CN105405350A - 一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油行业钻井作业培训技术领域，具体涉及到一种基于钻机设备与钻柱排管一体化钻井技术的模拟培训系统。其包括：钻机一体化智能排管虚拟模块、硬件设置和软件包，硬件设置包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；软件包包括：建模单元、交互单元、调试单元。它可在现场与实际设备进行无缝连接，安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空间限制，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，减小失误操作的可能性，提高培训的效果，减少现场培训的经济成本和安全风险。

Description

一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统

技术领域

本发明涉及石油行业钻井作业培训技术领域，具体涉及到一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统。

背景技术

目前，国内还没有针对钻机管柱一体化钻井技术的模拟培训系统。为了提高软件系统的稳定性、可修改性和重用性，人们提出了一种新的分析问题的方法——面向对象方法。面向对象的出发点和基本原则进行软件包的开发。利用C#语言在VisualStudio2010开发平台下，嵌入虚拟显示开发平台Unity3D的控件，设置好观看路径，对钻机的整体机构和局部细节进行认知学习。也可以通过界面上的按钮，选择观看钻机局部的某个部件，对其结构参数及电气参数进行学习。

但是由于现有的模拟的工艺流程没有包含钻机排管系统，拟培训的司钻操作人员培训操作不够系统全面，因此培训效果不能达到全面高效的要求，并且现有模拟培训如专利CN201510080931.1一种塔式起重机模拟培训系统，模拟设备没有与实际设备进行同步，无法使受训人员沉浸在高仿真的作业环境中。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供了一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，它可在现场与实际设备进行无缝连接，安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空间限制，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，以大屏幕投影方式展示现场场景，结合高仿真的现场音效，让学员对现场设备更加熟悉，减小失误操作的可能性，提高培训的效果，减少现场培训的经济成本和安全风险，能进行常规操作训练，又能进行提高应变能力处理各种事故的训练，其采用的技术方案如下：

一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，包括：

钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；

用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；

软件包，其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查联合调试的调试单元。

在上述技术方案基础上，所述软件包的实施包括以下步骤：

a)采用三维建模软件，完成钻机一体化智能排管装备机械零部件的三维建模，使用数值分析软件求解钻机动态参数，指导可视化系统的运动建模；

b)根据工艺流程对井场设备的动作设计及脚本编写，采用.NET架构C/S客户端方式作为三维仿真程序开发平台，完成钻机自动化处理虚拟现实软件包；

c)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示系统技术实现模拟真实操作环境的钻机自动化处理虚拟仿真修井平台场景；

d)由winform将数据采集板卡的DI数字输入量采集记录，再由winform传递给Unitywebplayer，从而控制unity中gameobject的动作，再将gameobject参数实时返回至winform中，实现虚拟设备的状态显示。

在上述技术方案基础上，所述的钻机钻台面机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆编码器进行SSI通信，与液压比例阀、液压电磁阀进行数字量模拟量通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机钻台面机械手3D虚拟模型数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

在上述技术方案基础上，所述的钻机二层台智能排管机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与夹爪上的接近开关进行通信，并通过可编程逻辑控制器约束防爆编码器与气动马达正转、反转的对应关系，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机二层台智能排管机械手3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

在上述技术方案基础上，所述的动力猫道机模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆电机、翻管液压缸电磁阀进行通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的动力猫道机3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

在上述技术方案基础上，所述的自行走液压大钳模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与液压马达、液压缸的比例阀进行通信，并实时反馈扭矩传感器值和接近开关的状态信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的自行走液压大钳3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

在上述技术方案基础上，所述的液压吊卡模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并实时接收持管状态检测的接近开关信号，以及发送吊卡开合液压缸控制信号、吊卡翻转液压缸控制信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的液压吊卡3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际液压吊卡保持动作一致。

在上述技术方案基础上，所述的控制台仪器仪表模块包括大钩悬重表、钻进钻压表、立管压力表、大钳扭矩表、钻台手位置指针、二层台排管系统的位置指针、二层台指梁管柱分布图、吊卡开合状态指示灯、吊卡前后翻转角度指示表和卡瓦开合指示灯，所述的钻台手位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示灯，所述的二层台排管系统位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示。

