CN101226379A - 钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统 - Google Patents

Abstract

一种自动控制技术领域的钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，包括信号采集与处理模块、工艺控制模块、人机界面模块和动作逻辑控制模块，信号采集与处理模块负责信息发获取与处理，并将处理过的信息传递到工艺控制模块；工艺控制模块将信号采集与处理模块发送的信息转化为工艺控制信息，并传递到动作逻辑控制模块、人机界面模块；人机界面模块提供了操作人员与系统交互的平台，通过该模块调整工艺控制模块中的工艺参数；动作逻辑控制模块对执行元件进行动作的控制，并通过人机界面模块实时显示系统动作状态，或在人机界面模块对系统的动作进行操作。本发明将检测与矫直串联起来，实现各子系统准确、可靠、高效的自动控制。

Description

钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统

技术领域

本发明涉及一种自动控制技术领域的系统，具体是一种应用在钻杆直度自动检测与矫直的一体化控制系统。

背景技术

油气井钻杆是用于石油天然气钻探开采的重要工具。石油工业专用无缝钢管——油井管包括钻柱构件(钻杆、钻铤等)和套管、油管。石油勘探开发的钻井作业必须使用钻杆和钻铤，固井必须使用套管，采油必须使用油管。在油气钻探过程中，钻杆要承受巨大的轴向压力和扭矩，且要求钻探深度达到数千米，这对于钻杆的直度提出了很高的要求。钻杆是一种非等直径无缝钢管，两头经加厚工艺形成加厚端，热处理完成后通过避让加厚端办法对管身进行斜辊矫直。斜辊矫直效率高且矫直效果好，但难以保证管端附近的直度。这样就在斜辊矫直后补充压力矫直工艺针对管端矫直。目前国内钻杆的直度检测与压力矫直主要还依靠经验手动操作完成。

传统的手动压力矫直工艺如下：先将料架中的一根钻杆送出上料，输送钻杆至检测位并由操作人员持专用量具边旋转钻杆边检测，若直度超差则输送钻杆至矫直位。矫直是利用“三点反弯”的原理，将钻杆夹持在压力矫直机上并驱动液压缸进给，压上钻杆使起反弯，液压缸返回完成矫直。若合格，将检测矫直钻杆另一端，最后下料。本发明继承原手动控制的工艺，实现了各个子系统准确、可靠、高效的一体化自动控制。

经对现有技术的文献检索发现，中国台湾专利(专利号TW338102-A)介绍了一种轴类零件自动检测矫直系统。此系统包括检测机构、进给机构、矫直机构、物料收集机构以及带有自学习功能的软件等部分。它可以自动检测轴件的直度误差并在线矫直，矫直参数采用自学习的方法获得并用电机控制进给。此专利矫直对象是中小型的轴类零件，且系统以机械结构为主，控制方法非常简单，难以实现准确的自动检测矫直。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种钻杆直度检测与矫直一体化控制系统，使其将检测与矫直有机地统一起来，实现各个子系统准确、可靠、高效的自动控制。本发明有效地解决了钻杆直度检测与矫直系统中系统稳定性、检测矫直精度以及生产节拍三者的矛盾，达到检测矫直一体化控制的目的。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括信号采集与处理模块、工艺控制模块、人机界面模块和动作逻辑控制模块。所述信号采集与处理模块负责信息的获取与处理，它利用传感器实时采集距离、压力信号，并通过A/D转换得到数字信号，再经过数字滤波得到所需的信息，这些信息传递到工艺控制模块；所述工艺控制模块将信号采集与处理模块发送的信息转化为工艺控制信息，并将工艺控制信息传递到动作逻辑控制模块来执行检测、矫直工艺，同时也传递到人机界面模块予以实时显示；所述人机界面模块提供了操作人员与系统交互的平台，操作人员根据生产条件和要求通过对人机界面模块的操作来调整工艺控制模块中的工艺参数，从而输出工艺控制信息；所述动作逻辑控制模块通过逻辑控制的方式对执行元件进行动作的控制，并通过人机界面模块实时显示系统动作状态，或在人机界面模块对系统的动作进行操作。

所述的信号采集与处理模块包括如下子模块：激光位移传感子模块、光电传感子模块、角度传感子模块、压力传感子模块和接触式位移传感子模块。激光位移传感子模块负责钻杆直度检测过程中距离信息的获取与处理，光电传感子模块用于钻杆轴向输送定位，角度传感子模块用于钻杆的周向定位，压力传感模块用于矫直过程中对液压系统压力的检测，接触式位移传感子模块用于矫直过程中液压缸行程的检测控制，这些子模块得到的信息通过A/D转换、数字滤波等预处理得到可以为工艺控制模块利用的信息。

所述的工艺控制模块包括检测工艺子模块和矫直工艺子模块。检测工艺子模块将预处理过的激光位移传感数据进行正弦曲线拟合，将此曲线的幅值作为钻杆的直度参数。直度参数是评介钻杆合格与否的重要参数，也是矫直工艺子模块所需的输入参数。矫直工艺子模块根据直度参数、产品信息参数和矫直工艺得到工艺控制信息。矫直工艺子模块还有自学习功能，可以根据复检的直度参数自动地调整其矫直工艺。

