一種陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)的鉆機(jī)模型的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆機(jī)模擬系統(tǒng)，具體來說，涉及一種陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 鉆機(jī)屬于工程機(jī)械，工程機(jī)械的安全生產(chǎn)不僅直接影響機(jī)械的使用壽命，而且關(guān) 系到人民生命財產(chǎn)的安全。因此必須貫徹"安全第一，以人為本"和"安全第一，預(yù)防為主" 的方針。由于技術(shù)水平的限制，井場設(shè)備安裝、拆卸過程中的問題非常突出。如何提高設(shè)備 使用者技能水平，避免因操作不當(dāng)造成的設(shè)備損壞，減少事故發(fā)生，是公司目前必須解決的 緊迫問題。
[0003] 在鉆井完成后，需要將井場設(shè)備如底座、井架、泥漿泵、防噴器組等進(jìn)行拆卸，搬運 到其他鉆井現(xiàn)場，并進(jìn)行安裝，以便開始新的鉆井作業(yè)。在設(shè)備安裝和拆卸過程中，必須遵 循一定的操作規(guī)程和技術(shù)要領(lǐng)，才能保證設(shè)備的正確安裝、正確拆卸和安全使用。
[0004] 然而，目前設(shè)備使用者的操作規(guī)程和技術(shù)要領(lǐng)主要是通過廠家提供的說明書和培 訓(xùn)獲取，而操作技能則是靠經(jīng)驗的積累和師傅的傳授，這些方式往往存在以下問題：實踐機(jī) 會有限，難以提高技術(shù)水平：由于鉆井作業(yè)的特殊性，鉆井設(shè)備的拆卸和安裝等工作往往要 幾個月，甚至一年才進(jìn)行一次，操作人員很難通過實際操作積累各種經(jīng)驗。另外，在設(shè)備安 裝、拆卸過程中，事故發(fā)生的幾率相對較小，個體對事故的處理經(jīng)驗極為有限，對事故的判 斷、處理能力很難在實際的生產(chǎn)活動中積累和提高。一旦突發(fā)事故，往往由于缺乏經(jīng)驗和處 理能力，造成重大生命和財廣損失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型的不足，提供一種陸地鉆機(jī)安裝操 作模擬系統(tǒng)。
[0006] 本發(fā)明的發(fā)明目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：一種陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系 統(tǒng)，它包括鉆機(jī)模型、前端操作臺、教師操作臺、以及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)。其中前端 操作臺中包括參數(shù)計算機(jī)，其中該參數(shù)計算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采 集與控制，主控計算機(jī)和圖形計算機(jī)完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各 臺計算機(jī)通過TCP/IP協(xié)議互聯(lián)。前端操作臺和鉆機(jī)模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由 SIEMENSS7-200PLC完成，并連接構(gòu)成西門子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用 RS232協(xié)議。
[0007] 其中前端操作臺包括機(jī)箱和內(nèi)部控制板，所述的機(jī)箱的正面設(shè)有司鉆臺正面控制 面板，機(jī)箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆臺側(cè)面控制面板，機(jī)箱的另一個側(cè)面設(shè)有頂驅(qū)機(jī)械控制面 板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆臺正面控制面板上設(shè)置有電源按鈕、開機(jī)按鈕、 氣喇叭開關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、 撈剎滾筒離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾 筒高低速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)；還包括顯 示表組，其中所述顯示表組包括氣源壓力表、冷卻水壓表、絞車油壓表、轉(zhuǎn)盤油壓表、轉(zhuǎn)盤扭 矩表、泵壓表、大鉗扭矩表、左鉗扭矩表、右鉗扭矩表、安全鉗壓力表、貓頭壓力表、鉆井扭矩 表、轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表；司鉆臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開 關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn) 盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、2號泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開 關(guān)、低壓報警器開關(guān)；