在上述技术方案基础上，所述软件包包括5种学习模式：道机送钻学习模式、猫道机甩钻学习模式、起钻排立柱学习模式、取立柱下钻学习模式、井场漫游学习模式。

在上述技术方案基础上，所述井场漫游模式包括手动漫游和自动漫游，手动漫游可以通过操作键盘以第一视角在井场漫游，包括攀爬钻台面、井架、二层台；自动漫游可以按照程序预先设定好的路径进行漫游。

本发明具有如下优点：本发明所搭建的钻机一体化装备的仿真平台，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，以大屏幕投影方式展示现场场景，结合高仿真的现场音效，让学员对现场设备更加熟悉，减小失误操作的可能性，提高培训的效果，减少现场培训的经济成本和安全风险。仿真模拟培训既能进行常规操作训练，又能进行提高应变能力处理各种事故的训练，它以安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空间限制。

该系统具备在现场与实际设备进行无缝连接，从而达到一套仿真设备操作虚拟环境中的设备和现实中的设备。

特别适合于对含有钻机排管一体化设备钻机司钻的培训需求，其高度集成、简单易用，可以方便快速的而无需重新开发或者改变。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明的钻机一体化装备模拟培训系统框架图；

图2为本发明的司钻操作台控制面板示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：

如图1和图2所示，一种钻机一体化装备模拟培训系统，其特征在于，包括：

钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；

用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；

可以理解的是所述硬件设置还可以包括操作座椅等，所述显示系统为工业显示器和/或环形投影系统，甚至可以为手机显示；

软件包,其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查联合调试的调试单元。

可选的，所述软件包的实施包括以下步骤：

a)采用三维数字建模软件，完成钻机一体化智能排管装备机械零部件的三维建模，使用数值计算软件求解钻机动态参数，指导可视化系统的运动建模；

b)根据工艺流程对井场设备的动作设计及脚本编写，采用.NET架构C/S客户端方式作为三维仿真程序开发平台，完成钻机自动化处理虚拟现实软件包；

c)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示系统技术实现模拟真实操作环境的钻机自动化处理虚拟仿真修井平台场景；

d)由winform将数据采集板卡的DI数字输入量采集记录，再由winform传递给Unitywebplayer，从而控制unity中gameobject的动作，再将gameobject参数实时返回至winform中，实现虚拟设备的状态显示。除了司钻房交互控制(左区、右区)，还有遥控器进行硬件交互，硬件DI、AI的点数大约40个。

优选的，所述的钻机钻台面机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆编码器进行SSI通信，与液压比例阀、液压电磁阀进行数字量模拟量通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机钻台面机械手3D虚拟模型数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

优选的，所述的钻机二层台智能排管机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与夹爪上的接近开关进行通信，并通过可编程逻辑控制器约束防爆编码器与气动马达正转、反转的对应关系，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机二层台智能排管机械手3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

优选的，所述的动力猫道机模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆电机、翻管液压缸电磁阀进行通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的动力猫道机3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

优选的，所述的自行走液压大钳模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与液压马达、液压缸的比例阀进行通信，并实时反馈扭矩传感器值和接近开关的状态信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的自行走液压大钳3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

优选的，所述的液压吊卡模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并实时接收持管状态检测的接近开关信号，以及发送吊卡开合液压缸控制信号、吊卡翻转液压缸控制信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的液压吊卡3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际液压吊卡保持动作一致。

优选的，所述的控制台仪器仪表模块包括大钩悬重表、钻进钻压表、立管压力表、大钳扭矩表、钻台手位置指针、二层台排管系统的位置指针、二层台指梁管柱分布图、吊卡开合状态指示灯、吊卡前后翻转角度指示表和卡瓦开合指示灯，所述的钻台手位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示灯，所述的二层台排管系统位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示。

优选的，所述软件包包括5种学习模式：猫道机送钻学习模式、猫道机甩钻学习模式、起钻排立柱学习模式、取立柱下钻学习模式、井场漫游学习模式。

(1)猫道机送钻学习模式

步骤1：首先，转换开关拨至动力猫道机RHC方向，操作猫道机进行上管作业，具体使用右侧双轴四位操纵杆拨至最左，使管从管架上主臂，操纵杆拨至最前端，小车带管上行送管至最前端，

