CN103268088A

CN103268088A - 成套钻机远程在线监测及故障诊断系统

Info

Publication number: CN103268088A
Application number: CN2013101435538A
Authority: CN
Inventors: 张鹏飞; 丛万生; 栾苏; 于兴军; 何鸿
Original assignee: Baoji Oilfield Machinery Co Ltd
Current assignee: Baoji Oilfield Machinery Co Ltd
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明公开了一种成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，包括钻机现场子系统、钻井公司子系统、移动监测子系统、远程监测中心子系统；钻机现场子系统的结构是，现场无线3G通过现场3G路由器与现场防火墙输入端连接，无线卫星天线通过现场交换机与现场防火墙另一输入端连接，现场防火墙的输出端与现场服务器及各个采集单元同时连接；远程监测中心子系统结构是，包括监测中心防火墙一路通过监测中心3G路由器与监测中心无线3G连接；监测中心防火墙另一路与监测中心路由器、监测中心交换机连接，监测中心交换机与Web服务器、数据库服务器、应用服务器及工作站连接。本发明的系统，能够实现远程在线监测及维修处理。

Description

成套钻机远程在线监测及故障诊断系统

技术领域

本发明属于远程在线监测及故障诊断技术领域，具体涉及一种成套钻机远程在线监测及故障诊断系统。

背景技术

目前石油钻机保有量很大，数量连年增长，分布范围很广。由于钻机常在野外偏僻、通信不便、交通困难且经常搬家的场合中应用，制造商无法掌握钻机实际运行状况，现场钻机使用、维护等方面出现的问题得不到及时预警、提示和有效帮助，有可能造成巨大的经济损失和人身伤害。同时制造商不能实时跟踪所销售的设备，在制造、使用、维护等方面的经验和优势不能及时体现在钻机现场的日常应用与服务之中。

现有技术中成套钻机远程在线监测及故障诊断还存在三大技术难题，即成套钻机的大量数据的采集和处理效率低；故障的识别判断和故障诊断的预见性和准确性不够；无线远程监测与故障诊断处于空白状态。无论油田用户还是制造商都渴望实现对野外钻机进行有效监测，实现对钻机的钻井泵、转盘、绞车、电控、钻井仪表、常用机械设备等多个设备实时在线状态参数监测和故障识别诊断，提前预防设备故障的发生，指导故障排除，保证设备正常工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，解决了现有技术中成套钻机的大量数据的采集和处理效率低；故障的识别判断和故障诊断的预见性和准确性不够；无线远程监测与故障诊断空白的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，包括钻机现场子系统、钻井公司子系统、移动监测子系统、远程监测中心子系统，

所述的钻机现场子系统的结构是，包括无线卫星天线和现场无线3G，现场无线3G通过现场3G路由器与现场防火墙输入端连接，无线卫星天线通过现场交换机与现场防火墙另一输入端连接，现场防火墙的输出端与现场服务器及各个采集单元同时连接；

所述的远程监测中心子系统结构是，包括与Internet联网的监测中心防火墙，监测中心防火墙一路通过监测中心3G路由器与监测中心无线3G连接；监测中心防火墙另一路通过监测中心路由器与监测中心交换机连接，监测中心交换机再与Web服务器、数据库服务器、应用服务器及多个工作站同时连接。

本发明的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征还在于：所述的钻井公司子系统结构是，包括与互联网连接的钻井公司交换机，钻井公司交换机再与钻井公司防火墙相连，钻井公司防火墙与钻井公司服务器、多个监测站同时连接。

本发明的有益效果是：首先，提高设备的管理水平及设备运行的可靠性和稳定性。其次，避免发生重大事故，降低故障的危害性，保证人身安全和设备的安全，避免了不必要的经济损失。再次，故障诊断可以更准确、更及时的发现故障，使得零部件的寿命得到充分的应用，延长检测周期，提高维修的精度和速度，降低维修费用，获得最佳经济效益。最后，推动石油行业设备维修制度的改革，改变既不安全也不经济的事后维修制度和经济型和灵活性差的定期预防维修制度，取而代之的是预知维修制度，在远程实时在线监测的基础上，根据设备运行状态的监测结果来决定维修时间，针对性强，灵活性好。

