CN107269260B - 互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端，包括主司钻操控终端、副司钻操控终端、公共操作台三部分；主司钻操控终端和副司钻操控终端两者的机械接口及控制部分完全相同，互为冗余，互为备用，通过模式切换多位开关及后台的控制部分实现切换；主司钻操控终端用于绞车、顶驱、泥浆泵、猫头、吊卡的操控；副司钻操控终端用于猫道、铁钻工、排管机的操控；公共操作台为两个司钻共用的操作台，包括语音通话设备及司钻房雨刮器控制旋钮。本发明的系统，两套配置完全一致的双司钻集成操控终端互为冗余，互为备用，大大提高了系统作业的适用性和冗错能力。
Description
技术领域
本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端。
背景技术
石油钻机司钻操控台是现代石油钻探系统中不可或缺的重要组成部分，传统的司钻控制台由多个仪表盘、物理开关、按钮、手轮、气控阀手柄等组成，随着司钻操控对象的增加，需要不断的增大操控台的尺寸，并增加相应的控制开关和表盘，使得司钻台布置凌乱，后期扩展升级困难，并且各个子系统相互独立，缺乏统一的协调和管理。因此如何优化钻井作业任务，提高钻井作业的灵活性和人性化显得尤为重要。为此，有必要开发一套集成化的司钻操控终端，适用自动化、智能化的钻井作业，实现各设备间的协同作业，提高作业安全性和作业效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端，解决了现有技术钻机操作分散、可靠性差、缺乏统一监管、司钻无法按操作习惯分配任务、系统不具备冗余容错能力的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端，包括主司钻操控终端、副司钻操控终端、公共操作台三部分；
主司钻操控终端和副司钻操控终端两者的机械接口及控制部分完全相同，互为冗余，互为备用，通过模式切换多位开关及后台的控制部分实现切换；
主司钻操控终端用于绞车、顶驱、泥浆泵、猫头、吊卡的操控；副司钻操控终端用于猫道、铁钻工、排管机的操控；公共操作台为两个司钻共用的操作台，包括语音通话设备及司钻房雨刮器控制旋钮。
本发明的互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端，其特征还在于：
所述的主司钻操控终端的外部操控设备沿座椅两侧布置，包含左侧触控式一体机、左侧多点触控式键盘、左侧多功能手柄、模式切换多位开关、声光报警器、一级急停按钮和二级急停按钮，以及右侧触控式显示屏、右侧多点触控式键盘、右侧多功能手柄；
主司钻操控终端的座椅还配套有机械部分，包括在座椅下部设置有控制盒和旋转和限位机构；在座椅两边设置有扶手盒支撑管架，每边的扶手盒支撑管架上安装有屏幕支撑架及扶手盒；屏幕支撑架上安装有左侧触控式一体机和屏幕遮阳架；扶手盒上安装有左侧多点触控式键盘、左侧多功能手柄、右侧多点触控式键盘、右侧多功能手柄及语音通话机构。
所述的控制部分结构是，左侧触控式一体机、左侧多点触控式键盘、左侧多功能手柄、模式切换多位开关、声光报警器、一级急停按钮、二级急停按钮及左扶手电源模块一起称为左扶手单元；左扶手电源模块分别与左侧触控式一体机、左侧多点触控式键盘、左侧多功能手柄、模式切换多位开关、声光报警器、一级急停按钮及二级急停按钮连接；
右侧触控式显示屏、右侧多点触控式键盘、右侧多功能手柄、右扶手电源模块一起称为右扶手单元；右扶手电源模块分别与右侧触控式显示屏、右侧多点触控式键盘及右侧多功能手柄连接；
还包括急停控制模块、中央控制器、通讯模块、控制盒电源模块，该四个部件一起称为控制盒单元；控制盒电源模块分别与急停控制模块、中央控制器和通讯模块连接；
