CN106121555B - 修井机液压吊卡无线动力包 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种修井机液压吊卡无线动力包，在吊卡本体的一侧固定安装有电控机构，在吊卡本体的另一侧固定安装有液压机构；电控机构和液压机构的重量相当，电控机构和液压机构之间的连接电缆从吊卡本体后侧绕过，在电控机构的防爆控制箱的箱体外表面安装有接收器的天线ANT，对应遥控器的信号天线；电控机构包括电池组和防爆控制箱。本发明的装置，实现修井机液压吊卡的无线远控，而游吊系统无需增加任何液压管线和电缆；电控机构可编程，满足不同的操作需求。

Description

修井机液压吊卡无线动力包
技术领域
本发明属于电气控制设备技术领域，涉及一种修井机液压吊卡无线动力包。
背景技术
修井机用于修井和通井，其提升设备的处理对象主要是油管。修井作业的特点主要是：1)作业时间短，一般每口井作业周期为2-3天；2)提升载荷小，仅用于提升油管；3)无顶驱和泥浆循环系统，其游吊系统无电缆、液压管线和水龙带等，主要由天车、游车大钩、吊环和吊卡等构成。游吊系统中需要人员直接操作频率最高的设备为吊卡。提升油管时需要工作人员手动将吊卡打开或扣合，劳动强度大、危险系数高。当游吊系统将油管提升至二层台时，也需要井架工手动将吊卡打开。
现有的自动化钻机均配有液压吊卡，采用纯液压控制方式或电液控制方式，吊卡的所有动作采用液缸驱动，操作人员只需在远程操作控制系统(液压手柄或电控手柄)即可控制吊卡的开合、旋转等动作。这种控制方式需要在游吊系统中增加液压管线或控制电缆才可实现。常规钻机游吊系统中具有水龙带、液压管线和顶驱电缆等，因此为液压吊卡提供动力并实现远控相对简单。而修井机的游吊系统无上述设备，使用常规钻机液压吊卡需增配液压管线或电缆，成本较高，同时不便于工作、拆装移运等，不适用于修井机特性和工况。
因此，目前还没有一种适用于修井机工况特点的自动液压吊卡，在游吊系统不增加任何液压管线和电缆的前提下为液压吊卡提供动力并实现无线远控。
发明内容
本发明的目的是提供一种修井机液压吊卡无线动力包，解决了现有技术使用常规钻机液压吊卡需增配液压管线或电缆，成本较高，同时不便于工作和拆装移运，不适用于修井机的无线液压吊卡的问题。
本发明采用的技术方案是，一种修井机液压吊卡无线动力包，在吊卡本体的一侧固定安装有电控机构，在吊卡本体的另一侧固定安装有液压机构；电控机构和液压机构的重量相当，电控机构和液压机构之间的连接电缆从吊卡本体后侧绕过，在电控机构的防爆控制箱的箱体外表面安装有接收器的天线ANT，对应遥控器的信号天线；
电控机构包括电池组和防爆控制箱。
本发明的修井机液压吊卡无线动力包，其特征还在于：
电池组采用多个固态充电电池单元通过串、并联的方式，形成矩阵排列。
液压机构的结构是，液压站包括交流电机、液压泵、液压油箱，交流电机与液压泵传动连接，液压泵进油端与液压油箱连接，液压泵的出油端连接有压力传感器，液压泵的出油端同时与电磁换向阀VU1及电磁换向阀VU2连接，电磁换向阀VU1与液压吊卡的开关控制液缸控制连接，电磁换向阀VU2与液压吊卡的旋转控制液缸控制连接，旋转控制液缸还与电磁换向阀VU3控制连接，电磁换向阀VU1两端分别设置有线圈K1和线圈K2，电磁换向阀VU2两端分别设置有线圈K3和线圈K4，电磁换向阀VU3一端设置有线圈K5。
防爆控制箱内部的结构是，包括直流接触器KM1，直流接触器KM1线圈外端与电源插头PX01连接，直流接触器KM1线圈内端与逆变器一端连接，直流接触器KM1的控制触点与防爆控制箱面板上的总电源开关S01连接；逆变器另一端与交流接触器KM2线圈内端连接，交流接触器KM2线圈外端与液压站中的交流电机的供电端连接；
