CN109018794B - 一种钻井液物料自动投加系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于使被混合物质形成预定比率技术领域，公开了一种钻井液物料自动投加系统及方法，实现了钻井液物料的自动卸车、自动入库、自动码放、自动出库、自动拆包投加、物料自动传输、废袋自动打包等。实现方法分为三个层次。即：现场控制层，实现物料卸车、入库、码放、出库、拆包投加装置的自动控制；现场调度层，实现物料的卸车、入库、出库及拆包投加各环节运行的协调控制；管理层，负责物料的配比设置、物料的进出库管理、物料卸车、储存、拆包投加过程的实时监控、信息实时传输、报表打印等。本发明能够对钻井液物料自动投加，对钻井液物料入库和出库进行信息化管理，并通过网络实现和上级的信息联通。

Description

一种钻井液物料自动投加系统及方法

技术领域

本发明属于使被混合物质形成预定比率技术领域，尤其涉及一种钻井液物料自动投加系统及方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：钻井过程中需要添加由水或油按一定比例形成的基础溶剂，并根据钻井情况，加入一定量的化学药剂形成钻井泥浆。基础溶剂在泥浆站进行集中生产，即在泥浆站加工形成的基础溶剂，然后通过车辆运输到各井场，利用管道输送，实施对各钻井投加。除了添加基础溶剂外，还需要添加一定量的药剂，药剂主要有液体和粉末两种形态，其中粉末药剂简称为物料。物料的投加在井场组织，药剂投加到溶剂中的流程如下：溶剂及最后形成的钻井泥浆储存在一个泥浆池中，通过一个泵不断地进行外循环，在泵的入口处设置了一个加料斗，液态药剂或物料均通过加料口循环进入泥浆池。在物料加工时，采用人工方式投加，即在井场的加料漏斗上方，人工将袋装物料划破，把物料倒入袋加料漏斗中，加料漏斗下方的负压吸附作用，使物料进入泥浆池中。井场药剂成分主要有重晶石、盐类及氢氧化钠等，物料有15种、总重50吨，物料包装袋采用复合袋，内层为防水塑料袋、外层为牛皮包装。粉质药剂的包装规格有约700×450×170和约500×350×100两种尺寸规格；重量有25kg和50kg两种规格，后者用量较少。

综上所述，现有技术存在的问题是：

（1）劳动强度大。各井场建有物料原料储存棚，原料卸车、入库堆码、出库以及物料填料均由人工完成。因此，工人劳动强度大，劳动生产率低，工人每次物料填料只能工作2小时，就需要换班，造成操作人员数量多。随着新招工的工人往往都是独生子女，高强度的劳动工作岗位的招工将越来越困难。

（2）环境污染严重。各井场在物料原料采用人工破袋投加，在破袋投加过程中，会出现物料粉尘的逸散，这样会对环境造成污染。随着国家对环境保护的重视，迫切需要改变人工对物料破袋投加的操作方式，采用环保、高效的物料投加操作方式。同时，物料破袋投加的人工操作，对操作人员的健康也会造成伤害。

（3）管理效率低。由于各井场的物料投加的管理过程，都由人工完成，物料投加计划制定、投加实施、投加结果信息汇总等都是由手工完成，这样容易造成信息统计不准确，实际物料投加时间、投加量与统计数据不一致等问题。人工物料投加在管理上是粗放性的，存在填料计量不准、投加数据统计不准确、送料单位的送料时间掌握不准、投加操作的时间的记录不全等。

针对上述问题，迫切需要通过有效的技术手段解决，但井场物料投加从技术现状来看，存在以下技术难度：

（1）井场物料自动投加技术是全新技术应用

井场物料采用自动投加方式，是自动控制技术与信息技术在井场物料投加作业中的综合应用，现有的井场物料投加作业没有现实的案例，该系统应用存在一定的技术风险，特别是怎样实现各子系统之间的协同，是本系统的核心，因此，解决系统中机械化、自动化、智能化和信息化的协调是本系统的技术难点。

（2）要解决井场物料投加系统的组合式要求

由于钻井工作流动性特点，钻井液物料自动投加系统要满足井场工作特点，应具备快速组装和撤收功能，通过单元组合，快速组建系统，各单元应标准化、便于运输与组建，构建系统的单元组合模块是本系统的技术难点。