附图说明

图1是本发明成套钻机远程在线监测及故障诊断系统的拓扑图；

图2是本发明系统中的钻机现场子系统现场服务器连接结构示意图；

图3是本发明系统中的防爆采集箱内部及安装结构示意图；

图4是本发明系统中的现场数据采集处理系统供电结构示意图；

图5是本发明系统中的远程监测中心子系统工作流程示意图；

图6是本发明系统中的后台故障诊断子系统工作流程示意图。

图中，1.无线卫星天线，2.现场无线3G，3.现场3G路由器，4.现场防火墙，5.现场交换机，6.现场服务器，7.采集单元，8.3G基站，9.手机，10.笔记本电脑，11.卫星，12.监测中心防火墙，13.监测中心路由器，14.监测中心3G路由器，15.监测中心无线3G，16.监测中心交换机，17.Web服务器，18.数据库服务器，19.应用服务器，20.工作站，21.钻井公司交换机，22.钻井公司防火墙，23.钻井公司服务器，24.监测站，25.现场工程师站，26.视频采集与处理器，27.防爆采集箱，28.摄像头，29.振动传感器及温度传感器，30.电控参数采集接口，31.GPS定位模块，32.PC104主板，33.信号调理模块，34.数据采集卡，35.电源模块，36.J45接口，37.过流过压保护，38.AC-DC模块，39.滤波电路a，40.DC-DC模块a，41.DC-DC模块b，42.滤波电路b，43.滤波电路c。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，包括钻机现场子系统、钻井公司子系统、移动监测子系统、远程监测中心子系统组成，远程监测中心子系统中还预存有后台故障诊断的软件程序。

各个钻机现场子系统实时采集现场各类信号，采用了无线3G网和无线卫星网的双网冗余通讯方式，通过远程通讯网络把信号送至远程监测中心子系统存储及显示。采用了ICP型一体化加速度传感器的电源、信号分离和信号调理电路，实现了前端数据采集单元的防爆设计、双向串口通讯和数据交换；后台故障诊断子系统通过提取分析远程监测中心子系统的数据，得出故障诊断报告，根据需要把诊断报告送至各个钻机现场子系统和钻井公司子系统，钻井公司子系统、移动监测子系统能够通过浏览器模式，实时访问现场服务器中的数据库，实现对现场设备的实时监测，指导现场使用和设备维护。

参照图1，钻机现场子系统根据钻机单元的数量对应设置，每个钻机现场子系统的结构是，包括与卫星通讯网联网进行联网的无线卫星天线1和现场无线3G2，现场无线3G2通过现场3G路由器3与现场防火墙4输入端连接，无线卫星天线1通过现场交换机5与现场防火墙4另一输入端连接，现场防火墙4的输出端与现场服务器6及现场设置的各个采集单元7同时连接，各个采集单元7分别用于采集绞车振动、泥浆泵振动、电控参数以及音频视频等现场实时的工作数据。

参照图2，现场服务器6同时与多个现场工程师站25（图中显示了两个）、视频采集与处理器26、防爆采集箱27、电控参数采集接口30和GPS定位模块31分别对应连接，现场服务器6另外还同时与无线卫星天线1、现场无线3G2进行联网；视频采集与处理器26与各个摄像头28连接，防爆采集箱27与振动传感器及温度传感器29（均属于防爆传感器）连接；电控参数采集接口30采集的参数包括钻井参数、辅助设备参数、电控设备参数、柴油机设备参数等。

钻机现已配备的监测对象包括钻井参数、辅助设备参数、电控设备参数、柴油机设备参数等，这些信号不需要重复采集，只需要通过对应的电控参数采集接口30即可实现信号共享，送至现场服务器6。GPS定位模块31直接与现场服务器6相连实现对钻机的经纬度定位。视频信号也是钻机已配备的采集单元，通过视频采集与处理器26的接口可实现视频信号的采集和远传。防爆采集箱27采集的信号包括有绞车、转盘、泥浆泵三大设备的轴承、齿轮、导板等处的振动、温度信号，用于评估机械故障。多个现场工程师站25通过访问钻井的现场服务器6即可实时查看数据，实现设备的监测。现场服务器6的数据通过防火墙、路由器实现与无线3G网和卫星通讯网的通讯。