急停控制模块分别与一级急停按钮、二级急停按钮及中央控制器相连；
中央控制器分别与左侧多功能手柄、右侧多功能手柄、模式切换多位开关、声光报警器、急停控制模块及通讯模块连接；
通讯模块分别与中央控制器、左侧触控式一体机、左侧多点触控式键盘、右侧多点触控式键盘及中央通讯单元连接；中央通讯单元与通讯模块相连。
所述的左侧触控式一体机、右侧触控式显示屏分别安装于左右扶手箱两侧，两者之间通过DVI-D和USB信号线互联。
所述的左侧多点触控式键盘与左侧触控式一体机对应配置、右侧多点触控式键盘与右侧触控式显示屏对应配置；所述的工业监视控制器与左侧触控式一体机相连。
所述的主司钻操控终端和副司钻操控终端中的通讯模块均与中央通讯单元相连，服务器一、服务器二均与中央通讯单元相连，并且同时与下位机各个二级子站相连；
服务器一和服务器二互为冗余，互为备份。
本发明的有益效果是，将传统基于物理开关和机械式仪表的钻机操控模式变革为全数字化操作和显示，解决了传统钻机操作分散、可靠性差、司钻无法按操作习惯分配任务的问题；提出了“一键多能、功能复用”的全新操作理念，实现了多个设备的集成化协调和管控，提高了作业的安全性；两套配置完全一致的双司钻集成操控终端互为冗余，互为备用，大大提高了系统作业的适用性和冗错能力。
附图说明
图1是本发明装置执行部分的布局图(座椅俯视)；
图2是本发明装置机械部分的布置图(座椅后视)；
图3是本发明装置控制部分的模块连接框图；
图4是本发明装置控制部分的对外接口框图。
图中，1.左侧触控式一体机，2.右侧触控式显示屏，3.左侧多点触控式键盘，4.右侧多点触控式键盘，5.左侧多功能手柄，6.右侧多功能手柄，7.模式切换多位开关，8.声光报警器，9.一级急停按钮，10.二级急停按钮，11.急停控制模块，12.中央控制器，13.通讯模块，14.左扶手电源模块，15.右扶手电源模块，16.控制盒电源模块，17.中央通讯单元，18.工业监视控制器，19.主司钻通讯模块，20.副司钻通讯模块，21.服务器一，22.服务器二，23.二级子站，24.公共操作台，25.控制盒，26.扶手盒支撑管架，27.屏幕支撑架，28.扶手盒，29.屏幕遮阳架，30.座椅，31.旋转和限位机构。
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。
本发明装置包含外设的执行部分和后台的控制部分，
参照图1、图2，执行部分包括主司钻操控终端(图中左侧集成一体化座椅)、副司钻操控终端(图中右侧集成一体化座椅)、公共操作台24三部分；
主司钻操控终端主要用于绞车、顶驱、泥浆泵、猫头、吊卡等钻井设备的操控；副司钻操控终端主要用于猫道、铁钻工、排管机等管柱处理设备的操控；公共操作台24为两个司钻共用的操作台，包括语音通话设备及司钻房雨刮器控制旋钮等。
本发明通过主副双司钻的协调配合实现整套钻井设备的集成管控，革新了传统钻机“单司钻外加多人室外人工操作配合”作业的模式，降低了室外多人作业的劳动强度，解放了劳动力。
主司钻操控终端和副司钻操控终端两者的机械接口及控制部分完全相同，通过模式切换多位开关7及后台的控制部分实现角色的切换，即主司钻操控终端(图中左侧集成一体化座椅)上的模式切换多位开关7切换到“副司钻”模式时，该主司钻操控终端即转变为副司钻操控终端，能够完成对应副司钻设备的操控；同理副司钻操控终端也可以切换到“主司钻”模式，实现对应主司钻设备的操控。从而使得双司钻操控终端具备了互为冗余、互为备用的功能；当然，两个操控终端不能同时切换为同一种模式，后台程序具备模式互锁逻辑保护功能，根据先触发先占用此模式的原则实现设备的管理策略。