直流接触器KM1线圈内端还与直流稳压器连接，直流稳压器输出端分别与输入输出模块、中央控制器及接收器同时连接；接收器的信号输出端与中央控制器信号输入端连接，中央控制器与输入输出模块互连，输入输出模块设置有D01、D02…D06六个继电器输出通道以及一个模拟量输入通道AI1，其中D01、D02…D05五个继电器输出通道对外与液压站中三个电磁换向阀的五个继电器K1、K2…K5对应连接，D06继电器输出通道对外与交流接触器KM2控制触点连接，模拟量输入通道AI1对外与压力传感器信号连接。
遥控器的面板上至少配置有五个数字量输入功能键，即吊卡打开按钮DI1，吊卡关闭按钮DI2，吊卡正转按钮DI3，吊卡反转按钮DI4，吊卡随动按钮DI5；另外还配置有一个急停按钮ESD、一个模式切换开关N/E和一个遥控器电源开关O/F。
本发明的有益效果是，实现液压吊卡的远程无线操作；游吊系统中无需增加液压管线、供电电缆和控制电缆等，便于拆装和运输；系统自带液压站和充电电池，工作过程中不依托于任何外界动力源；系统自带液压站交流电机和电磁换向阀驱动装置；电控机构全部防爆处理，满足1区爆炸环境使用需求。
附图说明
图1是本发明中电控机构和液压机构的安装位置示意图；
图2是本发明中电控机构和液压机构的结构示意图；
图3是本发明中电池组的结构示意图；
图4是本发明中液压机构的控制原理示意图；
图5是本发明中电控机构的控制原理示意图；
图6是本发明中遥控器面板的布置结构示意图。
图中，1.吊卡本体，2.电控机构，3.液压机构，4.防爆控制箱，5.遥控器，6.接收器，7.逆变器，8.直流稳压器，9.中央控制器，10.输入输出模块，11.液压站，12.压力传感器，13.电池组，14.交流电机，15.液压泵，16.液压油箱，17.开关控制液缸，18.旋转控制液缸，
另外，ANT为遥控器天线，U01、U02……Umn分别为电池组13中的各电池单元；PX01为电源插头，S01为总电源开关，L1和L2为逆变器交流输出端的两相，KM1为直流接触器，KM2为交流接触器；
DO1、DO2…DO6分别为六个继电器输出通道，AI1为模拟量输入通道，K1、K2…K5分别为五个电磁换向阀对应所属的线圈；
ESD为急停按钮，N/E为模式切换开关，O/F为遥控器电源开关，DI1为吊卡打开控制按钮，DI2为吊卡关闭控制按钮，DI3为吊卡正转控制按钮，DI4为吊卡反转控制按钮，DI5为吊卡随动控制按钮，B1和B2分别为备用按钮；
A为供油口，B为回油口，VU为电磁阀，HC为液缸，VU1、VU2和VU3分别为三个电磁换向阀。
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。
本发明的液压吊卡采用电液控制方式，与传统手动吊卡相比增加电控机构2和液压机构3；为避免游吊系统增加液压管线或电缆，基于修井机单次作业时间短、工况单一和吊卡功耗小等特点，给液压机构3配带液压站11，给电控机构2配带电池组13；由于吊卡部分作业区域位于防爆1区，电控机构2和液压机构3的防爆等级必须满足规范要求，因此，电控机构2的电池组13选用防爆电池组、驱动和控制部分集成于一个(小型)防爆控制箱4中，并且液压机构3中的部件均选用防爆部件(如防爆电机、防爆电磁换向阀和防爆传感器)。
本发明的液压吊卡采用无线控制方式，通过无线遥控器发送指令，无线遥控的接收器6接受信号，控制液压站11的起停，控制系统的急停，以及控制吊卡打开、关闭、旋转和随动动作。
参照图1，是本发明一个实施例安装结构，在吊卡本体1的一侧固定安装有电控机构2，在吊卡本体1的另一侧固定安装有液压机构3；电控机构2和液压机构3的重量相当，以免无线动力包安装后造成吊卡本体1的偏重，影响吊卡的平衡，吊卡本体1在提升和下放过程中三者之间无相对运动；电控机构2和液压机构3之间的连接电缆从吊卡本体1后侧绕过，确保吊卡本体1翻转时与连接电缆不干涉；在电控机构2防爆控制箱4的箱体外表面安装有接收器6的天线ANT，对应遥控器5的信号天线，便于无线信号的通讯。
参照图2，电控机构2包括电池组13和防爆控制箱4，二者之间连接电缆的额定电流计算公式为：