（3）要实现系统的自动化作业与公司管理相结合

钻井液物料自动投加系统实现系统的自动化，但要提高公司的管理水平，还必须加强信息改造，通过采用信息综合集成技术，统一技术体制、信息标准、技术规范，实现本系统与公司信息系统之间数据互联互通，无缝衔接；通过物料自动投加过程监控，实现作业计划单证的自动跟踪；构建信息系统的综合集成是本系统的技术难点。

本发明有效地解决了物料投加过程中的技术问题，具有以下现实意义：

（1）本发明有利于提高作业效率，减轻劳动作业强度，近年来，随着自动化、信息化技术在钻井领域的应用，钻井作业的自动化程度越来越高，井场物料投加过程采用人工作业方式，已经难以满足钻井自动化作业要求，迫切需要改变传统的井场物料投加工艺。井场物料投加自动化系统，实现物料从卸车、储存、出库和投加全流程的自动化，是提高井场物料投加效率，减轻工人劳动强度的重要手段。

（2）本发明有利于提高公司管理水平，井场物料投加与钻井生产的工艺流程紧密结合，成为钻井生产的一个组成部分，井场物料投加自动化是钻井现代化生产的不可分割的组成部分。井场物料投加自动化系统，运用现代信息技术，对物料投加作业过程中数据进行实时采集，可准确掌握井场物料投加作业信息的动态状态，实现对各井场物料投加作业实时控制。通过云计算，与公司信息平台实现信息互联互通，从而提高钻井液公司的管理水平。

（3）本发明有利于提高井场物料投加作业的可靠性与安全性，井场物料投加自动化系统，实现物料从卸车、储存、出库和投加全流程的自动化，物料投加作业过程全程监控，与人工操作相比，井场物料投加自动化作业的安全性更高、可靠性更强，有利提高井场物料投加作业的工作质量。

（4）本发明有利改善井场物料投加作业的环境，井场物料投加自动化系统，物料投加过程是在密闭的装置中进行的，这样，杜绝了粉尘逸散对环境的污染，消除了粉尘逸散对操作人员健康的伤害。因此，井场物料投加自动化系统，对改善操作人员的工作环境，加强环境保护起到重要作用。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种钻井液物料自动投加系统及方法。

本发明是这样实现的，一种钻井液物料自动投加系统，所述钻井液物料自动投加系统包括：

现场控制层，由现场传感器、执行器、人机交互设备及控制单元，与机械系统配合完成物料的自动卸车、自动入库、自动码放、自动出库、自动拆包投加、物料自动输转、废袋自动打包等过程的自动控制；

现场调度控制层，由调度控制子系统组成，包括调度控制装置、人机交互设备、通讯设备等构成，向下负责协调现场控制层各控制子系统，使之协调、有序的运行，实现物料的卸车、入库、出库及拆包投加各环节的协调运行控制；

管理层，包括管理计算机、通讯设备、储存备份设备、打印设备及信息管理系统软件，负责物料的配比设置、物料的进出库管理、物料卸车、储存、拆包投加过程的实时监控、报表打印等，预留信息接口实现信息远传。

所述现场控制层进一步包括：

物料自动卸车控制子系统，实现物料自动卸车，在与物料运输车辆长度方向上车厢两侧的地面上敷设两条平行的轨道，轨道上设置一个龙门架形的纵向行走机构沿轨道行走；

自动卸车子系统，用于实现物料自动卸车；

物料自动储存控制子系统，由多个具有相同功能的物料储存集装箱构成的，每个集装箱包含用于物料储存的储存区、用于物料码放和出库的三维行走机构及抓包机构、用于物料箱际输转的输送机构、作业辅助系统；物料储存单元控制子系统负责集装箱内物料的自动入库码放、自动出库及输转等过程的自动控制；完成抓包机构初始位置设定、抓包机构的运行位置控制及极限位置保护、抓包机构动作控制、箱内传输带运行控制、传输速度自适应控制、库存物料进出库统计、运行状态及故障上传、控制命令接受；

物料拆包投加控制子系统，物料拆包投加装置用于完成袋装物料的拆包、结块粉碎、推送、废袋打包回收功能，并通过负压系统保证整个运行过程无粉尘外泄，同时实现加料速度自适应控制；

