一種鉆機安裝模擬系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本申請涉及一種鉆機安裝模擬系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] GB2295480公開了一種井控模擬系統(tǒng)，其包括主計算機，主計算機能夠運行鉆點模 擬的計算機模塊和多個能夠連接計算機和數(shù)據(jù)輸入輸出裝置的數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)適于安裝 和利用于真實鉆點，至少一些所述接口適于連接到數(shù)據(jù)輸出和輸入裝置，這些數(shù)據(jù)輸出輸 入裝置組成部分井控系統(tǒng)，而該模擬系統(tǒng)便安裝在其中。
[0003] 國內(nèi)電子科技大學碩士學位論文《新型鉆井工程培訓考核模擬系統(tǒng)的設(shè)計與實 現(xiàn)》，從現(xiàn)代過程培訓模擬其研制的現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合計算機技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，分析了 利用高技術(shù)的發(fā)展建立過程培訓模擬系統(tǒng)的必要性和重要性，闡述了過程培訓模型設(shè)計中 遇到的問題和解決方法，給出了新型鉆井工程培訓考核模擬系統(tǒng)從可行性分析、硬件涉及 到主控臺設(shè)計，場景模擬等部分的解決方案，重點介紹了主控臺軟件部分的實現(xiàn)方法。
[0004] 鉆井模擬產(chǎn)品方面，以美國鉆井模擬機DS-200最具代表性，包括大慶石油管理局 研制的DS-100鉆井模型，但是無論是DS-200還是DS-100,其都只是針對鉆井操作進彳丁模 擬，而不能對其他操作例如鉆機安裝進行模擬，然而目前鉆機安裝者的操作規(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，造成重大生命和財產(chǎn)損失。
[0005] 因此完整有效的培訓系統(tǒng)是急需的，并且有必要針對鉆機安裝開發(fā)響應的模擬系 統(tǒng)，另一方面，以DS-100為代表的鉆井模型均采用分布式計算機控制系統(tǒng)，一臺主控計算 機實現(xiàn)模擬解算，三臺過程控制計算機分別控制司鉆操作及儀表顯示臺，井控操作臺及遠 程節(jié)流控制臺等裝置。主從計算機之間采用串行中斷方式實現(xiàn)遠距離通訊。主控計算機采 用BorlandC++ferWindows編程，圖形機采用BorlandC++編程，過程計算機采用ASM-96 匯編語言編程，現(xiàn)有的系統(tǒng)復雜，并且缺乏完整性，無法滿足培訓要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在克服上述問題，提供一種鉆機安裝模擬操作培訓系統(tǒng)，包括前端硬件 部分和軟件部分，前端硬件部分包括鉆機模型、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)。司鉆操作臺包括機箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計算機，所述的機箱的正面設(shè)有司 鉆操作臺正面控制面板，機箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺側(cè)面控制面板，機箱的另一個側(cè) 面設(shè)有頂驅(qū)機械控制面板以及緩沖液缸的控制面板；其中在司鉆操作臺正面控制面板上設(shè) 置有電源按鈕、開機按鈕、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；司鉆操作 臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、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)；
[0007] 司鉆操作臺的內(nèi)部控制板包括司鉆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)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進行通信，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、柴油機功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(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；
[0008] 其中頂驅(qū)機械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復位/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)、風機選擇開關(guān)、電機選擇開關(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；其中司鉆操作臺的內(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)、風機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進行連接以實現(xiàn)對頂驅(qū)進行控制；
[0009] 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；其中司鉆操作臺的內(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行控制；
[0010] 參數(shù)計算機作為分布式的上位機完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計算機和 圖形計算機完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各臺計算機通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)；司鉆操作臺和鉆機模型之間的前端數(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；PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議；其中該參數(shù)計算 機具有完成從PLC獲取前端硬件信息后，將信息發(fā)送給主控計算機的通信模塊，其中通信 模塊還將主控計算機發(fā)送過來的信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示；
[0011] 鉆機模擬器包括井架模擬器和底座模擬器，井架模擬器包括井架和井架核心控制 機，其中井架為前開口型井架，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] 底座模型包括底座和底座核心控制機，其中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，由左如基座與左后基座、右如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裝置組，其中防護裝 置組包括實現(xiàn)鉆機井架天車防碰功能的鉆機井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度起升 功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝 置、實現(xiàn)防鉆機底座過度起升功能的防鉆機底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機底座過度下放 功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝 置，
[0013] 軟件系統(tǒng)包括通信軟件系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)，圖形軟件系統(tǒng)，其中陸地鉆機安裝操 作模擬培訓系統(tǒng)的主控軟件持續(xù)不斷的與前端硬件進行通信，以獲取前端的設(shè)備狀態(tài)，也 就是獲取培訓學員的操作過程，主控軟件所計算出的鉆井過程參數(shù)也需要實時傳輸給前端 設(shè)備，以供培訓學員與工程技術(shù)人員觀察，通信軟件與主控軟件之間的交互采用TCP協(xié)議 進行。通信軟件為服務器端，主控軟件為客戶端，設(shè)置兩個控制參數(shù)，第一參數(shù)（Direction) 表示數(shù)據(jù)的流向，等于1表示主控軟件請求前端硬件數(shù)據(jù)，等于2表示主控軟件發(fā)送給前端 硬件數(shù)據(jù)，第二參數(shù)（Mud)表示泥漿性能參數(shù)來源，等于1表示主控軟件發(fā)送泥漿性能參數(shù) 給前端硬件，等于2表示主控軟件請求前端泥漿性能參數(shù)。
[0014] 主控軟件與圖形軟件的通信通過廣泛使用UDP協(xié)議進行。主控軟件將通過數(shù)據(jù)處 理中心得到的與圖形有關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)向圖形軟件，這些數(shù)據(jù)包括：鉆機安裝時候的井架，底座 起升下放高度，液壓緩沖油缸伸縮長度；起下鉆速度、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、控制圖形各種動作的信號。 這樣就能夠把鉆井工藝流程中的各種動作以及鉆機安裝操作現(xiàn)場各種設(shè)備的狀態(tài)、空間位 置等控制信號和數(shù)據(jù)準確的發(fā)給圖形單元，使圖形能迅速、準確地反映前端操作者的各種 動作。
[0015] 井架核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 操作按鈕對應的物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各 PLC模塊進行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務分擔的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0016] 底座模型包括底座和底座核心控制機，其中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，由左如基座與左后基座、右如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裝置組，其中防護裝 置組包括實現(xiàn)鉆機井架天車防碰功能的鉆機井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度起升 功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝 置、實現(xiàn)防鉆機底座過度起升功能的防鉆機底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機底座過度下放 功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝 置。
[0017] 底座核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 各個物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各PLC模塊進 行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務分擔的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺之間的 通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0018] 為實現(xiàn)模擬培訓系統(tǒng)的可重用性，鉆機井架底座模型安裝的一定的保護裝置，包 括鉆機井架天車防碰裝置、防鉆機井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機底 座過度起升裝置、防鉆機底座過度下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置。為實現(xiàn)井架底座的 起升和下放并受控于司鉆操作臺，系統(tǒng)采用步進電機來實現(xiàn)絞車功能。
[0019] 陸地鉆機安裝操作模擬培訓