CN101241003B - 钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测技术领域的钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统，其中：设备故障诊断模块对整个钻杆直度自动检测矫直装置进行诊断，并把结果发送到系统状态监视模块，检测异常处理模块对检测的数据和时间进行分析和处理，保证检测数据的正确和检测结果的有效；所述矫直失控预防模块对液压系统的压力和矫直行程进行控制，设备故障诊断模块会与检测异常处理模块和矫直失控预防模块并行执行，最后将信息输出到系统状态监视模块，系统状态监视模块是整个系统与操作人员进行交互的平台，在此可监视系统的状态。本发明具备状态故障自诊断和预警、报警功能，对系统工作的可靠、安全运行提供实时保障。

Description

钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统

技术领域

本发明涉及一种检测技术领域的状态监测与故障诊断系统，具体是一种钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统。

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。

然而，大型钢管生产现场环境复杂，且一般要求24小时不停机，经常出现如机械设备卡死、过度磨损等情况；电气设备出现过热、信号受干扰等情况；而操作人员也会因疲劳和环境影响而误操作。一旦发生故障而停工，就意味着巨大的经济损失，甚至有可能威胁人员安全。所以，对钻杆直度检测矫直过程进行状态检测和故障诊断已成为一项重要的技术。现有的设备维护都是在出现故障以后抢修，或是在并不了解设备状况的时候凭经验采取一些维护措施。显然这样的维护已经不能满足现代生产的要求。

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。此专利矫直对象是轴件，矫直机构是电机驱动。此专利介绍了矫直的方法和装置，其维护系统方法简单，无法适应大批量、大型钻杆生产的要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统，使其具备状态故障自诊断和预警、报警功能，对系统工作的可靠、安全运行提供实时保障，并对故障的发现和恢复提供快速向应，以求最大程度地减少设备故障发生的几率及其导致的损失。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下四个模块：设备故障诊断模块、检测异常处理模块、矫直失控预防模块、系统状态监视模块。设备在待机状态以及手动运行过程中，设备故障诊断模块开始运行，对整个钻杆直度自动检测矫直装置进行诊断，并把结果发送到系统状态监视模块，如此循环执行。检测异常处理模块在钻杆的直度检测过程中，对检测的数据和时间进行分析和处理，保证检测数据的正确和检测结果的有效。矫直失控预防模块在钻杆矫直的过程中，为防止矫直的失控，对液压系统的压力和矫直行程进行控制。设备故障诊断模块会与检测异常处理模块和矫直失控预防模块并行执行，最后将信息输出到系统状态监视模块，如此循环执行。系统状态监视模块是整个系统与操作人员进行交互的平台，操作人员在此可监视系统的状态。

所述的设备故障诊断模块包括设备防干涉子模块和设备动作互锁子模块。设备防干涉子模块主要用于防止机械上的干涉碰撞损坏设备。设备动作互锁子模块是在控制程序中对设备的动作指令进行互锁，避免操作人员的误操作导致设备以及钻杆的损坏。这两个子模块都是基于对传感器信号的识别，不同的是设备防干涉子模块检测的是位移信号，要通过模拟/数字转换后传递到控制器；而设备动作互锁子模块检测的是直接的逻辑信号，一个动作的执行往往要求多个动作的互锁，关系比较复杂。

所述的检测异常处理模块包括数据异常处理子模块和时间异常处理子模块。生产现场环境复杂，直度的检测数据容易受噪声干扰，检测架的刚性和调整都对检测数据有影响。异常处理子模块对检测数据进行去尖峰处理、平滑滤波处理和消除趋势项处理，得到比较理想的检测数据。若处理后数据仍然不理想，模块将通知系统状态监视模块进行报警。时间异常处理子模块对检测时间进行限制和监测，如检测超时则可能出现通讯故障或其他错误，模块将进一步分析并通知系统状态监视模块。这两个子模块并行运行。

所述的矫直失控预防模块包括传感器信号自检子模块、矫直压力控制子模块以及矫直行程控制子模块。压力矫直过程中矫直液压缸压力很大，而矫直液压缸的行程很短，所以必须对矫直过程进行严格的监控，以免损坏设备和钻杆。传感器信号自检子模块将对矫直传感器(主要是矫直压力传感器和矫直位移传感器)的信号进行实时的监测，若发现异常则报警。矫直压力控制子模块是在矫直的过程中对矫直压力进行限制，而矫直行程控制子模块是对矫直行程控制。前者主要保护设备，后者主要保护钻杆，两者并行运行。