物料输送子系统，包括物料入库输送子系统和物料出库输送子系统两部分。物料入库输送子系统连接自动卸车子系统和自动储存子系统，将从自动卸车子系统卸下的物料输送到自动储存子系统的第一个集装箱，并通过随后的集装箱内部传输袋输送到相应的集装箱单元，实现物料的入库输送；

调度控制子系统，具备两个通讯端口，通过现场通讯总线与各子系统连接，实现调度控制命令的下达和各子系统运行状态、统计数据、故障信息的收集，通过通讯网络或通讯总线与监控管理子系统相连，实时上传现场各子系统的运行及故障信息用于现场运行过程的实时监视、库存物料信息的统计，接收监控子系统下达的物料配比信息用于实时调度自动储存子系统各集装箱单元实现物料的自动出库、拆包投加。

进一步，所述钻井液物料自动投加系统还包括自动卸车子系统、入库输送子系统、自动储存子系统、出库输送子系统、自动拆包投加子系统及调度控制子系统、管理信息系统；

自动卸车子系统，将车辆内的袋装物料，通过自动抓取装置，抓取袋装物料，放置到传输带上，达到卸货目的；

自动储存子系统，实现物料入库、存放、出库，为物料投加做好供料准备的功能；

自动拆包投加子系统，

进一步，所述自动卸车子系统包括两条纵向导轨、一条横梁和一个抓取机器人；纵向导轨设在停车道两侧，横梁与导轨垂直且可在纵向导轨上纵向移动，安装在机器人手臂末端的抓包装置抓取车上的袋装物料；抓包装置将袋装药剂从车厢抓到传送带上，实现一袋物料的卸车工作。

进一步，所述自动储存子系统由8个独立的集装箱储存单元构成，每个独立的集装箱单元内都有各自的抓取及传输机构。自动识别由卸车系统通过传输系统送来的物料，由相应的储存单元从传输系统上抓取物料放置到相应的单元格；需要出库时，根据操作人员发出的指令，自动判定所需物料在在那个储存单元的那个单元格，相应的储存单元内置的抓取装置自动移动到相应的单元格抓取物料，并放到该储存单元内置的传输带上。

进一步，所述物料自动拆包投加系统包括皮带输送机、割刀装置、滚筒筛、中间支架、布袋除尘器、螺旋输送机、控制箱共七部分组成。

进一步，所述物料自动输送系统包括三部分，第一部分为连接卸车系统的车用上下输送机；第二部分是物料入库和出库时使用的水平输送机；第三部分是在集装箱内部，有带式输送装置，每一集装箱储存单元都有一段独立的输送装置，各个储存单元的输送装置组合起来自动形成了集装箱单元式输送系统；

车用上下输送机，用于物料上下汽车的输送作业，与水平输送机或伸缩输送机配套使用；使用时将输送机置于汽车车厢尾部，进行卸车作业；车用上下输送机由头部平台、输送桥、尾部可调平台、底架、提升机构、电器控制装置组成；底架由左右主梁和前后端梁焊合而成的框架；框架前端后面焊有行走轮转向装置固定板，前端下面装有两个转向轮，后端下面装有两个行走轮；后端上面用螺栓固定电动滚筒用的两个固定座；框架前横梁焊有铰接支座，用于铰接提升机构的支撑架；

