CN104680917B - 顶驱模拟系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶驱模拟系统及方法，模拟系统包括顶驱模拟操作设备、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，顶驱模拟操作设备与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；模拟方法包括S1：采集开关及旋钮状态数据；S2：数据发送至主控机；S3：主控机计算；S4：虚拟呈现。本发明提供了一种顶驱模拟系统及方法，该系统占地小，维护费用低，不易损坏，能提供全尺寸、全实物操作环境，采用严格井下数学模拟，符合真实工艺需求，同时系统具有顶驱工作原理3D动画展示功能，使受训学员能够更好的理解顶驱的工作原理和对易损部分的维护和保养方法。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井模拟领域，特别是一种顶驱模拟系统及方法。
背景技术
多年来，石油钻井一直是依靠钻机的转盘带动方钻杆和钻具、钻头旋转进行钻井作业的。近年来，随着钻井装备技术的不断发展，为了更好地满足钻特殊工艺井的需要，20世纪80年代，国外研制出一种将水龙头与马达相结合，在井架空间的上部带动钻具、钻头旋转，并可沿井架内安放的导轨向下送进的钻井装置，同时配备了钻杆的上、卸丝扣装置，可完成井下钻柱旋转、循环钻井液、钻杆上卸、起下钻、边起下边转动等操作。因该装置在钻机的游动滑车之下，驱动的位置比原转盘位置要高，所以称之为顶部驱动钻井装置。顶部驱动钻井装置可接立柱钻井，省去了转盘钻井时接、卸方钻杆的常规操作，节约钻井时间20%～25%，同时，减轻了工人劳动强度，减少了操作者的人身事故。使用顶部驱动装置钻井时，在起下钻具的同时可循环钻井液、转动钻具，有利钻井中井下复杂情况和事故的处理，对深井、特殊工艺井的钻井施工非常有利。
顶驱的优点促使其快速的在石油钻井业推广开来，顶驱的操作也成为石油钻井业从业者必须全面系统学习的知识。然而，对于油田新进员工或石油相关专业的学生，他们对钻井的过程、井下作业的步骤以及突发事故的处理都没有感性的认识，一旦出现操作失误或不慎，可能会引发重大事故，带来大量损失。因此钻井从业人员的岗前培训和专业技能学习十分重要，然而常规的课堂理论教学或实验室操作不够形象、逼真，不能直观地进行操作培训，使得培训效果差，达不到预期效果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种顶驱模拟系统及模拟方法，本发明的模拟系统占地小，维护费用低，不易损坏，提供全尺寸、全实物的操作环境，完全模拟真实系统，采用严格井下教学模拟，符合真实工艺需求，系统具有顶驱工作原理3D动画展示功能，使受训学员能够更好的理解顶驱的工作原理和对易损部分的维护和保养方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：顶驱模拟系统，它包括顶驱模拟操作设备、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，顶驱模拟操作设备与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
所述的顶驱模拟操作设备上设置有开关、指示灯、旋钮和扭矩表，PLC控制器上设置有用于循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据开关及旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机连接。
所述的顶驱模拟操作设备为顶驱操作台。
所述的虚拟呈现模块用于仿真钻井过程中的实际物理参数变化，使得学员的操作实时作用于对应模块，计算出对应参数。
所述的顶驱模拟操作设备为顶驱操作台，它包括箱体、手垫区和控制台面区，箱体的侧边设置有刹把安装座，刹把安装在刹把安装座上；
控制台面区上的元件按上、中、下排列，上部从左到右排列有：内防喷器指示灯、液压泵运行指示灯、回转头锁紧指示灯、吊环回转开关、吊环中位开关、刹车指示灯、就绪指示灯、故障/报警指示灯；中部从左到右排列有：内防喷器开关、液压泵运行开关、回转头紧锁开关、背钳开关、吊环倾斜开关、刹车开关、复位/静音开关、扭矩表和转速表；下部从左到右排列有：急停开关、辅助开关、风机开关、电机选择开关、操作选择开关、旋转方向开关、上扣扭矩限定旋钮、钻井扭矩限定旋钮和顶驱转速设定旋钮。
顶驱模拟方法，它包括如下子步骤：