其中，i为电池组输出的额定电流；w为电池组的额定功率；v为电池组的输出电压；
根据额定电流i确定电池组13中各电池U01、U02……Umn与防爆控制箱4之间连接电缆的规格，从而确定电源插头PX01的规格，部分二芯电缆载流量的规格如表1所示。
防爆控制箱4内部设置有用于总供电控制的直流接触器KM1、用于交流电机起/停控制的交流接触器KM2，直流接触器KM1的输入端通过电源插头PX01与电池组13连接，直流接触器KM1的一个输出端通过逆变器7与交流接触器KM2连接，直流接触器KM1的另一个输出端通过直流稳压器8与中央控制器9连接，中央控制器9同时与接收器6和输入输出模块10连接；接收器6中的天线ANT与远程的遥控器5对应信号联系。
液压机构3中包括液压站11，液压站11通过电磁换向阀VU与液缸HC控制连接；输入输出模块10与液压机构3中液压站11的阀组及传感器相连；
表1，部分二芯电缆载流量表
导体截面积(mm2) 载流量(A)
16 82
25 108
35 133
50 167
70 206
95 249
电池组13的容量应满足修井机连续作业48小时的基本需求，超过使用时间应更换新的电池组。一般电解液蓄电池容量能满足需求，但容易造成液体流出、难于做防爆处理，不可用于本系统。固态充电电池无电解液，易做防爆，但单个固态充电电池容量太小。
参照图3，电池组13采用m×n个固态充电电池单元通过串、并联的方式形成矩阵排列，电池组13中的固态充电电池单元分别称为U01、U02…U0n…Um1、Um2…Umn，通过串联实现增压，通过并联实现增容，确保电压和容量同时达到使用要求；由于控制系统的电压等级为24VDC，电池组13的设计输出电压范围为27V-35V DC，所需串联的电池个数为：
其中的n为串联的电池数量；vi为单个电池的电压；
再根据容量需求计算所需并联的电池数量为：
其中的m为并联的电池数量；q为所需总容量；qn为单个串联电池组的容量，即可计算出所需要的固态充电电池数量为m×n个；
将计算所得的串并联电池一体封装为电池组13，并统一做防爆处理，对外只预留正负极两芯供电/充电电缆；电池组13为卡槽式固定方式，工作时卡装在防爆控制箱4外表面的卡槽中，充电时将电源插头PX01拔掉，将电池组13从防爆控制箱4的卡槽处取下，在非防爆区进行充电(如配电房)。
参照图4，液压机构3的结构是，液压站11包括交流电机14、液压泵15、液压油箱16，交流电机14与液压泵15传动连接，液压泵15进油端与液压油箱16连接，液压泵15的出油端(包括高压的供油口A和低压的回油口B)连接有压力传感器12，液压泵15的出油端同时与电磁换向阀VU1及电磁换向阀VU2连接，电磁换向阀VU1与液压吊卡的开关控制液缸17控制连接，电磁换向阀VU2与液压吊卡的旋转控制液缸18控制连接，旋转控制液缸18还与电磁换向阀VU3控制连接，电磁换向阀VU1两端分别设置有线圈K1和线圈K2，电磁换向阀VU2两端分别设置有线圈K3和线圈K4，电磁换向阀VU3一端设置有线圈K5。
电磁换向阀VU1为吊卡开关控制电磁阀，由线圈K1和线圈K2控制其阀芯换向驱动开关控制液缸17动作；电磁换向阀VU2为吊卡旋转控制电磁阀，由线圈K3和线圈K4控制其阀芯换向驱动旋转控制液缸18动作；电磁换向阀VU3为吊卡随动控制电磁阀，线圈K5带电则阀芯导通，将旋转控制液缸18的杆腔和塞腔直接接通，实现吊卡旋转随动；每个电磁换向阀都设置有机械式的操作手柄，当电控线路出现问题时可对液压机构进行本地手动应急操作。
参照图5，防爆控制箱4内部的结构是，包括直流接触器KM1，直流接触器KM1线圈外端与电源插头PX01连接，直流接触器KM1线圈内端与逆变器7一端连接，直流接触器KM1的控制触点与防爆控制箱4面板上的总电源开关S01连接；逆变器7另一端与交流接触器KM2线圈内端连接，交流接触器KM2线圈外端与(液压站11中的)交流电机14的供电端连接；
