CN106401503B - 车载修井机半自动控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种车载修井机半自动控制系统，属于修井机作业过程的半自动控制领域，控制系统由电磁换向阀、刹车安全阀、刹车比例阀、双向转角传感器、角速度传感器、控制单元和指令开关按钮组成；在半自动控制策略方面，对修井机典型作业工况进行划分，将作业状态分为急停模式、定位模式、拔管模式、卸管模式、调差模式和待机模式，制定相应控制策略，确定各模式电控柴油发动机、离合器与刹车等动力与传动部件的工作状态，实现半自动控制。本发明自主判断作业过程，提高修井机作业自动化程度，降低劳动强度，提高作业安全性，并延长刹车盘等关键零部件的使用寿命，同时通过对电控柴油发动机的速度控制，降低功率浪费，节能减排。

Description

车载修井机半自动控制系统
技术领域
本发明主要涉及传统车载修井机的半自动控制领域，特别涉及应用电控柴油发动机的车载修井机作业过程中的半自动控制系统。
背景技术
修井机是对油田井下管柱或井体进行维修保养的油田机械设备，多采用车载的方式实现方便作业。目前，国内各油田使用的车载修井机工作方式落后，作业过程需要操作工人通过实时自主观察判断，实现拔管、卸管等过程的速度控制，由于主观人为因素占主导地位，操控难度大，费时费力，且存在一定的安全隐患。同时，刹车过程产生大量的能量浪费，加速了刹车盘等零件的磨损，缩短了制动与传动部件的寿命。
现有修井机作业系统控制均针对新型电动或液压修井机设计，而目前电动或液压修井机在国内应用程度低，大多处于实验阶段或者小规模试用阶段，未投入市场使用。同时，根据环保部发布的《关于实施国家第三阶段非道路移动机械用柴油机排气污染物排放标准的公告》，从2016年4月1日起，除农用机械之外，所有制造、进口和销售的非道路移动机械必须装用符合国三标准的柴油机，即电控柴油发动机，电控柴油发动机的使用为传统修井机作业自动控制提供了可能。
发明内容
本发明的目的是提供一种针对应用电控柴油发动机的传统车载修井机半自动控制系统，确定硬件改动方案，制定半自动控制策略，在尽可能小的改动下实现修井机作业过程的半自动控制。
本发明的技术方案为在传统车载修井机基础上，由刹车安全阀、刹车比例阀、电磁换向阀、双向转角传感器、转速传感器、控制单元和指令开关按钮组成闭环控制系统。其中，电磁换向阀负责控制离合器的结合与分离；刹车比例阀负责调节刹车钳开度，从而控制刹车盘贴合程度，即刹车力度；刹车安全阀保证系统正常工作，当其处于开断状态时，安全钳夹死，完全刹车，当其处于闭合状态时，安全钳张开，不影响滚筒转动。双向转角传感器实时测量滚筒转角并转换成井管位移，转速传感器实时测量滚筒转速；同时对修井机典型作业工况进行划分，将作业状态分为急停模式、定位模式、拔管模式、卸管模式、调差模式和待机模式，制定相应控制策略，操作人员通过指令开关按钮指定工作模式，控制系统自动确定各模式下电控柴油发动机、刹车盘和离合器等动力与传动部件的工作状态。
在定位模式下，由于各井场作业实际情况不同，前期井架布置位置差异，操作人员对拔管位移l与卸管位移L进行手动设定，以此提高应用广泛性，同时可以在井管多次提升使得累积误差较大后，重新定位。
在拔管模式下，考虑修井机作业过程安全性，对拔管模式下滚筒转速ωe进行限定，使其不超过拔管最高转速ωu。当提升井管达到减速位移l1时，控制电控柴油发动机转速，使滚筒转速迅速减至ω0，当井管位置达到拔管位移l时，离合器断开，同时刹车比例阀全开，迅速刹车制动。
在卸管模式下，同样限定卸管最高转速ωd。由于卸管过程需求功率近似为零，因此电控柴油发动机怠速，离合器断开，井管依靠重力下放，采用先减速后刹车的方式，当达到减速位移L1时，调节刹车比例阀开度迅速减速，直到达到减速位移L时，刹车比例阀全开，迅速刹车。
在调差模式下，考虑到修井机作业时，在完成单次拔管后需将井管排放在一侧空地，拔管与卸管的位移不同，因此在该模式下自动调差，令调差位移Δ＝L-l，确保工作连续性。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.设计基于电控柴油发动机的传统车载修井机半自动控制系统，取代操作人员自主判断作业过程，提高修井机作业自动化程度和作业效率，降低操作工人劳动强度，提高作业安全性。
2.整体控制系统是在传统车载修井机上进行改造，开发成本低，硬件改动少，控制程序简单，易于实现。