S1：采集开关及旋钮状态数据：PLC控制器循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态；
S2：数据发送至主控机：PLC控制器通过串口将采集到的开关状态及旋钮状态数据发送给主控机；
S3：主控机计算：主控机根据开关状态和旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据；
S4：虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：
A、主控机将计算得到的指示灯状态、扭矩表数据回传给PLC控制器，PLC控制器对顶驱模拟操作设备上的指示灯、扭矩表进行相应控制；
B、主控机将计算得到的虚拟场景中设备工作状况数据发送给图形处理机，图形处理机根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种顶驱模拟系统及方法，该系统占地小，维护费用低，不易损坏，能提供全尺寸、全实物操作环境，完全模拟真实系统，提供逼真的环境声响及报警系统，能实时进行语音提示，采用严格井下数学模拟，符合真实工艺需求，同时系统具有顶驱工作原理3D动画展示功能，使受训学员能够更好的理解顶驱的工作原理和易损部分的维护和保养方法。
附图说明
图1为顶驱模拟系统框图；
图2为顶驱操作台结构图；
图3为顶驱操作台控制台面示意图；
图4为顶驱模拟方法流程图；
图中，1-箱体，2-控制台面区，3-手垫区，4-刹把安装座，5-刹把，6-内防喷器指示灯，7-液压泵运行指示灯，8-回转头锁紧指示灯，9-吊环回转开关，10-吊环中位开关，11-刹车指示灯，12-就绪指示灯，13-复位/静音开关，14-故障/报警指示灯，15- 扭矩表，16-转速表，17-顶驱转速设定旋钮，18-钻井扭矩限定旋钮，19-上扣扭矩限定旋钮，20-旋转方向开关，21-刹车开关，22-操作选择开关，23-电机选择开关，24-风机开关，25-辅助开关，26-急停开关，27-回转头紧锁开关，28-内防喷器开关，29-液压泵运行开关，30-背钳开关，31-吊环倾斜开关,32-检修盖；33-电源接口；34-散热窗。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，顶驱模拟系统，它包括顶驱模拟操作设备、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机、参数机和图形处理机，顶驱模拟操作设备与PLC控制器连接，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接；
所述的顶驱模拟操作设备上设置有开关、指示灯、旋钮和扭矩表，PLC控制器上设置有用于循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据开关及旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块。
它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机连接。
所述的顶驱模拟操作设备为顶驱操作台。
所述的虚拟呈现模块用于仿真钻井过程中的实际物理参数变化，使得学员的操作实时作用于对应模块，计算出对应参数。
如图2所示，所述的顶驱模拟操作设备为顶驱操作台，它包括箱体1、手垫区3和控制台面区2，箱体1的侧边设置有刹把安装座4，刹把5安装在刹把安装座4上；
如图3所示，控制台面区2上的元件按上、中、下排列，上部从左到右排列有：内防喷器指示灯6、液压泵运行指示灯7、回转头锁紧指示灯8、吊环回转开关9、吊环中位开关10、刹车指示灯11、就绪指示灯12、故障/报警指示灯14；中部从左到右排列有：内防喷器开关28、液压泵运行开关29、回转头紧锁开关27、背钳开关30、吊环倾斜开关31、刹车开关21、复位/静音开关13、扭矩表15和转速表16；下部从左到右排列有：急停开关26、辅助开关25、风机开关24、电机选择开关23、操作选择开关22、旋转方向开关20、上扣扭矩限定旋钮19、钻井扭矩限定旋钮18和顶驱转速设定旋钮17。
如图4所示，顶驱模拟方法，它包括如下子步骤：
S1：采集开关及旋钮状态数据：PLC控制器循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态；
S2：数据发送至主控机：PLC控制器通过串口将采集到的开关状态及旋钮状态数据发送给主控机；
S3：主控机计算：主控机根据开关状态和旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据；