所述的人机界面模块提供了操作人员与系统交互的平台，它包括主监视子模块、参数设置子模块、诊断报警子模块及数据库子模块。主监视子模块实时显示系统的工作状态、传感器信号以及系统的动作，可以通过它操作和显示动作逻辑控制模块中系统的动作；参数设置子模块用于设置系统的参数，可以通过它操作和显示工艺控制模块中的工艺参数，包括产品信息参数和手动设置的工艺参数，；诊断报警子模块用于系统状态的监控，故障的诊断与报警等；数据库子模块记录存储产品信息参数和直度参数。

所述的动作逻辑控制模块包括手动操作子模块、半自动操作子模块和全自动操作子模块。手动操作子模块中，系统不接受任何信息，完全由操作人员控制动作；半自动操作子模块将生产过程分为四个阶段——上料、检测、矫直、下料，半自动操作即自动执行一个阶段的动作。全自动操作子模块实现了检测矫直的一体化控制。

与现有技术相比，本发明具有显著的优点：(1)适应复杂的工作环境，适用多种操作方式，有很好的可靠性。(2)利用多传感器信息融合技术，达到很高的检测、矫直精度，检测精度可达0.1mm(3)有更高的生产效率。本发明有效地解决了钻杆直度检测与矫直系统中系统稳定性、检测矫直精度以及生产节拍三者的矛盾，达到检测矫直一体化控制的目的。

附图说明

图1本发明系统结构框图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括信号采集与处理模块、工艺控制模块、人机界面模块和动作逻辑控制模块。信号采集与处理模块负责信息发获取与处理，它利用传感器实时采集距离、压力等信号，并通过A/D(模拟/数字)转换得到数字信号，再经过数字滤波得到所需的信息。这些信息传递到工艺控制模块，工艺控制模块将这些信息转化为工艺控制信息，如直度检测结果、矫直进给量等。随后，工艺控制模块将工艺控制信息传递到动作逻辑控制模块来执行检测、矫直工艺，同时也传递到人机界面模块予以实时显示。操作人员也可以根据不同的生产条件和要求，通过对人机界面模块的操作来调整工艺控制模块中的工艺参数，从而输出不同的工艺控制信息。动作逻辑控制模块通过逻辑控制的方式对电机、液压缸、气缸等执行元件进行动作的控制。动作逻辑控制模块可以通过人机界面模块实时显示系统动作状态，也可以在人机界面模块对系统的动作进行操作。

1.信号采集与处理模块，包括激光位移传感子模块、光电传感子模块、角度传感子模块、压力传感子模块和接触式位移传感子模块。传感器将物理量转换为电信号，然后由接口模块完成A/D转换，再经由处理软件完成数据的预处理。在信号采集与处理模块之中，各个子模块之间没有相互的作用，仅将各自的信息传递到工艺控制模块。

a)激光位移传感子模块，选用激光位移传感器，检测精度0.02mm，接口模块选用中型PLC(可编程控制器)的模拟量输入模块。在上位机中使用脚本语言编写检测数据预处理。

b)光电传感子模块，选用光电开关完成对钻杆定位信号的检测。钻杆有上料位、下料位、前端检测位、后端检测位、前端矫直位和后端矫直位。前端检测为和后端检测位分别有精定位和粗定位光电开关。接口模块是中型PLC的数字量输入模块。

c)角度传感子模块，选用旋转编码器，通过压轮作用在钻杆圆周上，从而在钻杆旋转过程中获取其周向角度位置。接口模块是中型PLC的模拟量输入模块，利用PLC中断实现钻杆的周向定位。这样能保证较高的定位精度，定位精度3度以内。

d)压力传感子模块，选用压力传感器，检测液压系统的压力。由于油缸与钻杆接触的瞬间系统压力会迅速变化，由此来判断油缸与钻杆是否接触，同时也对液压系统进行压力保护。接口模块是中型PLC的模拟量输入模块。使用压力传感的优点在于可以适应不同直度的钻杆，根据不同的钻杆使用相应的压矫起始点。其重复定位精度在1mm以内。

e)接触式位移传感子模块，利用接触式位移传感器检测并控制油缸的矫直行程。接口模块是中型PLC的模拟量输入模块。

2.工艺控制模块，是基于上位机硬件平台和组态软件平台开发的用于系统工艺控制的模块。它基于脚本语言编写检测和矫直的工艺，其中涉及的工艺参数可通过人机界面进行交互。工艺控制模块包括检测工艺模块和矫直工艺模块。

a)检测工艺模块，经过激光位移传感子模块和角度传感子模块预处理的数据传递到检测工艺模块，在检测工艺子模块中进行数据曲线的拟合，然后对曲线特征提取，综合出钻杆的直度参数。直度参数传递到人机界面模块的主监控子模块中显示，同时在检测工艺子模块中进行合格与否的判断，并把结果输送到动作逻辑控制模块进行不同的操作。

b)矫直工艺模块，钻杆的直度参数输送到矫直工艺子模块，根据直度参数、钻杆产品参数以及预先设置的工艺参数计算输出油缸的进给量，并传递到动作逻辑控制模块。产品信息参数和矫直工艺参数可以在人机界面模块的参数设置子模块进行修改。钻杆经压矫后复检，利用矫直工艺模块中的矫直参数自学习功能又自动地调整工艺参数，实现工艺参数的优化，提高矫直一次成功率。无须操作人员调整参数，实现了智能化和自动化。