3.通过对电控柴油发动机进行速度控制，降低功率浪费，节能减排；同时减小刹车行程与刹车时间，可延长刹车盘等零件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的控制系统结构简图；
图2为本发明的液压刹车原理图；
图3为本发明的控制模式选择流程图；
图4为本发明的定位模式流程图；
图5为本发明的拔管模式流程图；
图6为本发明的卸管模式流程图；
图7为本发明的调差模式流程图。
其中，1—电控柴油发动机；2—分动箱；3—传动系统；4—绞车，41—刹车盘，42—离合器，43—滚筒；5—双向转角传感器；6—转速传感器；7—控制单元；8—电磁换向阀；9—刹车比例阀；10—刹车安全阀；11—工作泵；12—安全钳；13—刹车钳；14—指令开关按钮，14A—启停按钮，14B—定位按钮，14B1—拔管定位按钮，14B2—卸管定位按钮，14C—拔管按钮，14D—卸管按钮，14E—调差按钮，14F—急停模式。
其中，为机械连接，为液压/气动管路连接，---为控制线路连接。
具体实施方案
参见图1，电控柴油发动机1、分动箱2、传动系统3、绞车4和工作泵11为传统修井机作业系统，机械连接关系不做改动；在工作泵11与刹车盘41的连接回路中，串入刹车比例阀9和刹车安全阀10，二者并联，通过调控刹车比例阀9实现刹车钳13动作，刹车盘41制动；在工作泵11与离合器42的连接回路中，串入电磁换向阀8，控制离合器42的结合与断开；双向转角传感器5和转速传感器6用螺栓固定在绞车4上，实时测量井管位移与滚筒43的转速，并将数据发送给控制单元7；控制单元7对整体系统进行控制，指令开关按钮14接受操作人员指令，划分工作模式，并决定各设备工作状态。
参见图2，电控柴油发动机1通过分动箱2驱动工作泵11，为刹车装置提供动力，工作泵11经刹车安全阀10与安全钳12连接，同时经刹车比例阀9和刹车钳13连接。当作业系统正常工作时，控制单元7使刹车安全阀10处于右位，安全钳12张开，刹车比例阀9依据各模式状态下要求动作；当作业系统异常或停止工作时，刹车安全阀10在弹簧力作用下恢复左位，安全阀12夹死刹车盘41，刹车比例阀9在弹簧力作用下恢复右位，刹车钳13张开。
参见图3，当操作人员按下启停按钮14A后，作业系统开始工作。首先进行系统自检，确保系统内各设备和控制部分无异常情况，如果发现系统异常，作业系统进入急停模式，向控制单元7发送系统异常原因并停止作业；系统正常启动后，操作人员通过指令开关按钮14向控制单元7发送指令，控制系统进入相应模式，如在作业过程中遇到紧急情况需要停止作业，则按下急停按钮14F，如果未收到任何指令，则进入待机模式。
参见图4，当操作人员按下定位按钮14B后，作业系统进入定位模式。首先将控制系统存储的数据进行清零，并将操作方式由自动控制改为操作人员手动控制。操作人员确定内绷绳伸直但未拔管时为初始状态，按下拔管定位按钮14B1后，手动完成单根井管提升，记录双向转角传感器5的数据，并转换为拔管位移l；操作人员按下卸管定位按钮14B2后，手动完成单根井管下放，记录双向转角传感器5的数据，并转换为卸管位移L。
参见图5，当操作人员按下拔管按钮14C后，作业系统进入拔管模式。首先检测是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，则进入定位模式；当已知时，给定拔管最高转速ωu和减速位移l1，双向转角传感器5实时测量井管位移，转速传感器6实时测量滚筒43转速ωe，若未达到减速位移l1，判断此时滚筒43转速ωe与拔管最高转速ωu大小，当滚筒43转速ωe小于拔管最高转速ωu时，继续加速，当其转速ωe不小于拔管最高转速ωu时，控制电控柴油发动机1减速，使滚筒43转速ωe＝ωu；若达到减速位移l1，则令电控柴油发动机1迅速减速，滚筒43转速降至ω0，当井管位置达到拔管位移l时，断开离合器42，同时控制刹车比例阀9全开，工作在左位，刹车钳13动作，刹车盘41迅速制动，制动后控制单元7控制刹车比例阀9工作在中位，拔管模式结束。
参见图5，当操作人员按下卸管按钮14D后，作业系统进入卸管模式。首先检测是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，则进入定位模式；当已知时，给定卸管最高转速ωd和减速位移L1，令电控柴油发动机1处于怠速状态，离合器42断开，双向转角传感器5实时测量井管位移，转速传感器6实时测量滚筒43转速ωe。若未达到减速位移L1，判断此时滚筒43转速ωe与卸管最高转速ωd大小，当滚筒43转速ωe小于卸管最高转速ωd时，控制刹车比例阀9工作在右位，井管继续加速下落；当滚筒43转速ωe不小于拔管最高转速ωd时，控制刹车比例阀9工作在左位，同时调节其开度，控制刹车钳13贴合程度，使滚筒43减速至ωd；当滚筒43井管位移达到减速位移L1时，控制刹车比例阀9仍工作在左位，同时增大开度，滚筒43迅速减速，直到井管位移达到卸管位移L，刹车比例阀9全开，刹车钳13动作，刹车盘41迅速制动，制动后控制单元7控制刹车比例阀9工作在中位，拔管模式结束。