行走机构包括前转向轮、后行走轮、转向传动装置和方向盘；转向轮为万向轮结构形式；

输送桥由电动滚筒、改向滚筒、胶带、托辊、机架组成；

尾部平台支承在底架上，其中一点铰接在连接座上，另一点通过棘爪支承在电动滚筒支座的棘轮板的棘齿上；

头部平台的输送带与输送桥同为一根输送带；

水平输送机采用伸缩式输送机，由固定机架、伸缩机架、电动滚筒、改向滚筒、伸缩前滚筒、伸缩后滚筒、伸缩钢丝绳机构、上下五层托辊、输送带组成；

集装箱内输送机部件有输送带、托辊、驱动装置、改向滚筒、张紧装置、机架。

本发明的另一目的在于提供一种所述钻井液物料自动投加系统的管理体系，所述钻井液物料自动投加管理体系包括：

基础设施层，基础设施层主要指信息网和各种基础软件；在基础设施层中，采用防火墙、入侵检测、接入控制网络安全措施来保证网络基础设施的安全；

资源数据层，为综合信息支撑平台提供各种数据资源，是综合信息支撑平台的数据核心；数据资源层采用数据备份、数据分类管理、数据加密存储、权限管理等措施来保证数据安全；

业务应用层，包含物料投加业务系统、物料投加监控系统和消息提醒、用户认证和日志记录服务；

用户层，终端用户都通过认证，登录进入到物料投加系统中，用户的功能和权限由信息平台提供的用户权限认证服务进行管理和维护。

本发明的另一目的在于提供一种所述钻井液物料自动投加系统的信息流程，所述钻井液物料自动投加方法信息流程包括：

（1）卸车物料信息下传

当物料运输车辆到达井场后，将车辆物料装载信息录入管理信息系统，在进行实际的物料自动卸车前，将车辆装载的物料种类、包装规格及数量信息，录入至物料投加业务管理系统中，用于规划物料的储存方案，为物料自动入库奠定基础；

（2）物料投加计划下达

在钻井作业过程中需要添加物料时，首先由相关人员做出物料投加计划，确定投加的物料种类及数量并在物料投加计划下达界面录入、下传到物料投加监控系统，监控系统根据物料的特点合理安排投加顺序，并将集体的出库计划下达到相应的集装箱单元控制装置中，同时协调相关集装箱单元控制子系统、出库传输子系统及拆包投加子系统完成出库投加作业；作业计划及实际实施情况信息反馈到管理信息系统中作为入库出库统计管理的依据，同时记录相应的流水信息；

（3）物料作业过程实时监控

物料作业过程实时监控完成自动卸车子系统、输送子系统、自动储存子系统及拆包投加子系统中各设备的实时状态信息、各集装箱中物料的实际存量增减信息、故障信息等的监视、报警和人工远程干预操作。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述钻井液物料自动投加系统的钻井机房，所述钻井机房通过互联网对上与业务系统相连，对下与钻井物料自动投加中各种信息采集设备和控制设备进行数据交换；钻井物料自动投加管理系统与业务保障管理系统的关系；钻井物料自动投加管理系统将钻井自动物料投加信息，包括出入库物料品种、数量、时间；物料投加品种、数量、时间等，通过互联网传输到数据库，业务保障管理系统从数据库中提取相关数据进行统筹优化，并将决策分析的结果进行汇总；钻井液公司的信息平台通过云服务平台，与井场物料投加业务管理系统实现信息互联互通，当钻井液公司生产系统下达井场物料投加生产任务后，井场物料投加业务管理系统接受任务信息后，形成物料投加计划；同时，管理系统根据物料投加、入库、出库的生产任务，发出命令触发监控系统，实现与监控系统的通讯，发布投加操作任务单，并接收监控系统返回的完成报告。也可应用远程终端通过无线远程控制方式，对监控系统下达命令，对各控制单元发出执行动作。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明提出了集装组合单元式储存结构。由于钻井作业流动性特点，钻井液物料自动投注系统应具备快速组装和撤收功能，因此，发明结合移动式仓储的原理，提出了集装箱单元组合式储存，结合物料自动出入库过程，设计了集装组合单元式储存结构，该结构设计有效地解决了物料自动投加系统快速组装与撤收的要求。

本发明实现了系统的机械化、自动化、智能化和信息化的有机结合。钻井液物料自动投加系统，从运输车辆物料卸车开始，到物料投加作业全过程实现自动化。在整个自动化作业过程中，涉及到自动卸车、自动入库、自动储存、自动出库、自动输送、自动破袋、自动加注、信息自动采集等环节。应用了装卸机器人技术、条码技术、控制技术、信息集成技术、现代管理技术等。系统采用机电一体技术和信息集成融合技术，从系统角度解决各子系统之间的协同，使系统中的机械化、自动化、智能化和信息化的有机结合，发挥了单井自动化集装箱式仓储系统整体的效能。

本发明优化了钻井液物料投加工艺流程。系统彻底改变了传统钻井液物料投加的工艺流程。运输车辆物料采用机器人卸车、自动储存、自动破袋物料投加，改变了人工搬运作业，不仅改善工人的劳动强度，也大大提高了作业效率；集装单元式的自动仓储系统，系统采用了条码技术，通过信息的自动采集，实现了钻井液物料投加信息化管理。通过系统工艺设置，可以适应不同条件的物料投加，包括应急条件下的物料投加，使钻井液物料投加工艺流程得到优化。