直流接触器KM1线圈内端还与直流稳压器8连接，直流稳压器8输出端分别与输入输出模块10、中央控制器9及接收器6同时连接；接收器6的信号输出端与中央控制器9信号输入端连接，中央控制器9与输入输出模块10互连，输入输出模块10设置有D01、D02…D06六个继电器输出通道以及一个模拟量输入通道AI1，其中D01、D02…D05五个继电器输出通道对外与(液压站11中的)三个电磁换向阀的五个继电器K1、K2…K5对应连接，D06继电器输出通道对外与交流接触器KM2控制触点连接，模拟量输入通道AI1对外与压力传感器12信号连接；防爆控制箱4的对外接口还包括交流电机动力电缆、以及备用扩展接口。
由于电源插头PX01工作在防爆1区，应选用隔爆型插接件，防爆控制箱4的面板设置有一个总电源开关S01，首次工作时需打开电源；由于供电一次侧的电流较大，总电源开关S01不可直接接入动力线回路，由总电源开关S01控制直流接触器KM1的触点进而控制直流接触器KM1的通断，从而实现对主回路中逆变器7和直流稳压器8的通断控制，主回路中分为两路：
一路为主负荷，约占总负荷的95％以上，通过逆变器7连接交流电机14，逆变器7的输入电压范围为27V-35V DC，输出为220V AC(L1和L2两相)；逆变器7交流输出端的两相L1和L2通过交流接触器KM2的控制接入液压站11中的交流电机14，交流电机14带动液压泵工作，实现液压站11的动力供给；
另一路为控制电源，不经过逆变器7，由于电池组13(充电电池组)的输出电压变化范围较大，控制电源首先经过直流稳压器8之后输出标准的24V DC电源信号，以此确保控制系统的稳定供电；接收器6负责接收遥控器5发送的指令，并解码发送至中央控制器9，中央控制器9的电压等级为24VDC，可由直流稳压器8直接供电，中央控制器9与外设的电脑通过串口通信进行连接，以满足输入输出模块10输出的逻辑要求；串口通信电缆(图4中虚线所示)仅用于程序调试，控制系统正常工作时拆除；输入输出模块10的输出接口具有一定的驱动能力，可直接驱动电磁阀，输入端可直接连接4-20mA电流信号传感器；线圈K1、K2……K5和KM2分别为各个电磁换向阀线圈和接触器线圈，按设备工艺需求在中央控制器9中设置相应逻辑以便控制输入输出模块10的输出状态。
修井机液压吊卡所具有的功能以及对应的输入输出信号如表2所示。
表2、电控和液压机构输入输出对应表
如图6所示，基于表2的功能设置，遥控器5的面板上至少需配置五个数字量输入功能键(即吊卡打开按钮DI1，吊卡关闭按钮DI2，吊卡正转按钮DI3，吊卡反转按钮DI4，吊卡随动按钮DI5)、一个急停按钮ESD、一个模式切换开关N/E和一个遥控器电源开关O/F，为满足扩展功能需求，另外设置两个备用按钮B1和B2，无线遥控器上对外设置有遥控器天线ANT，所有控制信号通过遥控器天线ANT发出。
表2中功能键1至功能键4均设置为高电平有效，能够避免误操作，即长按功能键触发相应功能，松开指令结束。功能键6的电机起停控制是否输出高电平信号由程序控制，遥控器5面板不设专用控制按钮。当程序控制DO6输出高电平时，交流接触器KM2线圈带电，触头吸合，交流电机14起动；当程序控制DO6输出低电平时，交流接触器KM2线圈不带电，触头断开，交流电机14停止。
表2中功能键5设置为上升沿触发，程序控制液压吊卡在随动与取消随动之间切换。
表2中功能键7为系统急停按钮，为常闭蘑菇触头结构，该指令触发后，不经过任何逻辑处理直接禁止功能键1至功能键6的任何输出，确保瞬时切断电磁换向阀供电和液压动力源。