参见图6，当操作人员按下调差按钮14E后，作业系统进入调差模式。首先检测是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，则进入定位模式；当已知时，给定调差转速ωf和复位位移Δ，双向转角传感器5实时测量井管位移，转速传感器6实时测量滚筒43转速ωe。调控电控柴油发动机1转速，使滚筒43转速ωe等于调差转速ωf，当达到调差位移Δ时，电控柴油发动机1迅速减速，断开离合器42，控制刹车比例阀9工作在左位且全开，刹车钳13动作，刹车盘41迅速制动，制动后控制单元7控制刹车比例阀9工作在中位，复位模式结束。
本发明的连续操作过程如下：首先操作人员按下启停按钮14A，整体系统上电并自检是否异常，如果异常则直接进入急停模式；如果无异常则正常工作。首先操作人员按下定位按钮14B，发送定位指令，控制系统进入定位模式，设定拔管位移l和卸管位移L；设定完成后，按动拔管按钮14C，发送拔管指令，控制系统自动完成拔管过程，工人进行井管卸扣；卸扣完成后，按动卸管按钮14D，发送卸管指令，控制系统自动完成卸管过程，工人将井管排放在一侧；卸管完成后，按动调差按钮14E，发送调差指令，控制系统自动完成调差过程。至此，修井机单个作业周期完成，不断重复上述过程，直到修井作业全部完成。当位移误差逐步累积到不满足工作要求时，操作人员按下定位按钮14B，重新定位，保证修井工作准确性。

Claims (4)

1.一种车载修井机半自动控制系统，其特征在于：由双向转角传感器(5)、转速传感器(6)、控制单元(7)、电磁换向阀(8)、刹车比例阀(9)、刹车安全阀(10)和指令开关按钮(14)组成闭环控制系统，制定半自动控制策略，划分工作模式；其中，双向转角传感器(5)实时测量滚筒(43)转角并转化为井管位移，转速传感器(6)实时测量滚筒(43)转速；电磁换向阀(8)控制离合器(42)的结合与分离，刹车比例阀(9)负责调节刹车钳(13)开口大小，控制刹车盘(41)贴合程度，即刹车力度，刹车安全阀(10)断开时，安全钳(12)夹死，完全刹车；操作人员通过指令开关按钮(14)指定工作模式，通过控制单元(7)自动控制各模式下动力与传动部件的工作状态，完成修井作业工作。
2.根据权利要求1中所述的一种车载修井机半自动控制系统，其特征在于：所述工作模式划分为急停模式、定位模式、拔管模式、卸管模式、调差模式和待机模式，操作人员按下启停按钮(14A)后，如果系统自主检测发现故障，则自动进入急停模式，或者在作业过程中遇到紧急情况需要停止作业，则按下急停按钮(14F)，手动进入急停模式，如果无其他指令操作则进入待机模式。
3.根据权利要求2中所述的一种车载修井机半自动控制系统，其特征在于：所述的定位模式是操作人员按下定位按钮(14B)后进入定位模式，首先确定初始状态，按下拔管定位按钮(14B1)，操作人员手动完成单根井管提升，记录双向转角传感器(5)的数据，计算拔管位移l；操作人员按下卸管定位按钮(14B2)后，手动完成单根井管下放，记录双向转角传感器(5)的数据，计算卸管位移L；当井管多次提升使得累积误差较大时，可重复上述操作重新定位。
4.根据权利要求2中所述的一种车载修井机半自动控制系统，其特征在于：所述的拔管模式是操作人员按下拔管按钮(14C)后进入拔管模式；首先检测是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，则进入定位模式；当已知时，给定拔管最高转速ωu和减速位移l1，若未达到减速位移l1，判断滚筒(43)转速ωe与拔管最高转速ωu大小，当前者小时，继续加速，当前者大时，保持匀速；若达到减速位移l1，则令电控柴油发动机(1)迅速减速，对应的滚筒(43)转速降低至ω0，当井管位置达到拔管位移l时，断开离合器(42)，同时控制刹车比例阀(9)全开，工作在左位，刹车钳(13)动作，刹车盘(41)迅速制动，制动后控制单元(7)控制刹车比例阀(9)工作在中位。
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