移动监测子系统结构是，包括手机9和（或）笔记本电脑10，采用手机9通过3G基站8与互联网连接，笔记本电脑10与互联网连接，实现移动过程中的监测。

远程监测中心子系统结构是，包括与Internet联网的监测中心防火墙12，监测中心防火墙12一路通过监测中心3G路由器14与监测中心无线3G15连接；监测中心防火墙12另一路通过监测中心路由器13与监测中心交换机16连接，监测中心交换机16再与Web服务器17、数据库服务器18、应用服务器19及多个工作站20（图中的1-n个）同时连接。

监控中心交换机16将Web服务器17、数据库服务器18、应用服务器19、多个工作站20组成一个内部局域网，实现信号通讯。Web服务器17用于实现系统的B/S模式，应用服务器19与液晶显示屏相连，实现系统的实时监测和显示。各个工作站20供各级监测和维护人员使用，负责不同钻机单元的监测和诊断，出具诊断分析报告。

钻井公司子系统结构是，包括与互联网连接的钻井公司交换机21，钻井公司交换机21再与钻井公司防火墙22相连，钻井公司防火墙22与钻井公司服务器23、多个监测站24（图中的1-3个）同时连接，钻井公司服务器23、多个监测站24通过内部交换机就可以构建钻井公司内部的局域网络，实现对现场多台钻机的实施监测。

参照图3，防爆采集箱27的结构是，包括电源模块35，电源模块35通过供电接口与220VAC交流电源连接；电源模块35的两个输出端分别与PC104主板32和信号调理模块33连接，信号调理模块33通过各个传感器接口与防爆传感器（即振动传感器及温度传感器29）对应连接，信号调理模块33输出端通过数据采集卡34与PC104主板32信号输入接口连接，PC104主板32通过信号输出接口与现场服务器6连接。

防爆采集箱27的工作原理是，220VAC交流电源通过供电接口进入防爆采集箱27中的电源模块35，电源模块35分别输出+5V电压和+24V电压，+5V电压输出给PC104主板32供电，+24V电压输出给信号调理模块33及振动传感器及温度传感器29（即图中的防爆传感器）供电。设置在现场的各个防爆传感器通过传感器接口将采集信号送至信号调理模块33中，信号调理模块33对各个信号进行滤波、放大转换为标准信号送至数据采集卡34中，数据采集卡34再将采集来的标准信号送至PC104主板32，转换为标准计算机接口，通过信号输出接口将信号送至现场服务器6，实现现场信号的采集和存储。

如图4所示，电源模块35的结构是，包括与220VAC交流电源连接的J45接口36，J45接口36与过流过压保护37（或称为过流过压保护电路）、AC-DC模块38、滤波电路a39、DC-DC模块a40依次连接；DC-DC模块a40通过滤波电路b42与信号调理模块33的供电接口连接；DC-DC模块a40另外通过DC-DC模块b41、滤波电路c43与PC104主板32的供电接口连接。

电源模块35的工作过程是，AC220V交流电源通过J45接口36进入电源模块35，通过过流过压保护37，将电送至AC-DC模块38，把220V交流电源转换为直流电，通过滤波电路a39把电送至DC-DC模块a40，把直流电转换为标准24V的直流电，再经过滤波电路b42，把电送至信号调理模块33供电接口实现对信号调理模块及其传感器的供电；另外一路，通过DC-DC模块b41将24V直流电转换为5V的直流电，经过滤波电路c43将电送至PC104主板32的供电接口实现对PC104主板32的供电。

如图5所示，远程监测中心子系统工作流程是，通过卫星和无线3G两种方式实现了钻井现场的远程监测和故障诊断。第一路数据通道，依次包括与现场服务器连接的现场数据接口、现场VPN路由器、现场3G数据网卡模块、3G信号基站、监测中心3G数据网卡模块、监测中心VPN路由器、监测中心数据接口构成；另一路数据通道，依次包括全自动的无线卫星天线、卫星信号基站、Internet端口构成；两路数据同时接入监测中心的防火墙12，监测中心的防火墙12通过监测中心的路由器13后与监测中心的交换机16连接，监测中心的交换机16分别与Web服务器17、数据库服务器18、应用服务器19及多个工作站20同时连接。