本发明构建了系统的信息综合集成。实现了物料自动投加进行信息化管理，为保证与公司业务保障系统的数据实现互联互通，无缝衔接，采用了信息的综合集成技术，统一了技术体制、信息标准、技术规范。通过对信息综合集成，拓展了系统功能，实现物料自动投加过程监控、作业计划单证跟踪等功能，提高了管理者的决策优化能力。

附图说明

图1是本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统及方法。

图2是本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统结构及流程图。

图3是本发明实施例提供的系统在井场的平面布置示意图。

图4是本发明实施例提供的自动卸车系统总体结构图。

图5是本发明实施例提供的集装箱自动储存单元图。

图6是本发明实施例提供的自动储存系统示意图。

图7是本发明实施例提供的纵向移动结构图。

图8是本发明实施例提供的横向移动结构图。

图9是本发明实施例提供的升降结构图。

图10是本发明实施例提供的抓取装置结构图。

图11是本发明实施例提供的自动破袋机组成图。

图中：1、传输带；2、物料；3、集装箱箱体；4、齿条；5、抓取装置；6、隔板；7、横梁；8、升降机构；9、窗口；行走机构；11、车辆定位；12、导轨；13、门架；14、运输车；15、直线导轨；16、第一齿条；17、第一大带轮；18、第一齿轮；19、第一小带轮；20、第二大带轮；21、第一电机；22、第二齿轮；23、第二齿条；24、第二小带轮；25、钢丝锁；26、多级滑轨；27、定滑轮；28、第二电机；29、第三小带轮；30、第四小带轮；31、第三大带轮；32、真空吸头；33、真空发生器；34、柔性自适应装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，并配合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。

如图4-图10所示，本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统及方法

所述集装箱箱体3通过抓取装置5抓取货物2。横梁7可在箱体长度方向沿齿条4移动，升降机构8可沿横梁7移动。传输带1用于在箱体内横向移动货物2，在传输带两端对应的箱体上开有两个窗口9，用于货物2进入或移出箱体。箱体内部设置由隔板6用于将储物区分成不同的分区，不同分区可以存储相同或不同货物。

所述行走机构10通过螺栓固定在导轨12上；车辆定位11硬接在地面上；导轨12通过螺栓固定在地面上；龙门架13通过螺栓固定在行走机构10上；运输车14硬接在地面上；

作为本发明的优选实施例，所述直线导轨15通过螺栓固定在地面上；第一齿条16焊接在本体上；第一大带轮17通过轴承连接在本体上；第一齿轮18通过轴承连接在本体上；第一小带轮19通过连接带与第二大带轮20连接；

作为本发明的优选实施例，所述第二大带轮20通过轴承与本体连接；第一电机21通过螺栓与本体连接；第二齿轮22通过轴承与本体连接；第二齿条23通过焊接与本体连接；第二小带轮24通过轴承与本体连接；

作为本发明的优选实施例，所述钢丝索25通过螺栓与本体连接；多级滑轨26通过螺栓与本体连接；定滑轮27通过螺栓与本体连接；第二电机28通过螺栓与本体连接；第三小带轮29通过轴承与电机轴连接；第三大带轮31通过连接带与第三小带轮29连接；第四小带轮30通过轴承与本体连接；

作为本发明的优选实施例，所述真空吸头通过卡环与柔性自适应装置连接；真空发生器嵌装在本体上。

钻井投加自动化系统建设，是钻井液公司现代化建设的重要内容，通过钻井投加自动化系统建设，才能实现钻井作业自动化、钻井作业管理信息化，最终实现钻井液公司高效的社会、经济效益。钻井投加自动化系统建设利用机电控制技术、网络通信和物料储存技术以及现代管理理论，对袋装物料从卸车、储存、传输、物料投加全过程进行自动化设计，实现钻井物料投加的全自动的操作。钻井物料加少于自动化系统建设的目标是：建成井场袋装物料投加的全流程自动化系统，实现袋装物料的自动卸车、自动分类入库堆码、自动出库、物料自动破袋、自动投加以及废袋自动回收等功能。建成井场物料投加的信息管理系统，实现物料从卸车、入库、堆放、出库等作业环节的信息实时采集、准确地掌握物料投加过程的信息状态，实现物料投加与公司信息平台数据的互联互通过。钻井物料投加自动化系统建设按照钻井作业安全要求和自动化作业的需求，设计规划钻井投加作业流程，对物料投加自动作业过程中，实现数字化记录、网络查询等信息化管理，钻井物料投加自动化系统建设内容包括：袋装物料的自动卸车系统、自动出入库系统、自动传输系统和自动破袋投加系统。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统包括：现场控制层、现场调度控制层和监控管理层。