所述的系统状态监视模块包括以下子模块：传感器信号显示子模块、检测数据可视化子模块、历史数据记录子模块及动作条件显示子模块。传感器信号显示子模块实时显示了各个动作传感器的信号状态。检测数据可视化子模块能将检测到的数据以图形的方式直观地显示，直接反映了数据质量以及钻杆直度检测结果。历史数据记录子模块记录了生产的每一个钻杆产品信息(包括直度检测结果)，也记录了设备的异常和报警，可随时查看和跟踪。在动作条件显示子模块中，实时显示了每个动作的互锁条件满足情况。

本发明综合了多传感器融合技术、智能控制技术和计算机技术，总体上实现了钻杆直度自动检测矫直状态检测与故障诊断，极大地减小了故障的发生频率，保障了设备、钻杆产品和相关人员的安全，降低了维护工作量和维护成本，从而提升了生产企业的竞争力。

附图说明

图1为本发明的结构框图

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，本状态检测与故障诊断系统包括如下四个模块：设备故障诊断模块、检测异常处理模块、矫直失控预防模块、系统状态监视模块。设备在待机状态以及手动运行过程中，设备故障诊断模块开始运行，对整个钻杆直度自动检测矫直装置进行诊断，并把结果发送到系统状态监视模块，如此不断循环执行。在自动运行过程中，在检测过程中系统执行检测异常处理模块，到了矫直过程执行矫直失控预防模块，而设备故障诊断模块会与检测异常处理模块和矫直失控预防模块并行执行，最后将信息输出到系统状态监视模块，如此不断循环执行。

1.设备故障诊断模块，对整个设备的运行进行故障的判别和分析，并将错误信息传递到系统状态监视模块中予以显示。它包括设备防干涉子模块和设备动作互锁子模块。这两个子模块同时并行运行，防止了机械上的错误动作。

a)设备防干涉子模块，在设备容易发生干涉的部位加装激光位移传感器，传感器的信号经模/数转换把位移信息传递到可编程控制器(PLC)。PLC不断扫描此位移信息，若有其他物体接近到一定程度，即位移小于一定值，系统发出报警信号并通知系统状态监视模块。

b)设备动作互锁子模块，在PLC中每个动作的触发信号前添加互锁条件，防止发生误操作。如在钻杆输送的过程中，其互锁条件包括检测架不能下降、上、下料板不能翻起、不能进行矫直进给等。如不满足互锁条件，所进行的操作无效。

2.检测异常处理模块，在钻杆的直度检测过程中，对检测的数据和时间进行分析和处理，保证检测数据的正确，检测结果的有效。它包括数据异常处理子模块和时间异常处理子模块。这两个子模块间隔运行，并将错误信息传递到系统状态监视模块中。

a)数据异常处理子模块，利用C脚本语言在上位机中写入数据异常处理程序。首先进行尖峰的判别与去除，扫描数据中严重不连续的数据点，用其附近的正常数据点代替。在进行趋势项的判别与去除，若检测起点数据与终点数据相差过大，则将数据与一个线形序列作差，去除趋势项，并通知系统状态监视模块检测架机械系统的调整可能出现问题。

b)时间异常处理子模块，PLC编程语言在下位机中写入时间异常处理程序。检测过程分为若干个步骤，在每个步骤完成后增加稍许的时间延迟，以保障数据的传输。在每个步骤执行的同时会对该步骤的时间进行限制，若超时则可能上位机和下位机的通讯出现故障。同样，这些错误和故障将被传递到系统状态监视模块中予以显示。

3.矫直失控预防模块，在钻杆矫直的过程中，为防止矫直的失控，对液压系统的压力和矫直行程进行控制。使用PLC编程语言在下位机中写入矫直失控预防程序。矫直失控预防模块包括了传感器自检子模块、矫直压力控制子模块和矫直行程控制子模块。这几个子模块并行运行，并将错误信息传递到系统状态监视模块中。

a)传感器自检子模块，在待机状态下扫描矫直压力传感器和矫直位移传感器的数据。传感器信息经过模/数转换传递到PLC中，如果传感器数据异常，则有可能传感器发生故障，必须立即停机检查。

b)矫直压力控制子模块，在压力矫直过程中，对液压系统压力进行监控，若接近系统能所能承受的最大压力，则停机报警，并通过系统状态监视模块显示报警信息。

c)矫直行程控制子模块，在压力矫直过程中，对矫直的行程进行监控，若达到钻杆矫直的最大进给量，则停机报警，并通过系统状态监视模块显示报警信息。

4.系统状态监视模块，是本系统与操作人员进行交互的平台，操作人员在此可监视系统的状态——正常、预警和报警。其中预警表示不严重的、经过本系统的诊断和处理已解决的错误，它不影响设备的运行。报警表示出现较严重的故障，并将自动停机。本模块在上位机中利用组态软件设计，拥有友好的、图形化的界面。系统状态监视模块包括了以下子模块：传感器信号显示子模块、检测数据可视化子模块、历史数据记录子模块及动作条件显示子模块。

