摘 要： 通過(guò)對(duì)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(shí)離心機(jī)的分離粒度；設(shè)計(jì)變頻全自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據(jù)鉆井液的粘度、密度及工作時(shí)離心機(jī)的負(fù)載扭矩、振動(dòng)的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，將其數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)；針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)，用單片機(jī)中編制的Ｃ＋＋程序進(jìn)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(dá)到隨著鉆井液性能及離心機(jī)參數(shù)的變化，加重材料得到最有效分離的目的。 離心機(jī)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(jī)的工作受多個(gè)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(gè)參數(shù)，都將影響離心機(jī)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(jī)的安全。 一、分離加重材料時(shí)離心機(jī)分離粒度的確定 本文給出的方案為兩臺(tái)離心機(jī)合用，第一臺(tái)采用可調(diào)速離心機(jī)，設(shè)定好其分離粒度，用來(lái)分離加重材料，第二臺(tái)用來(lái)清除有害固相［２］。 粒度確定過(guò)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(shí)間小于直徑為ｄｃ粒子的沉降時(shí)間ｔｃ，而小于ｄｃ尺寸的粒子所需的沉降時(shí)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(lái)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(lái)。式（２）中ａ為分布特性系數(shù)，對(duì)應(yīng)分離效率為５０％時(shí)的粒度值。 則分離總效率為： 由表１可知，隨著離心機(jī)分離粒度的減小，離心機(jī)加重材料分離率提高，但分離加重材料中無(wú)用固相的含量也隨著增加，經(jīng)過(guò)振動(dòng)篩后，根據(jù)加重材料與巖屑比重之間的關(guān)系，同時(shí)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(jī)的分離粒度為２０μｍ，這時(shí)加重材料的分離效率達(dá)８０％以上。 二、分離加重材料時(shí)全自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) １離心機(jī)工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)出既能優(yōu)化離心機(jī)工作，又能保障離心機(jī)安全運(yùn)行的自動(dòng)檢測(cè)、控制系統(tǒng).。 電動(dòng)機(jī)４６驅(qū)動(dòng)泵４４，將罐４０中的鉆井液經(jīng)管４２、流量計(jì)４８、密度計(jì)５０和粘度計(jì)５２，輸送進(jìn)離心機(jī)處理。 保護(hù)開關(guān)３８ａ與連接器３８相連。若齒輪箱超扭矩運(yùn)行，保護(hù)開關(guān)３８ａ將切斷電源，停止電動(dòng)機(jī)工作。 該系統(tǒng)中離心機(jī)的螺旋輸送器與滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)模式為：①由變頻驅(qū)動(dòng)器５４→交流電動(dòng)機(jī)２４→皮帶２６→空心軸２１→法蘭軸→離心機(jī)１０→滾筒旋轉(zhuǎn)。②由變頻驅(qū)動(dòng)器５６→交流電動(dòng)機(jī)３４→太陽(yáng)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(jī)檢測(cè)和控制系統(tǒng) 離心機(jī)工作系統(tǒng)采用兩臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)器。為了使這兩臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)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(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。此外，單片機(jī)還可監(jiān)測(cè)離心機(jī)的其他工作參數(shù)。離心機(jī)的監(jiān)測(cè)接口情況如下： （１）單片機(jī)６０的兩個(gè)輸入接口分別與變頻驅(qū)動(dòng)器５４、５６相連，改變電動(dòng)機(jī)２４、３４的工作頻率，從而分別改變離心機(jī)滾筒和螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速及扭矩。 （２）保護(hù)開關(guān)３８ａ與單片機(jī)的一個(gè)輸入端口相連，可對(duì)齒輪箱３２的超扭矩做出響應(yīng)，以保護(hù)離心機(jī)。 （３）單片機(jī)的一個(gè)端口與流量計(jì)４８相連，測(cè)量經(jīng)管４２流進(jìn)離心機(jī)的鉆井液流量。 （４）單片機(jī)的一個(gè)端口與密度計(jì)５０相連，測(cè)量經(jīng)管４２流進(jìn)離心機(jī)的鉆井液密度。 （５）單片機(jī)的一個(gè)端口與粘度計(jì)５２相連，測(cè)量經(jīng)管４２流進(jìn)離心機(jī)的鉆井液粘度。 （６）單片機(jī)的一個(gè)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(jī)的流量。 （７）振動(dòng)檢測(cè)儀６２安裝在滾筒的外殼上，與單片機(jī)６０相連，當(dāng)接近或超過(guò)振動(dòng)極限時(shí)，單片機(jī)將輸出相關(guān)指令控制變頻器５４、５６，以改變電動(dòng)機(jī)２４、３４的工況，或停止電動(dòng)機(jī)工作，以關(guān)掉離心機(jī)。 （８）軸承座上各安裝有一對(duì)加速度傳感器（垂直、水平各一只），以檢測(cè)軸的振動(dòng)情況。當(dāng)有特殊信號(hào)或參數(shù)出現(xiàn)時(shí)，即表明有潛在危險(xiǎn)出現(xiàn)，單片機(jī)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(guò)全自動(dòng)閉環(huán)智能控制系統(tǒng)，離心機(jī)一直處于安全的工作運(yùn)行中，以高效分離加重材料。 （２）當(dāng)離心機(jī)在正常工作狀態(tài)時(shí)，針對(duì)傳感器采集的鉆井液粘度值，由單片機(jī)輸出鉆井液處理量Ｑ及主、輔電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速ｎ。 （３）當(dāng)離心機(jī)接近極限工況時(shí)（極限轉(zhuǎn)速、極限扭矩、極限振動(dòng)、極限電流），單片機(jī)將發(fā)出警告信號(hào)，同時(shí)發(fā)出相關(guān)指令，改變電動(dòng)機(jī)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(jī)已超限工作，則單片機(jī)將停止離心機(jī)工作，以免離心機(jī)受到不必要的損壞。 三、全自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作原理 （１）用單片機(jī)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(dòng)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(dòng)變頻器，改變主、輔電機(jī)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(duì)單片機(jī)芯片，采用Ｃ＋＋程序語(yǔ)言，對(duì)不同的扭矩信號(hào)ｍ、粘度μ、振動(dòng)參數(shù)ｋ、加速度ａ進(jìn)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(dòng)傳感器、加速度傳感器、扭矩傳感器，分別測(cè)量出工作數(shù)據(jù)。 （４）將傳感器中采集的工作數(shù)據(jù)進(jìn)行Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，并輸入到單片機(jī)中，單片機(jī)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(gè)工況及相應(yīng)工作參數(shù)：①正常安全停機(jī)扭矩Ｍｍａｘ，最大工作扭矩Ｍ１，正?？蛰d啟動(dòng)最小扭矩值Ｍｍｉｎ；②正常安全停機(jī)振動(dòng)Ｋｍａｘ，最大工作振動(dòng)Ｋ１，正常空載啟動(dòng)最小振動(dòng)Ｋｍｉｎ；③正常安全停機(jī)轉(zhuǎn)速ｎｍａｘ，最大工作轉(zhuǎn)速ｎ１，正常空載啟動(dòng)最小轉(zhuǎn)速ｎｍｉｎ；④正常安全停機(jī)電流Ｉｍａｘ，最大工作電流Ｉ１，正?？蛰d啟動(dòng)最小電流Ｉｍｉｎ。 １正常工作狀態(tài) 當(dāng)傳感器檢測(cè)到離心機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、振動(dòng)及工作電流均小于最大工作值，且大于正常啟動(dòng)空載最小設(shè)定值時(shí)，表明離心機(jī)保持正常工作狀態(tài)。此時(shí)，根據(jù)粘度傳感器反饋到單片機(jī)的值，通過(guò)單片機(jī)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(jī)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(cè)到離心機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、振動(dòng)或工作電流某值大于最大工作值，且小于最大停機(jī)的最小設(shè)定值時(shí)，說(shuō)明離心機(jī)負(fù)載增大。此時(shí)，通過(guò)反饋信號(hào)到單片機(jī)，根據(jù)已編制的程序做出及時(shí)的反應(yīng)，減少進(jìn)料量。同時(shí)對(duì)粘度的測(cè)量值，控制系統(tǒng)給出合理的離心機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到加重材料的分離與有害固相的清除。 ３停機(jī)報(bào)警狀態(tài) 只要傳感器檢測(cè)值，其中有一個(gè)參數(shù)達(dá)到或超過(guò)給定的最大停機(jī)參數(shù)值，控制系統(tǒng)便發(fā)出停機(jī)報(bào)警指令。 結(jié) 論 本文針對(duì)加重材料分離的實(shí)質(zhì)，提出一套全自動(dòng)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(jī)機(jī)械性能參數(shù)的變化，綜合給出分離加重材料時(shí)離心機(jī)的轉(zhuǎn)速與供料泵的流量值。通過(guò)這套控制系統(tǒng)的實(shí)施，可“實(shí)時(shí)”有效分離加重材料，節(jié)約加重材料的費(fèi)用，減少礦產(chǎn)資源損耗，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，更有效地解決環(huán)境污染問(wèn)題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。