表2中功能键8为模式切换按钮，采用两位转换开关，模式一为常规模式，打开总电源S01系统供电即闭合交流接触器KM2的线圈，交流电机14长期带电，当压力传感器12检测到液压压力达到设定上限值(如12MPa)时，中央控制器9程序控制交流接触器KM2的触点断开，交流电机14停机；当压力压力传感器12检测到液压压力低于设置下限(如8MPa)时，中央控制器9程序控制交流接触器KM2的触点闭合，启动交流电机14，交流电机14的启停与吊卡是否处于工作状态无关，只与液压压力有关，此模式下能确保液压站长期处于高压状态，但功耗相对较大。模式二为节能模式，打开总电源开关S01系统供电，首先启动检测液压压力，若低于设定下限，则中央控制器9发送控制指令闭合交流接触器KM2的线圈，将液压压力增加至设置值后停止交流电机14。当中央控制器9接收到功能键1至功能键4中任一输入信号时，控制程序向继电器输出通道DO6发送指令，接触器KM2的线圈带电，启动交流电机14；若未接到上述信号，则认为吊卡处于非工作状态，交流电机14处于待机状态。实际工作中由具体工况确定选用合理工作模式。
电控机构2中包含的中央控制器9、接收器6和输入输出模块10，可以采用相互独立的部件连接方式，或集成为一个模块的一体结构方式。
电控机构2中的逻辑控制部分具有可编程功能，根据具体项目要求更改各输入/输出通道的逻辑关系，逆变器7的输出、输入输出模块10的输出全部可由逻辑控制部分控制其输出状态。

Claims (3)

1.一种修井机液压吊卡无线动力包，其特征在于：在吊卡本体(1)的一侧固定安装有电控机构(2)，在吊卡本体(1)的另一侧固定安装有液压机构(3)；电控机构(2)和液压机构(3)的重量相当，电控机构(2)和液压机构(3)之间的连接电缆从吊卡本体(1)后侧绕过，在电控机构(2)的防爆控制箱(4)的箱体外表面安装有接收器(6)的天线ANT，对应遥控器(5)的信号天线；
电控机构(2)包括电池组(13)和防爆控制箱(4)；
所述的电池组(13)采用多个固态充电电池单元通过串、并联的方式，形成矩阵排列；
所述的液压机构(3)的结构是，液压站(11)包括交流电机(14)、液压泵(15)、液压油箱(16)，交流电机(14)与液压泵(15)传动连接，液压泵(15)进油端与液压油箱(16)连接，液压泵(15)的出油端连接有压力传感器(12)，液压泵(15)的出油端同时与电磁换向阀VU1及电磁换向阀VU2连接，电磁换向阀VU1与液压吊卡的开关控制液缸(17)控制连接，电磁换向阀VU2与液压吊卡的旋转控制液缸(18)控制连接，旋转控制液缸(18)还与电磁换向阀VU3控制连接，电磁换向阀VU1两端分别设置有线圈K1和线圈K2，电磁换向阀VU2两端分别设置有线圈K3和线圈K4，电磁换向阀VU3一端设置有线圈K5。
2.根据权利要求1所述的修井机液压吊卡无线动力包，其特征在于：所述的防爆控制箱(4)内部的结构是，包括直流接触器KM1，直流接触器KM1线圈外端与电源插头PX01连接，直流接触器KM1线圈内端与逆变器(7)一端连接，直流接触器KM1的控制触点与防爆控制箱(4)面板上的总电源开关S01连接；逆变器(7)另一端与交流接触器KM2线圈内端连接，交流接触器KM2线圈外端与液压站(11)中的交流电机(14)的供电端连接；
直流接触器KM1线圈内端还与直流稳压器(8)连接，直流稳压器(8)输出端分别与输入输出模块(10)、中央控制器(9)及接收器(6)同时连接；接收器(6)的信号输出端与中央控制器(9)信号输入端连接，中央控制器(9)与输入输出模块(10)互连，输入输出模块(10)设置有D01、D02…D06六个继电器输出通道以及一个模拟量输入通道AI1，其中D01、D02…D05五个继电器输出通道对外与液压站(11)中三个电磁换向阀的五个线圈K1、K2…K5对应连接，D06继电器输出通道对外与交流接触器KM2控制触点连接，模拟量输入通道AI1对外与压力传感器(12)信号连接。
3.根据权利要求1所述的修井机液压吊卡无线动力包，其特征在于：所述的遥控器(5)的面板上至少配置有五个数字量输入功能键，即吊卡打开按钮DI1，吊卡关闭按钮DI2，吊卡正转按钮DI3，吊卡反转按钮DI4，吊卡随动按钮DI5；另外还配置有一个急停按钮ESD、一个模式切换开关N/E和一个遥控器电源开关O/F。
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