现场控制层，由现场传感器、执行器、人机交互设备及控制单元构成，与机械系统配合完成物料的自动卸车、自动入库、自动码放、自动出库、自动拆包投加、物料自动输转、废袋自动打包等过程的自动控制。

为了达到良好的适应性、可扩展性及搬迁运输便捷性，现场控制系统采用分布式单元结构，根据系统功能分为自动卸车子系统、自动仓库子系统、自动拆包投加子系统、自动输送子系统。各子系统通过通讯总线实现互联互通，在现场调度子系统的统一调度指挥下协同工作，完成卸车作业、储存码放作业、输送作业、拆包投加作业的协调控制，是整个物料投加过程控制系统的基础。

现场调度控制层，由调度控制子系统组成，包括调度控制装置、人机交互设备、通讯设备等构成，向下负责协调现场控制层各控制子系统，使之协调、有序的运行，实现物料的卸车、入库、出库及拆包投加各环节的协调运行控制。如，自动卸车系统与传输带的协调控制、各储存单元（集装箱）间的协调控制、传输带与拆包投加系统的协调控制等，以达到既同时工作提高运行效率又协同工作避免冲突。同时还根据不同井段、不同物料的使用量科学合理的规划物料储存空间，降低对储存空间的总体需求。向上负责同管理信息系统进行通讯实现过程状态的上传，为管理信息系统进行实时监控提供基础数据，接收管理信息系统下达的数据及命令，对控制系统进行初始化、基础数据及作业数据更新更新。调度控制子系统通过通讯总线与现场控制子系统相连，实现现场运行各子系统状态的上传和控制指令的下传，可以大大简化各子系统间的连线，便于协调搬迁拆装。

管理层，管理层由管理子系统实现，包括管理计算机、通讯设备、储存备份设备、打印设备及信息管理系统软件等构成，负责物料的配比设置、物料的进出库管理、物料卸车、储存、拆包投加过程的实时监控、报表打印等，预留信息接口实现信息远传。

现场控制层进一步包括：

物料自动卸车控制子系统，为了实现物料自动卸车，在与物料运输车辆长度方向上车厢两侧的地面上敷设两条平行的轨道，轨道上设置一个龙门架形的纵向行走机构沿轨道行走。设置一个可以在龙门架横梁上移动的横向行走机构。横向行走机构带动一个可上下移动的垂直行走机构；在垂直行走机构的最下端设置抓包机构。由纵向行走机构、横向行走机构和垂直行走机构构成三维行走机构，在三维行走机构的带动下，抓包机构可以到达物料运输车辆车厢内的任何地方，抓取其中的袋装物料，并通过三维行走机构转移到入库传输子系统的传输带上，实现袋装物料的自动卸车。物料自动卸车的前提条件是在卸车前运输车厢中物料按规定处于整齐的码放状态，物料带应保持扁平状态横平竖直整齐排列，不得出现侧立、直立或交叠等状态和严重歪斜。为了完成可靠的自动卸车作业，保证卸车子系统安全运行，必须设置一系列传感器监测各机构的运行状态，实现运行过程的闭环控制。在车厢两侧的轨道始端和末端均设置限位传感器，避免纵向行走机构超越轨道范围出现安全事故。在两侧轨道上设置绝对位移传感器，实时监测纵向行走机构两侧的绝对位移，用于实现两侧驱动电机同步运行和准确控制纵向位移实现抓包机构纵向精确定位。在龙门架横梁两端设置极限位置传感器，避免垂直行走机构碰撞龙门架立柱。在龙门架横梁上设置绝对位移传感器，实时监测横向行走机构的绝对位移，准确控制横向位移实现抓包机构横向精确定位。在垂直行走机构上设置极限位置传感器，保证垂直行走机构在纵向导轨上安全移动，设置垂直移动绝对位置传感器，实现垂直位移的实时监测，准确控制垂直位移实现抓包机构竖向精确定位。为保证抓包机构工作安全可靠，在抓包机构上设置负压监测传感器、袋底位置传感器、触包传感器、触底传感器、触壁传感器。为了实现精确的袋装物料定位，要求卸车时物料运输车车厢内的物料按照规定整齐码放，车辆必须在规定区域准确停放。事实上要实现车辆的精确停放是有一定难度的，为了解决这个问题，自动卸车系统必须具备车辆位置精确定位功能，利用人工辅助实现车厢位置的精确测定，降低车辆停靠位置的精度要求，只需车辆停靠到划定的区域即可。为了达到安全防爆标准，整个控制系统必须安装在防爆箱体中，所有传感器均必须选用本安型防爆产品，并通过隔离安全栅接入控制装置，所有执行电机必须采用防爆产品，同样通过隔离安全栅接入控制装置。