通过成功开发的该模式切换功能，使得两套配置完全一致的双司钻集成操控终端互为冗余，互为备用，显著提升了系统的冗余容错能力，减少作业过程中非计划停机时间，提高了作业效率。在使用中，除了建立根和起下钻作业过程中需要主副双司钻协同配合外，其他大部分作业过程均为主司钻操控钻井设备；此时，当主司钻操控终端出现故障，通过模式切换，可使得副司钻操控终端具备和主司钻操控终端完全一致的操控功能，接管已出现故障的主司钻操控终端，实现正常钻井作业。而传统的单司钻不具备此功能，出现故障只能停机进行故障排查和维修。
以下选用主司钻操控终端为例对集成操控终端布局进行说明。
参照图1，主司钻操控终端的外部操控设备沿(司钻)座椅30两侧布置，包含左侧触控式一体机1、左侧多点触控式键盘3、左侧多功能手柄5、模式切换多位开关7、声光报警器8、一级急停按钮9和二级急停按钮10，以及右侧触控式显示屏2、右侧多点触控式键盘4、右侧多功能手柄6；
参照图2，主司钻操控终端的座椅30还配套有机械部分，包括在座椅30下部设置有控制盒25和旋转和限位机构31；在座椅30两边设置有扶手盒支撑管架26，每边的扶手盒支撑管架26上安装有屏幕支撑架27及扶手盒28；屏幕支撑架27上安装有左侧触控式一体机1和屏幕遮阳架29；扶手盒28上安装有左侧多点触控式键盘3、左侧多功能手柄5、右侧多点触控式键盘4、右侧多功能手柄6及语音通话机构；
公共操作台24分为上下两个箱体，上箱体面板上布置有共用的开关、按钮、指示灯、仪表以及语音通话机构的话筒；下箱体作为文件箱，用于存储说明书、操作维护手册、图纸等文件资料。
通过司钻操控终端模块化和数字化设计，将传统钻机司钻基于物理开关和机械式仪表的操作及显示模式变革为全数字化操作和显示，彻底解决了传统钻机操作分散、可靠性差、司钻无法按操作习惯分配任务的问题，提高了系统的灵活性，更易于后期的扩展和升级，操作界面也更加人性化。
参照图3，单个司钻集成操控终端的控制部分(功能单元)结构是，包括三个电控单元，即左扶手单元、控制盒单元和右扶手单元，
上述的左侧触控式一体机1、左侧多点触控式键盘3、左侧多功能手柄5、模式切换多位开关7、声光报警器8、一级急停按钮9、二级急停按钮10及左扶手电源模块14一起称为左扶手单元；左扶手电源模块14分别与左侧触控式一体机1、左侧多点触控式键盘3、左侧多功能手柄5、模式切换多位开关7、声光报警器8、一级急停按钮9及二级急停按钮10连接，提供供电；
还包括急停控制模块11、中央控制器12、通讯模块13、控制盒电源模块16，该四个部件一起称为控制盒单元；控制盒电源模块16分别与急停控制模块11、中央控制器12和通讯模块13连接，提供供电；
右侧触控式显示屏2、右侧多点触控式键盘4、右侧多功能手柄6、右扶手电源模块15一起称为右扶手单元；右扶手电源模块15分别与右侧触控式显示屏2、右侧多点触控式键盘4及右侧多功能手柄6连接，提供供电；
急停控制模块11分别与一级急停按钮9、二级急停按钮10及中央控制器12相连，实现两个不同安全管控级别的急停控制；一级急停按钮9为动力急停级别，紧急情况下拍下此按钮，控制部分所有动力切断，为最高级安全保护；二级急停按钮10为设备急停级别，紧急情况下拍下此按钮，对应被控设备停止动作并处于保压(针对液控加持系统)、关断(针对液气供给系统)和(或)悬停刹车状态(针对变频传动系统)；
中央控制器12分别与左侧多功能手柄5、右侧多功能手柄6、模式切换多位开关7、声光报警器8、急停控制模块11及通讯模块13连接，采集和接收各个单元发送来的指令及状态信号；
通讯模块13分别与中央控制器12、左侧触控式一体机1、左侧多点触控式键盘3、右侧多点触控式键盘4及中央通讯单元17连接，用于建立各个单元之间的通讯联系，实现控制指令的相互传递和信号的共享，搭建集成操控终端内部设备之间的网络平台；中央通讯单元17与通讯模块13相连，实现司钻操控终端与下位钻井系统的通讯；
