摘 要： 通過對加重材料的研究，建立數(shù)學(xué)模型，確定出分離加重材料時離心機的分離粒度；設(shè)計變頻全自動閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)鉆井液的粘度、密度及工作時離心機的負(fù)載扭矩、振動的變化，通過實時數(shù)據(jù)采集，將其數(shù)據(jù)反饋給單片機；針對采集到的數(shù)據(jù)，用單片機中編制的Ｃ＋＋程序進行判斷，控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的處理指令，輸出變頻器頻率和供漿泵流量，達到隨著鉆井液性能及離心機參數(shù)的變化，加重材料得到最有效分離的目的。 離心機作為一種鉆井液固控設(shè)備，在鉆井作業(yè)中有著非常重要的作用，它一方面能清除非加重鉆井液的固相，另一方面還能從加重鉆井液中分離加重材料［１］。但離心機的工作受多個參數(shù)的影響，例如：滾筒轉(zhuǎn)速和扭矩、螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和扭矩、鉆井液供料量、鉆井液性能、鉆井液稀釋程度、液體中固相的含量、聚合物殘留程度等。改變其中任一個參數(shù)，都將影響離心機的分離效果。此外，斷電、潛在的技術(shù)故障等都將危及離心機的安全。 一、分離加重材料時離心機分離粒度的確定 本文給出的方案為兩臺離心機合用，第一臺采用可調(diào)速離心機，設(shè)定好其分離粒度，用來分離加重材料，第二臺用來清除有害固相［２］。 粒度確定過程為：當(dāng)直徑為ｄｃ（分離粒度）的粒子被全部分離，即分離效率ＥＴ＝１，大于ｄｃ尺寸的粒子所需的沉降時間小于直徑為ｄｃ粒子的沉降時間ｔｃ，而小于ｄｃ尺寸的粒子所需的沉降時間大于ｔｃ。因此，從ｄ１（加重材料中最小的粒度值）到ｄｃ間的粒子所能沉降下來的數(shù)量是按ｔｃ／ｔｘ的比例確定的，而ｄｃ到ｄｍ（加重材料中最大的粒度值）的粒子則是百分之百沉降下來。式（２）中ａ為分布特性系數(shù)，對應(yīng)分離效率為５０％時的粒度值。 則分離總效率為： 由表１可知，隨著離心機分離粒度的減小，離心機加重材料分離率提高，但分離加重材料中無用固相的含量也隨著增加，經(jīng)過振動篩后，根據(jù)加重材料與巖屑比重之間的關(guān)系，同時根據(jù)硬地層３３μｍ以下的固相顆粒為８１９％［３］，因此綜合確定出離心機的分離粒度為２０μｍ，這時加重材料的分離效率達８０％以上。 二、分離加重材料時全自動閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計 １離心機工作系統(tǒng)設(shè)計出既能優(yōu)化離心機工作，又能保障離心機安全運行的自動檢測、控制系統(tǒng).。 電動機４６驅(qū)動泵４４，將罐４０中的鉆井液經(jīng)管４２、流量計４８、密度計５０和粘度計５２，輸送進離心機處理。 保護開關(guān)３８ａ與連接器３８相連。若齒輪箱超扭矩運行，保護開關(guān)３８ａ將切斷電源，停止電動機工作。 該系統(tǒng)中離心機的螺旋輸送器與滾筒的運轉(zhuǎn)模式為：①由變頻驅(qū)動器５４→交流電動機２４→皮帶２６→空心軸２１→法蘭軸→離心機１０→滾筒旋轉(zhuǎn)。②由變頻驅(qū)動器５６→交流電動機３４→太陽輪３５→行星齒輪變速箱３２→法蘭軸１９→螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)。 ２單片機檢測和控制系統(tǒng) 離心機工作系統(tǒng)采用兩臺變頻驅(qū)動器。為了使這兩臺變頻驅(qū)動器與供液情況相協(xié)調(diào)，以便得到滿意的分離效果，故采用了單片機自動控制系統(tǒng)。此外，單片機還可監(jiān)測離心機的其他工作參數(shù)。離心機的監(jiān)測接口情況如下： （１）單片機６０的兩個輸入接口分別與變頻驅(qū)動器５４、５６相連，改變電動機２４、３４的工作頻率，從而分別改變離心機滾筒和螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速及扭矩。 （２）保護開關(guān)３８ａ與單片機的一個輸入端口相連，可對齒輪箱３２的超扭矩做出響應(yīng)，以保護離心機。 （３）單片機的一個端口與流量計４８相連，測量經(jīng)管４２流進離心機的鉆井液流量。 （４）單片機的一個端口與密度計５０相連，測量經(jīng)管４２流進離心機的鉆井液密度。 （５）單片機的一個端口與粘度計５２相連，測量經(jīng)管４２流進離心機的鉆井液粘度。 （６）單片機的一個端口與閥４２ａ相連，控制閥４２ａ開口的大小，從而控制流入離心機的流量。 （７）振動檢測儀６２安裝在滾筒的外殼上，與單片機６０相連，當(dāng)接近或超過振動極限時，單片機將輸出相關(guān)指令控制變頻器５４、５６，以改變電動機２４、３４的工況，或停止電動機工作，以關(guān)掉離心機。 （８）軸承座上各安裝有一對加速度傳感器（垂直、水平各一只），以檢測軸的振動情況。當(dāng)有特殊信號或參數(shù)出現(xiàn)時，即表明有潛在危險出現(xiàn)，單片機將發(fā)出警告或采取某些控制措施。 ３控制系統(tǒng)的功能 （１）通過全自動閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，離心機一直處于安全的工作運行中，以高效分離加重材料。 （２）當(dāng)離心機在正常工作狀態(tài)時，針對傳感器采集的鉆井液粘度值，由單片機輸出鉆井液處理量Ｑ及主、輔電動機轉(zhuǎn)速ｎ。 （３）當(dāng)離心機接近極限工況時（極限轉(zhuǎn)速、極限扭矩、極限振動、極限電流），單片機將發(fā)出警告信號，同時發(fā)出相關(guān)指令，改變電動機工況和供料泵的供液情況，避免或延緩故障發(fā)生。 （４）若離心機已超限工作，則單片機將停止離心機工作，以免離心機受到不必要的損壞。 三、全自動閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理 （１）用單片機的管腳ｐ１２、ｐ１３、ｐ１４，分別作為流量Ｑ、密度ρ、粘度μ（Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后）的輸入端；用管腳ｐ０１、ｐ０２、ｐ０３分別作為振動ｋ、加速度ａ、扭矩ｍ（Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后）的輸入端；用管腳ｐ０５、ｐ２６分別作為控制驅(qū)動變頻器，改變主、輔電機轉(zhuǎn)速的輸出端；用管腳ｐ２７作為控制閥門，改變供料泵流量的輸出端。 （２）針對單片機芯片，采用Ｃ＋＋程序語言，對不同的扭矩信號ｍ、粘度μ、振動參數(shù)ｋ、加速度ａ進行分段編程。 （３）用鉆井液密度傳感器、鉆井液粘度傳感器、振動傳感器、加速度傳感器、扭矩傳感器，分別測量出工作數(shù)據(jù)。 （４）將傳感器中采集的工作數(shù)據(jù)進行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，并輸入到單片機中，單片機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)已編制程序的判斷，控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的輸出處理指設(shè)立四個工況及相應(yīng)工作參數(shù)：①正常安全停機扭矩Ｍｍａｘ，最大工作扭矩Ｍ１，正?？蛰d啟動最小扭矩值Ｍｍｉｎ；②正常安全停機振動Ｋｍａｘ，最大工作振動Ｋ１，正?？蛰d啟動最小振動Ｋｍｉｎ；③正常安全停機轉(zhuǎn)速ｎｍａｘ，最大工作轉(zhuǎn)速ｎ１，正?？蛰d啟動最小轉(zhuǎn)速ｎｍｉｎ；④正常安全停機電流Ｉｍａｘ，最大工作電流Ｉ１，正?？蛰d啟動最小電流Ｉｍｉｎ。 １正常工作狀態(tài) 當(dāng)傳感器檢測到離心機轉(zhuǎn)速、扭矩、振動及工作電流均小于最大工作值，且大于正常啟動空載最小設(shè)定值時，表明離心機保持正常工作狀態(tài)。此時，根據(jù)粘度傳感器反饋到單片機的值，通過單片機內(nèi)已編制的程序做出相應(yīng)的處理，即輸出變頻器的頻率，改變離心機的轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速，調(diào)整供料泵的處理量。 ２閉環(huán)控制狀態(tài) 當(dāng)傳感器檢測到離心機轉(zhuǎn)速、扭矩、振動或工作電流某值大于最大工作值，且小于最大停機的最小設(shè)定值時，說明離心機負(fù)載增大。此時，通過反饋信號到單片機，根據(jù)已編制的程序做出及時的反應(yīng)，減少進料量。同時對粘度的測量值，控制系統(tǒng)給出合理的離心機轉(zhuǎn)速，達到加重材料的分離與有害固相的清除。 ３停機報警狀態(tài) 只要傳感器檢測值，其中有一個參數(shù)達到或超過給定的最大停機參數(shù)值，控制系統(tǒng)便發(fā)出停機報警指令。 結(jié) 論 本文針對加重材料分離的實質(zhì)，提出一套全自動閉環(huán)控制分離方案，可隨著鉆井液性能參數(shù)的變化及離心機機械性能參數(shù)的變化，綜合給出分離加重材料時離心機的轉(zhuǎn)速與供料泵的流量值。通過這套控制系統(tǒng)的實施，可“實時”有效分離加重材料，節(jié)約加重材料的費用，減少礦產(chǎn)資源損耗，降低工人勞動強度。同時，更有效地解決環(huán)境污染問題，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。