步骤2：操作吊卡拨钮使吊卡扣合，左侧单轴两位操纵杆使大钩上提至管垂直于井口，大钩下行将钻杆送至井口内。

(2)猫道机甩钻学习模式

步骤1：转换开关拨至自行走液压大钳RHT方向，操作液压大钳进行上扣作业，具体使用右侧双轴四位操纵杆拨至最前，最左，是大钳抱住钻杆接箍；

步骤2：操作上扣卸扣拨钮拨至“卸扣”一侧，待卸扣完毕后，使大钳后退；

步骤3：操作左侧单轴二位操纵杆使大钩上提一段距离，并下降使钻杆送至猫道机小车上；

步骤4：转换开关拨至动力猫道机RHC方向，操作右侧操纵杆使小车后退、主臂下降、并翻管至动力管架上。

(3)起钻排立柱学习模式

步骤1：操作左侧操纵杆使大钩上提钻杆，直至钻杆下接箍露出井口；

步骤2：转换开关拨至自行走液压大钳RHT方向，操作液压大钳进行上扣作业，具体使用右侧双轴四位操纵杆拨至最前，是大钳抱住钻杆接箍；

步骤3：操作上扣卸扣拨钮拨至“卸扣”一侧，待卸扣完毕后，使大钳后退；

步骤4：转换开关拨至钻台面机械手RFM方向，操作右侧操纵杆使钻台面机械手前伸至井口，夹爪抓取钻杆，并旋转至左侧钻杆盒；

步骤5：操作左侧操纵杆使大钩下放，钻杆底部坐于钻杆盒上；

步骤6：转换开关拨至二层台机械手DBM方向，操作右侧操纵杆使机械手抓住钻杆，并旋转至左侧，把钻杆放入相应二层台指梁；

(4)取立柱下钻学习模式

步骤1：转换开关拨至钻台面机械手DBM方向，操作右侧操纵杆使钻台面机械手抓取相应指梁内的钻杆；

步骤2：转换开关拨至钻台面机械手RFM方向，操作右侧操纵杆使钻台面机械手前伸至左侧钻杆盒，夹爪抓取钻杆，大钩上提，并旋转至井口；

步骤3：转换开关拨至自行走液压大钳RHT方向，操作右侧操纵杆进行上扣作业；

步骤4：大钩下放，送钻杆至井口内。

(5)井场漫游模式包括手动漫游和自动漫游。“手动漫游”可以通过操作键盘以第一视角在井场漫游，包括攀爬钻台面、井架、二层台；点击“自动漫游”可以按照程序预先设定好的路径进行漫游。

进一步，所述井场漫游模式包括手动漫游和自动漫游，手动漫游可以通过操作键盘以第一视角在井场漫游，包括攀爬钻台面、井架、二层台；自动漫游可以按照程序预先设定好的路径进行漫游。

四位工业操纵杆a，四位旋钮切换b(1、2、3、4)，按钮c(一键回位),按钮d(急停)，拨钮(遥控/本地切换)；

(1)钻台面摆管机械手：操纵杆a(左转、右转、伸、缩、夹爪开、夹爪合)，按钮c(一键回位)；

(2)二层台智能排管系统：操纵杆a(左转、右转、伸、缩、夹爪开、夹爪合)，按钮c(一键回位)；

(3)自行走液压大钳：操纵杆a(左转、右转、前进、后退)，按钮c(一键回位)，按钮(上扣)，按钮(卸扣)；

(4)动力猫道机：操纵杆a(左：臂起升、右：臂下降、前：车前进、后：车后退)，按钮(翻管)；

整个平台采用Microsoft.NETFramework作为系统框架，前台场景设置和构建采用了当前流行的Maya软件和Unity3D引擎，后台数据存储采用当今SQLServer数据库。