[0008] 前段操作臺的內(nèi)部控制板包括前端操作臺第一可編程控制器PLC1和第二可編程 控制器PLC2,上述可編程控制器PLC與參數(shù)計算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進(jìn)行通信，其 中第一可編程控制器PLC1的CPU模塊通過A/D模塊分別與電源按鈕、開機(jī)按鈕、氣喇叭開 關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒 離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速 開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)連接，通過PLC的開 關(guān)量輸入端口分別與指配開關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路 開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、2 號泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開關(guān)、低壓報警器開關(guān)進(jìn)行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上的 各個開關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制，泥漿泵的調(diào)速控制；同時采 集絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤離合器位置、轉(zhuǎn)盤檔位、泵調(diào)節(jié)器位置、柴油機(jī)功率調(diào)節(jié) 器位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機(jī)氣源壓力、泥漿密度、泥漿黏度以及泥漿失水這些參數(shù)，通過 PLC的控制使得司鉆操作臺實現(xiàn)對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對泥漿 泵的調(diào)速控制。
[0009] 其中頂驅(qū)機(jī)械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕、吊環(huán) 回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開 關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開關(guān)、電機(jī)選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開關(guān)；緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸 伸出/縮回控制手柄；其中前端操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過A/D模塊分別與急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開關(guān)、電機(jī)選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進(jìn)行連接以實現(xiàn)對頂驅(qū)進(jìn)行控制。
[0010] 其中緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液 缸伸出/縮回控制手柄；其中前端操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過A/D模塊分別與左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸伸出/縮回控制手 柄連接以對緩沖液缸進(jìn)行控制。
[0011] 鉆機(jī)模型包括鉆機(jī)井架和底座模擬器，其中井架為前開口型，由主體、人字架及附 件組成，附件主要有二層臺、死繩穩(wěn)定器、籠梯。井架主體由左上段、右上段、左中上段、右中 上段、左下段和右下段及背橫梁、斜拉桿、連接架組成一個前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整 固定是由兩個卡銷完成。人字架是由左、右前腿，左、右后腿及橫梁等組成的門形結(jié)構(gòu)，用來 起放和支靠井架。起升裝置由起升大繩、高支架、低支架和游車大鉤支架組成。井架采用人 字架起升方式，依靠鉆臺面絞車的動力，通過快繩、大鉤拉動起升大繩，實現(xiàn)井架起升，井架 起升時為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架上，同時下放井架時又能使井架重心前移，從 而依靠井架本身自重下落，在人字架上設(shè)有緩沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實現(xiàn)。