自动卸车子系统在首次安装完成或每次搬迁后重新安装完成时必须进行行走机构初始位置设定、传输带位置设定。在每次物料自动卸车作业开始前必须对停靠车辆进行车厢人工辅助定位。

物料自动储存控制子系统，物料储存子系统是由多个具有相同功能的物料储存集装箱构成的，每个集装箱包含用于物料储存的储存区、用于物料码放和出库的三维行走机构及抓包机构、用于物料箱际输转的输送机构、作业辅助系统等。物料储存单元控制子系统负责集装箱内物料的自动入库码放、自动出库及输转等过程的自动控制。

物料储存单元控制子系统接收调度控制子系统的命令，通过集装箱内设置的各种传感器和执行机构，完成物料的物料自动识别、自动入库储存、自动出库、自动输转、物料入库和出库速度自适应控制、储存空间规划、入库出库统计等。

物料入库时物料通过入库窗口从集装箱外的入库传输子系统或前一个集装箱内的传输带送入到本集装箱的传输带上，在本集装箱的传输带作用下向出库集装箱方向运动。当物料到达箱内传输带入口时对物料进行识别，若该物料与该集装箱单元的储存任务一致则等物料到达本集装箱传输带中部位置时，由抓包机构抓取并在三维行走机构的作用下到达物料储存区域相应位置进行码放。若该物料与该集装箱单元的储存任务不一致，则抓包机构无动作，物料在传输带的作用下通过出库窗口输转至下一个集装箱。

物料出库时，抓包机构在三维行走机构的作用下将指定物料从码放位置抓取出来并在三维行走机构的作用下送到本集装箱传输带中央，由传输带输转至出库传输带上送拆包投加子系统。

为保证物料储存集装箱工作安全可靠需设置若干传感器和执行机构实现物料的入库、码放、输转和出库动作。三维行走机构包括箱内纵向行走机构、横向行走机构、竖直伸缩机构。纵向行走机构沿分布在集装箱内部左右两侧的导轨行进，在左右两侧的前后两端均设置极限位置传感器保证纵向行走机构在安全范围内运行，设置左右两侧纵向绝对位移传感器，用于码放及抓包时的纵向精确位置控制和同步控制。在横向行走机构的左右两端设置极限位置传感器，保证横向行走机构在安全范围内运行，设置横向绝对位移传感器，用于横向精确位置控制。在竖直伸缩机构的上下两端设置极限位置传感器保证竖向行走机构在安全范围内运行，设置伸缩位移传感器用于码放及抓包时的竖向精确位置控制。设置负压监测传感器、袋底位置传感器、触包传感器、触底传感器、触壁传感器等，用于物料码放及抓包过程的自动控制。

在集装箱内传输带上的前部（入库窗口一侧）、中部和后部（出库窗口一侧）设置物料检测传感器检测物料的有无及位置，用于控制箱内传输带的运行。

纵向行走机构左右两侧分别设置可逆电机用于驱动纵向行走机构，横梁上设置1个可逆电机用于驱动横向行走机构，在竖直伸缩机构上设置1个可逆电机用于驱动竖向行走机构的。箱内传输带自带可逆电机用于驱动传输带的正向或逆向运行。设置1个真空吸盘控制阀。

物料储存单元控制子系统软件主要完成抓包机构初始位置设定、抓包机构的运行位置控制及极限位置保护、抓包机构动作控制、箱内传输带运行控制、传输速度自适应控制、库存物料进出库统计、运行状态及故障上传、控制命令接受等。

物料拆包投加控制子系统，物料拆包投加装置用于完成袋装物料的拆包、结块粉碎、推送、废袋打包回收等功能，并通过负压系统保证整个运行过程无粉尘外泄，同时实现加料速度自适应控制。