S4：虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：
A、主控机将计算得到的指示灯状态、扭矩表数据回传给PLC控制器，PLC控制器对顶驱模拟操作设备上的指示灯、扭矩表进行相应控制；
B、主控机将计算得到的虚拟场景中设备工作状况数据发送给图形处理机，图形处理机根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况。
本发明的顶驱模拟系统能够提供顶驱动画展示，展示包括内防喷器、回转头、吊环倾斜和旋转机构的工作原理。能提供教学培训模式，在教学培训模式下，可以提示使用者顶驱的每一步工作步骤，让使用者能够快速掌握顶驱的使用方法。教学培训模式下提供了以下作业的操作：正常下钻，正常起钻，接顶驱，卸顶驱，正常钻进，提供了任意动操作模式，在任意动操作模式下，使用者完全不受限于预定的操作顺序和工艺流程，系统将针对使用者的任何操作作出相应的响应，包括错误操作，以模拟真实的顶驱操作状况；任意动操作模式下提供了以下两个作业的操作：起下钻操作和钻井操作。能提供系统自检，能够对顶驱操作台进行功能检查，以帮助系统判断故障的原因，在检查时，改变各个开关、旋钮的位置及状态，可以在与主控机相连的显示屏上显示相应的变化；可通过拖动仪表指针、输入显示数值等方法，观察各个显示部件是否工作正常。能够进行系统设置，包括系统各功能模块的校正和系统运行的设置。提供成绩管理功能块，用于班级信息管理，学员信息管理，成绩查询及打印。
Claims (3)
1.顶驱模拟系统，能提供全尺寸、全实物操作环境，完全模拟真实系统，该系统包括顶驱模拟操作设备、PLC控制器和控制单元，控制单元包括主控机和图形处理机，顶驱模拟操作设备与PLC控制器连接，所述的顶驱模拟操作设备上设置有开关、指示灯、旋钮和扭矩表，PLC控制器上设置有用于循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态的采集器；
所述的主控机上设置有用于根据开关及旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据的计算模块；
所述的图形处理机上设置有用于根据虚拟场景中设备工作状况数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况的虚拟呈现模块；所述的顶驱模拟操作设备为顶驱操作台，它包括箱体（1）、手垫区（3）和控制台面区（2），箱体（1）的侧边设置有刹把安装座（4），刹把（5）安装在刹把安装座（4）上；
控制台面区（2）上的元件按上、中、下排列，上部从左到右排列有：内防喷器指示灯（6）、液压泵运行指示灯（7）、回转头锁紧指示灯（8）、吊环回转开关（9）、吊环中位开关（10）、刹车指示灯（11）、就绪指示灯（12）、故障/报警指示灯（14）；中部从左到右排列有：内防喷器开关（28）、液压泵运行开关（29）、回转头紧锁开关（27）、背钳开关（30）、吊环倾斜开关（31）、刹车开关（21）、复位/静音开关（13）、扭矩表（15）和转速表（16）；下部从左到右排列有：急停开关（26）、辅助开关（25）、风机开关（24）、电机选择开关（23）、操作选择开关（22）、旋转方向开关（20）、上扣扭矩限定旋钮（19）、钻井扭矩限定旋钮（18）和顶驱转速设定旋钮（17）；
该系统的模拟方法包括如下子步骤：
S1：采集开关及旋钮状态数据：PLC控制器循环采集顶驱模拟操作设备上开关状态及旋钮状态；
S2：数据发送至主控机：PLC控制器通过串口将采集到的开关状态及旋钮状态数据发送给主控机；
S3：主控机计算：主控机根据开关状态和旋钮状态数据，通过数学模型计算出指示灯状态、扭矩表数据、虚拟场景中设备工作状况数据、流动情况数据；
S4：虚拟呈现，它包括以下两个子步骤：
A、主控机将计算得到的指示灯状态、扭矩表数据回传给PLC控制器，PLC控制器对顶驱模拟操作设备上的指示灯、扭矩表进行相应控制；
B、主控机将计算得到的虚拟场景中设备工作状况数据发送给图形处理机，图形处理机根据此数据呈现模拟的现场实景及设备工作情况；
其特征在于：该系统还包括参数机，PLC控制器通过串口与参数机连接，参数机和图形处理机分别通过通讯网络与主控机连接。
2.根据权利要求1所述的顶驱模拟系统，其特征在于：它还包括投影系统，投影系统包括投影仪和与投影仪相配合的投影幕布，投影仪与图形处理机连接。
3.根据权利要求1所述的顶驱模拟系统，其特征在于：所述的虚拟呈现模块用于仿真钻井过程中的实际物理参数变化，使得学员的操作实时作用于对应模块，计算出对应参数。
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