[0012] 底座主要由底座主體、起升裝置、液壓緩沖裝置組成，底座采用平行四邊形機(jī)構(gòu)的 運動原理，從而實現(xiàn)了高臺面設(shè)備的低位安裝。采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位 整體起升到工作位置。底座主體分為上、中、下三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的 設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部分，由左前基座與左后基座、右前基座與右后 基座分別用銷子連接成左、右兩個部分。左、右兩個部分之間的連接構(gòu)件有連接梁、連接架 和斜撐。中間層為支撐部分，位于上、下層之間，起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人 字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱組成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿 及后腿兩部分組成，起升大繩的一端固定在人字架后腿上，人字架在整個底座起升的過程 中起到支撐的作用。起升大繩兩端裝有套環(huán)，另有參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿 上。所述鉆井模型還包括防護(hù)裝置組，其中防護(hù)裝置組包括實現(xiàn)鉆機(jī)井架天車防碰功能的 鉆機(jī)井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機(jī)井架過度起升功能的防鉆機(jī)井架過度起升裝置、實現(xiàn) 防鉆機(jī)井架過度下放功能的防鉆機(jī)井架過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機(jī)底座過度起升功能的防 鉆機(jī)底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機(jī)底座過度下放功能的防鉆機(jī)底座過度下放裝置、實現(xiàn) 防鉆機(jī)大鉤過度下放功能的防鉆機(jī)大鉤過度下放裝置。
[0013] 就本申請而言，鉆機(jī)井架/底座模擬器的核心控制機(jī)選用西門子S7-200系列可編 程控制器，由S7-200直接控制操作臺上的各個物理量，以參數(shù)機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制 機(jī)對絞車控制臺及前端各PL2000模擬機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù) 分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0014] 鉆機(jī)井架/底座模擬器中的S7-200CPU模塊通過檢查井架天車防碰裝置、防鉆機(jī) 井架過度起升裝置、防鉆機(jī)井架過度下放裝置、防鉆機(jī)底座過度起升裝置、防鉆機(jī)底座過度 下放裝置、防鉆機(jī)大鉤過度下放裝置的狀態(tài)來實現(xiàn)相應(yīng)的功能，以防止學(xué)員誤操作時損壞 鉆機(jī)井架/底座模擬器。
[0015] 為實現(xiàn)井架/底座的起升和下放并受控于司鉆臺，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來實現(xiàn)絞車 功能，PLC系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計了以高速受控的步進(jìn)脈沖。在S7-200中設(shè)計了兩個PT0/PWM發(fā)生 器，可以產(chǎn)生一個高速脈沖串或者一個脈寬調(diào)制波形。一個發(fā)生器是數(shù)字輸出點Q0. 0,另一 個發(fā)生器是數(shù)字輸出點Q0. 1。一個指定的特殊寄存器（SM)位置為每個發(fā)生器存儲下列數(shù) 據(jù)：一個控制字節(jié)（8位），一個計數(shù)值（32位無符號數(shù)）和一個周期或脈寬值（16位無符號 數(shù)）。PT0/PWM發(fā)生器與過程映像寄存器共用Q0. 0和Q0. 1。當(dāng)在Q0. 0或Q0. 1上激活PT0 或PWM功能時，PT0/PWM發(fā)生器對輸出擁有控制權(quán)，同時普通輸出點功能被禁止。輸出波形 不受過程映象區(qū)狀態(tài)、輸出點強(qiáng)制值或者立即輸出指令執(zhí)行的影響。當(dāng)不使用PT0/PWM發(fā) 生器功能時，對輸出點的控制權(quán)交回到過程映象寄存器。過程映象寄存器決定輸出波形的 起始和結(jié)束狀態(tài)，以高低電平產(chǎn)生波形的啟動和結(jié)束。脈沖串PT0操作按照給定的PT0脈沖 個數(shù)和周期輸出一串方波（占空比50% )。PT0可以產(chǎn)生單段脈沖串或者多段脈沖串（使 用脈沖包絡(luò)），可以指定脈沖數(shù)和周期。PT0功能允許脈沖串"鏈接"或者"排隊"，當(dāng)前脈沖 串輸出完成時，會立即開始輸出一個新的脈沖串，以保證多個輸出脈沖串之間的連續(xù)性。
[0016] 前端操作臺中還具有參數(shù)計算機(jī)，其中該參數(shù)計算機(jī)具有完成從PLC獲取前端硬 件信息后，將信息發(fā)送給主控機(jī)的通信模塊，其中通信模塊還將主控機(jī)發(fā)送過來的信息通 過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0017] 教師工作臺具有主控計算機(jī)和圖形計算機(jī)，其中該主控計算機(jī)具有主控模塊，該 主控模塊用于與通信模塊進(jìn)行通信，實時獲得硬件設(shè)備狀態(tài)；所述主控計算機(jī)還包括如下 多個鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型的模擬裝置：鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型鉆進(jìn)工藝模擬裝置、鉆機(jī)模型鉆機(jī) 模型溢流模擬裝置、鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型氣體膨脹模擬裝置、鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型循環(huán)壓力計 算模擬裝置、鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型鉆具提升模擬裝置以及鉆機(jī)模型鉆機(jī)模型的鉆機(jī)井架/底 座的起升/下放模擬裝置，其中主控模塊還包括有如下多個模擬系統(tǒng)：用于模擬陸地鉆機(jī) 井架/底座的起升/下放操作的裝置、用于模擬陸地鉆機(jī)起鉆和下鉆操作的裝置、用于模擬 陸地鉆機(jī)鉆進(jìn)操作的裝置、用于模擬陸地鉆機(jī)事故應(yīng)急操作的裝置。