系统数据通信采用基本SOAP的加密数据传输，使用C#程序采集和处理数据，数据显示层基于微软的WinForm技术，结合ADO.NET技术动态访问数据库。

采用Unity技术，将Unity嵌入.NET平台，通过数据采集板卡与实体输入设备进行实时交互，实时渲染效果出色，而且将来无需大多代码改动，即方便在手机客户端进行发布并与司控室进行交互。

平台的所有数据访问通过业务访问模块，统一与通用数据访问单元进行交互，保证数据访问的统一性、唯一性，从而保证数据有安全性、有效性、合理性。此外，平台将预留相关的业务接口及扩展接口，以便后期业务扩展或第三方系统的数据导入/导出使用。

采用Unity技术构建实时三维动画互动内容，它是基于多平台的综合型游戏开发工具，将Unity嵌入.NET平台，通过数据采集板卡与实体输入设备进行实时交互，实时渲染效果出色，而且将来无需大多代码改动，即方便在手机客户端进行发布并与司控室进行交互。

界面展示分五个区：

(1)司钻房角度画面(主画面)

(2)摄像取景区(一共有四个摄像画面，分别是猫道机取景摄像头、二层台取景摄像头、二层台机械手摄像头、钻台机械手摄像头)

(3)钻井仪表参数区(游车高度、游车速度、悬重、转盘启停状态等)

(4)设备状态指示区(动力猫道、钻台面机械手、二层台机械手等工作状态)

(5)二层台管柱矩阵分析，用来模拟机器视觉对二层台指梁内的管柱进行分析。

按照表1的控制逻辑表把各变量分配到对应的信号线上，并将所采集的数据传给业务交互层。

表1控制逻辑表

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的原理或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，包括：

钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；

用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；

软件包，其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查联合调试的调试单元。

2.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，所述软件包的实施包括以下步骤：

a)采用三维数字建模软件，完成钻机一体化智能排管装备机械零部件的三维建模，使用数值计算软件求解钻机动态参数，指导可视化系统的运动建模；

b)根据工艺流程对井场设备的动作设计及脚本编写，采用.NET架构C/S客户端方式作为三维仿真程序开发平台，完成钻机自动化处理虚拟现实软件包；

c)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示系统技术实现模拟真实操作环境的钻机自动化处理虚拟仿真修井平台场景；

d)由winform将数据采集板卡的DI数字输入量采集记录，再由winform传递给Unitywebplayer，从而控制unity中gameobject的动作，再将gameobject参数实时返回至winform中，实现虚拟设备的状态显示。

3.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的钻机钻台面机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆编码器进行SSI通信，与液压比例阀、液压电磁阀进行数字量模拟量通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机钻台面机械手3D虚拟模型数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

4.根据权利要求3所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的钻机二层台智能排管机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与夹爪上的接近开关进行通信，并通过可编程逻辑控制器约束防爆编码器与气动马达正转、反转的对应关系，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机二层台智能排管机械手3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

5.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的动力猫道机模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆电机、翻管液压缸电磁阀进行通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的动力猫道机3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

6.根据权利要求2所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的自行走液压大钳模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与液压马达、液压缸的比例阀进行通信，并实时反馈扭矩传感器值和接近开关的状态信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的自行走液压大钳3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。

7.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的液压吊卡模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并实时接收持管状态检测的接近开关信号，以及发送吊卡开合液压缸控制信号、吊卡翻转液压缸控制信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的液压吊卡3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际液压吊卡保持动作一致。

8.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述的控制台仪器仪表模块包括大钩悬重表、钻进钻压表、立管压力表、大钳扭矩表、钻台手位置指针、二层台排管系统的位置指针、二层台指梁管柱分布图、吊卡开合状态指示灯、吊卡前后翻转角度指示表和卡瓦开合指示灯，所述的钻台手位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示灯，所述的二层台排管系统位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示。

9.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述软件包包括5种学习模式：道机送钻学习模式、猫道机甩钻学习模式、起钻排立柱学习模式、取立柱下钻学习模式、井场漫游学习模式。

10.根据权利要求9所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于：所述井场漫游模式包括手动漫游和自动漫游，手动漫游可以通过操作键盘以第一视角在井场漫游，包括攀爬钻台面、井架、二层台；自动漫游可以按照程序预先设定好的路径进行漫游。