对于无线3G通讯方式而言，现场服务器6通过现场数据接口，把信号送至现场VPN路由器，通过现场3G数据网卡模块实现与3G信号基站的通讯，监测中心3G数据网卡模块通过3G信号基站获取数据，通过监测中心VPN路由器把信号送至监测中心数据接口，经过监测中心的防火墙、路由器、交换机，把信号送入监控中心的数据库服务器实现存储和备份。

对于无线卫星通讯方式而言，现场服务器6通过全自动的无线卫星天线实现与卫星信号基站的通讯，经过监测中心的Internet端口，通过监测中心的防火墙、路由器、交换机，把信号送入监控中心的数据库服务器实现存储和备份。

如图6所示，后台故障诊断子系统是一套包含有图谱分析、多种诊断算法、故障领域专家和故障诊断专家等模块组成的软件系统，预先设置在监控中心的应用服务器19中。

实时设备数据经过信号解码降噪分为三路，一路根据特征提取得到故障模式和原因分析，给出故障的风险评价和逻辑判断；第二路通过故障领域专家、知识获取系统、专家知识库得到解释程序；第三路通过故障诊断资料、知识获取系统、综合数据库得到另一套解释程序；将上述的三路结论再进行综合，最终出具故障诊断报告。

本发明系统中的各个监测模块灵活方便、通讯模块安全可靠、诊断模块功能强大，很好地满足了野外分散的钻机现场对于远程在线监测及故障诊断的需求，显著提高了工作效率，降低了设备的维护费用。

Claims

1.一种成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：包括钻机现场子系统、钻井公司子系统、移动监测子系统、远程监测中心子系统，

所述的钻机现场子系统的结构是，包括无线卫星天线（1）和现场无线3G（2），现场无线3G（2）通过现场3G路由器（3）与现场防火墙（4）输入端连接，无线卫星天线（1）通过现场交换机（5）与现场防火墙（4）另一输入端连接，现场防火墙（4）的输出端与现场服务器（6）及各个采集单元（7）同时连接；

所述的远程监测中心子系统的结构是，包括与Internet联网的监测中心防火墙（12），监测中心防火墙（12）一路通过监测中心3G路由器（14）与监测中心无线3G（15）连接；监测中心防火墙（12）另一路通过监测中心路由器（13）与监测中心交换机（16）连接，监测中心交换机（16）再与Web服务器（17）、数据库服务器（18）、应用服务器（19）及多个工作站（20）同时连接。

2.根据权利要求1所述的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：所述的钻井公司子系统的结构是，包括与互联网连接的钻井公司交换机（21），钻井公司交换机（21）再与钻井公司防火墙（22）相连，钻井公司防火墙（22）与钻井公司服务器（23）、多个监测站（24）同时连接。

3.根据权利要求1所述的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：所述的移动监测子系统的结构是，采用手机（9）通过3G基站（8）与互联网连接，或采用笔记本电脑（10）与互联网连接。

4.根据权利要求1所述的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：所述的现场服务器（6）同时与多个现场工程师站（25）、视频采集与处理器（26）、防爆采集箱（27）、电控参数采集接口（30）和GPS定位模块（31）分别对应连接，视频采集与处理器（26）与各个摄像头（28）连接，防爆采集箱（27）与振动传感器及温度传感器（29）连接。

5.根据权利要求4所述的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：所述的防爆采集箱（27）的结构是，包括电源模块（35），电源模块（35）通过供电接口与220VAC交流电源连接；电源模块（35）的两个输出端分别与PC104主板（32）和信号调理模块（33）连接，信号调理模块（33）与振动传感器及温度传感器（29）对应连接，信号调理模块（33）输出端通过数据采集卡（34）与PC104主板（32）信号输入接口连接，PC104主板（32）通过信号输出接口与现场服务器（6）连接。

6.根据权利要求5所述的成套钻机远程在线监测及故障诊断系统，其特征在于：所述的电源模块（35）的结构是，包括与220VAC交流电源连接的J45接口（36），J45接口（36）与过流过压保护（37）、AC-DC模块（38）、滤波电路a（39）、DC-DC模块a（40）依次连接；DC-DC模块a（40）通过滤波电路b（42）与信号调理模块（33）的供电接口连接；DC-DC模块a（40）另外通过DC-DC模块b（41）、滤波电路c（43）与PC104主板（32）的供电接口连接。