[0018] 教師操作臺主要用于教師對學(xué)員操作情況進(jìn)行監(jiān)控，對操作結(jié)果進(jìn)行自動評判， 打分。其中主控計算機(jī)用于完成上述系統(tǒng)主程序的執(zhí)行，其包括用于存儲和設(shè)置模擬參數(shù) 的模塊、用于模擬工藝程序的模塊、用于控制圖形、計算并繪制壓井曲線的模塊、用于成績 評定及學(xué)員管理的模塊、采集前端設(shè)備參數(shù)的模塊、控制前端控制臺上顯示儀表的模塊以 及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖形計算機(jī)用于環(huán)幕圖形的處理和顯示，兩者間通過該TCP/IP協(xié)議互聯(lián)。
[0019] 工作時：首先使前端工作臺、鉆機(jī)模型、教師操作臺、以及三通道環(huán)幕投影顯示系 統(tǒng)均上電，使得陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)啟動工作，在參數(shù)計算機(jī)啟動后，自動運行設(shè)置 其中的"陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)參數(shù)程序"，上述參數(shù)程序負(fù)責(zé)接收前端硬件的狀態(tài)， 進(jìn)行處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主控程序，在參數(shù)程序中實現(xiàn)優(yōu)選包括"鉆壓"、"懸重"、"排量" 等鉆進(jìn)實時參數(shù)的外顯，并可由程序進(jìn)入到操作設(shè)置運行界面以實現(xiàn)模擬作業(yè)的設(shè)備初始 化工作以及操作設(shè)置。在圖形計算機(jī)啟動完成后，運行其中的圖形程序，分別進(jìn)入以下培訓(xùn) 項目進(jìn)行選擇：鉆機(jī)安裝動畫、井架起升模擬、虛擬裝配操作、鉆進(jìn)模擬操作以及電子圖冊， 通過操作員在圖形計算機(jī)上進(jìn)行選擇，可進(jìn)入不同的培訓(xùn)項目模塊進(jìn)行培訓(xùn)。
[0020] 在進(jìn)行鉆機(jī)安裝動畫、虛擬裝配操作或者電子圖冊演示時、由教師操作臺中的主 控計算機(jī)完成主程序的執(zhí)行，將處理后的圖形數(shù)據(jù)以及模塊動作數(shù)據(jù)通過預(yù)訂的數(shù)據(jù)傳輸 協(xié)議傳送給用于環(huán)幕圖形的處理和顯示的圖形計算機(jī)，圖形計算機(jī)中的數(shù)據(jù)被傳輸給三通 道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)中的圖像融合機(jī)，圖像融合機(jī)再將圖形計算機(jī)產(chǎn)生的圖像信息分配給 三臺投影儀，并進(jìn)行邊沿融合，經(jīng)過幾何校正和顏色校正后，將上述主程序處理后的圖形數(shù) 據(jù)以及模塊動作數(shù)據(jù)投影到工程環(huán)形投影幕上，以聲音，圖像等易于與操作員進(jìn)行人機(jī)交 互的方式向工程技術(shù)人員展示鉆機(jī)使用，安裝和拆卸過程中的關(guān)鍵操作流程及技術(shù)要點以 及整個鉆機(jī)部件組成。該系統(tǒng)采用虛擬顯示技術(shù)構(gòu)建一個真實感極強(qiáng)的視覺環(huán)境，讓學(xué)員 有身臨其境的感覺，以直觀的方式向工程技術(shù)人員展示鉆機(jī)安裝，拆卸過程中的關(guān)鍵操作 流程及技術(shù)要點，從而解決現(xiàn)有傳統(tǒng)紙質(zhì)說明書存在的理解難和理解歧義等問題，使說明 書的閱讀更加簡單，更加形象生動，杜絕因個體理解差異造成對說明書的誤讀而導(dǎo)致事故 的發(fā)生。
[0021] 在進(jìn)行井架起升模擬以及鉆進(jìn)模擬操作時，在系統(tǒng)上電后，先對絞車、泥漿泵和轉(zhuǎn) 盤進(jìn)行初始化操作、將司鉆臺操作臺上各閥件恢復(fù)到初始位置，并將司鉆臺操作與井架模 型進(jìn)行聯(lián)動。實際使用時，一方面通過PLC上的模擬和數(shù)字輸入端口采集接收司鉆臺上操 作員操作所產(chǎn)生的模擬量和數(shù)字量信號，將上述信號發(fā)送給參數(shù)計算機(jī)，參數(shù)計算機(jī)通過 主控計算機(jī)的通信模塊將信息輸入給主控計算機(jī)中的各種模擬裝置中以處理得出適于外 顯的信號，上述信號通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳送給用于環(huán)幕圖形的處理和顯示的圖形計算機(jī)， 圖形計算機(jī)中的數(shù)據(jù)被傳輸給三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)中的圖像融合機(jī)，圖像融合機(jī)再將 圖形計算機(jī)產(chǎn)生的圖像信息分配給三臺投影儀，并進(jìn)行邊沿融合，經(jīng)過幾何校正和顏色校 正后，將上述主程序處理后的圖形數(shù)據(jù)以及模塊動作數(shù)據(jù)投影到工程環(huán)形投影幕上，從而 完成對井架起升過程以及鉆進(jìn)