a)传感器信号显示子模块，在上位机中实时显示了设备所有传感器的信号状态，使操作人员了解传感器正常与否以及设备动作的状态。设备故障诊断模块和矫直失控预防模块的正常或错误信息传递到此子模块中。

b)检测数据可视化子模块，钻杆直度检测完成后，上位机中描绘了未经处理的直度检测数据曲线，操作人员可自主地判断检测数据异常与否、检测结果是否正确、甚至包括检测数据的通讯是否正常。检测异常处理子模块的正常或错误信息传递到此子模块中。

c)历史数据记录子模块，在上位机中建立产品数据库，保存所有生产钻杆的产品信息以及直度参数，并可随时查询、跟踪，使品质量得以保障。同时还建立了故障信息数据库，记录系统的预警和报警信息的级别，诊断结果，处理方法以及处理结果。

d)动作条件显示子模块，在上位机中实时显示设备每个动作的条件极其满足情况，若无法动作可查看动作条件，这样避免了复杂的动作互锁带来的操作不便，也方便操作人员排除故障。设备故障诊断模块的正常或错误信息传递到此子模块中。

本发明系统具备状态故障自诊断和预警、报警功能，对系统工作的可靠、安全运行提供实时保障，并对故障的发现和恢复提供快速响应，极大地减小了故障的发生频率，保障了设备、钻杆产品和相关人员的安全，降低了维护工作量和维护成本。

Claims (1)

1.一种钻杆直度自动检测矫直状态监测与故障诊断系统，其特征在于，包括如下四个模块：设备故障诊断模块、检测异常处理模块、矫直失控预防模块、系统状态监视模块，其中：钻杆直度自动检测矫直设备在待机状态以及手动运行过程中，所述设备故障诊断模块开始运行，对所述钻杆直度自动检测矫直设备进行诊断，并把结果发送到所述系统状态监视模块，所述检测异常处理模块在钻杆的直度检测过程中，对检测的数据和时间进行分析和处理，保证检测数据的正确和检测结果的有效；所述矫直失控预防模块在钻杆矫直的过程中，为防止矫直的失控，对液压系统的压力和矫直行程进行控制，所述设备故障诊断模块会与所述检测异常处理模块和矫直失控预防模块并行执行，最后将信息输出到所述系统状态监视模块，所述系统状态监视模块是整个系统与操作人员进行交互的平台，操作人员在所述系统状态监视模块处监视系统的状态；

所述设备故障诊断模块包括设备防干涉子模块和设备动作互锁子模块，所述设备防干涉子模块用于防止机械上的干涉碰撞损坏设备，所述设备动作互锁子模块是在控制程序中对设备的动作指令进行互锁，避免误操作导致设备以及钻杆的损坏，所述设备防干涉子模块和设备动作互锁子模块都是基于对传感器信号的识别，所述设备防干涉子模块检测的是位移信号，通过模拟/数字转换后传递到控制器，所述设备动作互锁子模块检测的是直接的逻辑信号，一个动作的执行要求多个动作的互锁；

所述检测异常处理模块包括数据异常处理子模块和时间异常处理子模块，所述数据异常处理子模块对检测数据进行去尖峰处理、平滑滤波处理和消除趋势项处理，若处理后数据仍然不理想，所述数据异常处理子模块将通知所述系统状态监视模块进行报警，所述时间异常处理子模块对检测时间进行限制和监测，如检测超时则可能出现通讯故障或其他错误，所述时间异常处理子模块将进一步分析并通知所述系统状态监视模块，所述数据异常处理子模块和时间异常处理子模块并行运行；

所述矫直失控预防模块包括传感器信号自检子模块、矫直压力控制子模块以及矫直行程控制子模块，所述传感器信号自检子模块将对矫直压力传感器和矫直位移传感器的信号进行实时的监测，若发现异常则报警，所述矫直压力控制子模块是在矫直的过程中对矫直压力进行限制，而所述矫直行程控制子模块是对矫直行程控制，所述矫直压力控制子模块保护设备，所述矫直行程控制子模块保护钻杆，所述矫直压力控制子模块和矫直行程控制子模块并行运行；

所述系统状态监视模块包括传感器信号显示子模块、检测数据可视化子模块、历史数据记录子模块以及动作条件显示子模块，所述传感器信号显示子模块实时显示了各个动作传感器的信号状态，所述检测数据可视化子模块能将检测到的数据以图形的方式直观地显示，直接反映了数据质量以及钻杆直度检测结果，所述历史数据记录子模块记录了生产的每一个钻杆产品信息，也记录了设备的异常和报警，供随时查看和跟踪，在所述动作条件显示子模块中，实时显示了每个动作的互锁条件满足情况。

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