3.人机界面模块，是基于上位机硬件平台和组态软件平台开发的用于人机交互的模块。包括主监控子模块、参数设置子模块、诊断报警子模块及数据库子模块。通过人机界面模块可全面地了解系统的信息状态，实现对系统运行的全程监控。

a)主监控子模块，可实时监视传感器的信号状态，了解生产过程，检测完毕后显示出钻杆的直度参数，还可通过主监控子模块对动作逻辑模块进行操作。

b)参数设置子模块，通过此模块对工艺控制模块中的矫直工艺参数以及产品信息参数进行设置和查看。

c)诊断报警子模块，对系统状态进行监控，发生故障后可显示出故障位置和相应的处理方法。

d)数据库子模块，记录全部产品的基本信息和直度参数，可查询、输出，为产品质量提供保障。

4.动作逻辑控制模块，通过逻辑控制的方式对电机、液压缸、气缸等执行元件进行动作的控制。它可以通过人机界模块面对其进行直接的控制，也可以通过工艺控制模块对其进行间接控制。动作逻辑控制模块包括手动操作子模块、半自动操作子模块和全自动操作子模块。手动操作子模块中，系统不接受任何信息，完全由操作人员控制动作，半自动操作子模块将生产过程分为上料、检测、矫直、下料四个阶段，半自动操作即自动执行一个阶段的动作，全自动操作子模块实现了检测矫直的一体化控制。

Claims (5)

1.一种钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，其特征在于，包括信号采集与处理模块、工艺控制模块、人机界面模块和动作逻辑控制模块，其中：

所述信号采集与处理模块负责信息发获取与处理，它利用传感器实时采集距离、压力信号，并通过A/D转换得到数字信号，再经过数字滤波得到所需的信息，这些信息传递到工艺控制模块；

所述工艺控制模块将信号采集与处理模块发送的信息转化为工艺控制信息，并将工艺控制信息传递到动作逻辑控制模块来执行检测、矫直工艺，同时也传递到人机界面模块予以实时显示；

所述人机界面模块提供了操作人员与系统交互的平台，操作人员根据生产条件和要求通过对人机界面模块的操作来调整工艺控制模块中的工艺参数，从而输出工艺控制信息；

所述动作逻辑控制模块通过逻辑控制的方式对执行元件进行动作的控制，并通过人机界面模块实时显示系统动作状态，或在人机界面模块对系统的动作进行操作。

2.根据权利要求1所述的钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，其特征是，所述的信号采集与处理模块包括如下子模块：激光位移传感子模块、光电传感子模块、角度传感子模块、压力传感子模块和接触式位移传感子模块，激光位移传感子模块负责钻杆直度检测过程中距离信息的获取与处理，光电传感子模块用于钻杆轴向输送定位，角度传感子模块用于钻杆的周向定位，压力传感模块用于矫直过程中对液压系统压力的检测，接触式位移传感子模块用于矫直过程中液压缸行程的检测控制，这些子模块得到的信息通过A/D转换、数字滤波预处理得到能为工艺控制模块利用的信息。

3.根据权利要求1所述的钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，其特征是，所述的工艺控制模块包括检测工艺子模块和矫直工艺子模块，检测工艺子模块将信号采集与处理模块预处理过的激光位移传感数据进行正弦曲线拟合，将此曲线的幅值作为钻杆的直度参数，直度参数是评介钻杆合格与否的重要参数，也是矫直工艺子模块所需的输入参数；矫直工艺子模块根据直度参数、产品信息参数和矫直工艺得到工艺控制信息，矫直工艺子模块还有自学习功能，能根据复检的直度参数自动地调整其矫直工艺。

4.根据权利要求1所述的钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，其特征是，所述的人机界面模块包括主监视子模块、参数设置子模块、诊断报警子模块及数据库子模块，主监视子模块实时显示系统的工作状态、传感器信号以及系统的动作，通过该模块操作和显示动作逻辑控制模块中系统的动作；参数设置子模块用于设置系统的参数，通过该模块操作和显示工艺控制模块中的工艺参数，包括产品信息参数和手动设置的工艺参数；诊断报警子模块用于系统状态的监控，故障的诊断与报警；数据库子模块记录存储产品信息参数和直度参数。

5.根据权利要求1所述的钻杆直度自动检测与矫直一体化控制系统，其特征是，所述的动作逻辑控制模块包括手动操作子模块、半自动操作子模块和全自动操作子模块，手动操作子模块中，系统不接受任何信息，完全由操作人员控制动作，半自动操作子模块将生产过程分为四个阶段即上料、检测、矫直、下料，半自动操作自动执行一个阶段的动作，全自动操作子模块实现了检测矫直的一体化控制。