左侧触控式一体机1、右侧触控式显示屏2分别安装于左右扶手箱两侧，用于所有管控设备的画面显示、设定以及控制，两者之间通过DVI-D和USB信号线互联，实现信号的传输；
左侧多点触控式键盘3与左侧触控式一体机1对应配置、右侧多点触控式键盘4与右侧触控式显示屏2对应配置，各自实现对应设备的操控；
工业监视控制器18与左侧触控式一体机1相连，把多个设备监视的视频信号送至左侧触控式一体机1运行软件的画面中显示。
通过司钻集成操控终端控制部分的模块连接框图可以看出，系统通过中央控制器12、通讯模块13、急停控制模块11及控制盒电源模块16建立起了司钻操控终端上的其他所有控制及显示元器件的电气连接关系，依靠中央控制器12及通讯模块13即可实现所有指令下发，也可实现所有信号的接收，从而实现了钻井设备管控的集成化、信息化和智能化。
其中集成化体现在通过中央控制器12和通讯模块13实现对所有操控设备的集成管理，通过“一键多能、功能复用”的全新操作理念，根据不同工况和操作界面，给对应的左侧多点触控式键盘3、右侧多点触控式键盘4、左侧多功能手柄5及右侧多功能手柄6分配不同功能和任务。
信息化体现在通过开发数据显示系统把所有参数以指示灯、柱状图、电子表盘、显示文本框等的方式在左侧触控式一体机1、右侧触控式显示屏2上进行展示。
智能化体现在通过开发安全保护系统(例如断电保护、多设备联动防碰保护、互锁保护等)，提高系统的作业安全性，规避了常见的误操作及人员疏忽引起的安全隐患，确保设备安全、人员安全和工程安全。
参照图4，主司钻通讯模块19(即前述主司钻操控终端中的通讯模块13)、副司钻通讯模块20(即前述副司钻操控终端中的通讯模块13)与中央通讯单元17相连，服务器一21、服务器二22均与中央通讯单元17相连，并且同时与下位机各个二级子站23相连，从而建立起了上位机和下位机之间的连接，通过报文实现了双司钻操控终端与服务器、以及与各个二级子站之间的通讯，从而实现在司钻房内远程管控各个现场设备，即实现了主司钻操控终端、副司钻操控终端与下位机各个二级子站23之间的指令下发和信息上传。
服务器一21和服务器二22互为冗余，互为备份，提高了上位机与下位机之间通讯的冗余容错能力，确保系统稳定可靠的运行。
Claims (1)
1.一种互为冗余的石油钻机双司钻集成操控终端，其特征在于：包括主司钻操控终端、副司钻操控终端、公共操作台(24)三部分；
主司钻操控终端和副司钻操控终端两者的机械接口及控制部分完全相同，互为冗余，互为备用，通过模式切换多位开关(7)及后台的控制部分实现切换；
主司钻操控终端用于绞车、顶驱、泥浆泵、猫头、吊卡的操控；副司钻操控终端用于猫道、铁钻工、排管机的操控；公共操作台(24)为两个司钻共用的操作台，包括语音通话设备及司钻房雨刮器控制旋钮；
所述的主司钻操控终端的外部操控设备沿座椅(30)两侧布置，包含左侧触控式一体机(1)、左侧多点触控式键盘(3)、左侧多功能手柄(5)、模式切换多位开关(7)、声光报警器(8)、一级急停按钮(9)和二级急停按钮(10)，以及右侧触控式显示屏(2)、右侧多点触控式键盘(4)、右侧多功能手柄(6)；
主司钻操控终端的座椅(30)还配套有机械部分，包括在座椅(30)下部设置有控制盒(25)和旋转和限位机构(31)；在座椅(30)两边设置有扶手盒支撑管架(26)，每边的扶手盒支撑管架(26)上安装有屏幕支撑架(27)及扶手盒(28)；屏幕支撑架(27)上安装有所述的左侧触控式一体机(1)和屏幕遮阳架(29)；扶手盒(28)上安装有所述的左侧多点触控式键盘(3)、左侧多功能手柄(5)、右侧多点触控式键盘(4)、右侧多功能手柄(6)及语音通话机构；
