停机扭矩Mmax，zui大工作扭矩M1，正常空载启动zui小扭矩值Mmin;②正常安全停机振动Kmax，zui大工作振动K1，正常空载启动zui小振动Kmin;③正常安全停机转速nmax，zui大工作转速n1，正常空载启动zui小转速nmin;④正常安全停机电流Imax，zui大工作电流I1，正常空载启动zui小电流Imin。
1正常工作状态
当传感器检测到卧螺离心机转速、扭矩、振动及工作电流均小于zui大工作值，且大于正常启动空载zui小设定值时，表明卧螺离心机保持正常工作状态。此时，根据粘度传感器反馈到单片机的值，通过单片机内已编制的程序做出相应的处理，即输出变频器的频率，改变卧螺离心机的转鼓转速，调整供料泵的处理量。
2闭环控制状态
当传感器检测到卧螺离心机转速、扭矩、振动或工作电流某值大于zui大工作值，且小于zui大停机的zui小设定值时，说明卧螺离心机负载增大。此时，通过反馈信号到单片机，根据已编制的程序做出及时的反应，减少进料量。同时对粘度的测量值，控制系统给出合理的卧螺离心机转速，达到加重材料的分离与有害固相的清除。
3停机报警状态
只要传感器检测值，其中有一个参数达到或超过给定的zui大停机参数值，控制系统便发出停机报警指令。
结论
本文针对加重材料分离的实质，提出一套全自动闭环控制分离方案，可随着钻井液性能参数的变化及卧螺离心机机械性能参数的变化，综合给出分离加重材料时卧螺离心机的转速与供料泵的流量值。通过这套控制系统的实施，可“实时”有效分离加重材料，节约加重材料的费用，减少矿产资源损耗，降低工人劳动强度。同时，更有效地解决环境污染问题，具有显著的经济效益和社会效益。