所述的控制部分的结构是，包括左扶手单元、控制盒单元和右扶手单元，其中，所述的左侧触控式一体机(1)、左侧多点触控式键盘(3)、左侧多功能手柄(5)、模式切换多位开关(7)、声光报警器(8)、一级急停按钮(9)、二级急停按钮(10)及左扶手电源模块(14)一起称为左扶手单元，左扶手电源模块(14)分别与左侧触控式一体机(1)、左侧多点触控式键盘(3)、左侧多功能手柄(5)、模式切换多位开关(7)、声光报警器(8)、一级急停按钮(9)及二级急停按钮(10)连接；所述的右侧触控式显示屏(2)、右侧多点触控式键盘(4)、右侧多功能手柄(6)、右扶手电源模块(15)一起称为右扶手单元，右扶手电源模块(15)分别与右侧触控式显示屏(2)、右侧多点触控式键盘(4)及右侧多功能手柄(6)连接；控制盒单元包括急停控制模块(11)、中央控制器(12)、通讯模块(13)、控制盒电源模块(16)，控制盒电源模块(16)分别与急停控制模块(11)、中央控制器(12)和通讯模块(13)连接，急停控制模块(11)分别与一级急停按钮(9)、二级急停按钮(10)及中央控制器(12)相连，中央控制器(12)分别与左侧多功能手柄(5)、右侧多功能手柄(6)、模式切换多位开关(7)、声光报警器(8)、急停控制模块(11)及通讯模块(13)连接，通讯模块(13)分别与中央控制器(12)、左侧触控式一体机(1)、左侧多点触控式键盘(3)、右侧多点触控式键盘(4)及中央通讯单元(17)连接，中央通讯单元(17)与通讯模块(13)相连；
所述的左侧触控式一体机(1)、右侧触控式显示屏(2)分别安装于左右扶手箱两侧，两者之间通过DVI-D和USB信号线互联；
所述的左侧多点触控式键盘(3)与左侧触控式一体机(1)对应配置、右侧多点触控式键盘(4)与右侧触控式显示屏(2)对应配置；所述的左侧触控式一体机(1)与工业监视控制器(18)相连，工业监视控制器(18)把多个设备监视的视频信号送至左侧触控式一体机(1)运行软件的画面中显示；
所述的主司钻操控终端和副司钻操控终端中的通讯模块(13)均与中央通讯单元(17)相连，服务器一(21)、服务器二(22)均与中央通讯单元(17)相连，并且同时与下位机各个二级子站(23)相连；服务器一(21)和服务器二(22)互为冗余，互为备份。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
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Effective date of registration: 20200930 Address after: Baoji City, Shaanxi Province, 721002 Dongfeng Road, Jintai District No. 2 Applicant after: Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd. Applicant after: CHINA NATIONAL PETROLEUM Corp. Applicant after: CNPC national oil and gas drilling equipment Engineering Technology Research Center Co., Ltd Address before: Baoji City, Shaanxi Province, 721002 Dongfeng Road, Jintai District No. 2 Applicant before: Baoji Oilfield Machinery Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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