作业时袋装物料通过传输带送至拆包加料装置进料口，拆包加料装置感知到物料袋后自动打开进料门，当检测到物料全部进入拆包加料装置后关闭进料门。驱动高速刀片将物料袋割开，被割开的物料袋和物料进入破碎机构后进入滚动筛进行筛分，物料落下由螺旋输送机构送出，废袋由废袋收集装置收集后进入打包机构进行打包。为避免投加过程中物料的逸散，整个破袋、粉碎及筛分过程均在装置的密闭空间中完成，并设置负压收尘装置以避免进料门开启时粉尘外泄。

在进料门内外各设置1个物料袋检测传感器用于检测物料袋的位置。设置负压传感器检测收尘装置滤布的堵塞情况并即使控制振动系统抖落吸附在滤布上的物料。设置加料漏斗泥浆液位检测传感器检测物料在加料漏斗中的堵塞情况并通过调速装置实时控制螺杆输送电机速度。设置废袋累积量传感器检测废袋的累积量，当达到打包累集量时，启动打包机构进行打包后，启动推出机构将打包废料推出。设置2个打包带剩余量传感器，当打包带快用完时发出报警提示准备更换打包带，当检测到打包带用尽时停止拆包投加作业。为了统计各种途径送入的物料，系统设置物料识别传感器对各种物料进行统计。为保证拆包投加正常有序的运行，拆包投加控制子系统应具备如下软件功能。进料门控制功能、除尘装置控制功能、加料速度自适应控制功能、加料斗堵塞报警保护功能、废料打包控制功能、运行状态和故障状态上传功能、控制命令接收功能等。

物料输送子系统，物料输送子系统包括物料入库输送子系统和物料出库输送子系统两部分。物料入库输送子系统连接自动卸车子系统和自动储存子系统，将从自动卸车子系统卸下的物料输送到自动储存子系统的第一个集装箱，并通过随后的集装箱内部传输袋输送到相应的集装箱单元，实现物料的入库输送。为统计卸车的物料种类及数量和，在入库传输带上设置物料检测传感器和物料识别传感器对通过入库传输带的所有物料进行分类统计，用于同各储存集装箱的统计数据进行比较，同时上传监控系统便于同材料装车运输单进行比对。物料出库输送子系统连接自动储存子系统和自动拆包投加子系统，与自动储存子系统各集装箱单元内部的传输带一起将某一集装箱单元内部的物料输送到自动拆包投加子系统实现物料的出库输送。物料出库输送子系统除没有物料识别功能外，其余与物料入口输送系统相同。

调度控制子系统，调度控制子系统具备两个通讯端口，其一通过现场通讯总线与各子系统连接，实现调度控制命令的下达和各子系统运行状态、统计数据、故障信息等的收集，其二通过通讯网络或通讯总线与监控管理子系统相连，实时上传现场各子系统的运行及故障信息用于现场运行过程的实时监视、库存物料信息的统计，接收监控子系统下达的物料配比信息用于实时调度自动储存子系统各集装箱单元实现物料的自动出库、拆包投加。调度控制子系统还具有现场人机交互接口，实现相关信息的人机交互。调度控制子系统通过通讯总线与自动卸车子系统、入库输送子系统、自动储存子系统各集装箱单元控制装置、出库子系统、拆包投加子系统进行通讯。下达控制命令协调各子系统间的运行，收集各子系统的运行状态，实时调整各子系统的运行速度，使各子系统既独立运行又相互协调，提高作业效率，减少冲突。依据不同井段对物料储存空间进行统一规划调度，优化储存空间的利用率，使物料储存数量和种类均达到最优。收集各子系统运行故障信息，并根据不同的情况做出相应的处理。当物料运输车辆将物料（可能同时运送多种物料）运至井场时，首先将运输车辆精确的停靠到自动卸车子系统指定的位置，自动卸车子系统在人工辅助下实现车厢的定位工作，与此同时驾驶员将物料装车信息交监控室录入监控管理计算机，并下传到调度控制子系统中。调度控制子系统根据物料种类、数量及自动储存子系统中各集装箱空间情况进行统一规划，确定新入库物料的储存位置，若有必要还可事先对现有库存作腾挪处理。调度控制子系统规划好物料储存位置后将相应储存任务下达到自动储存子系统各集装箱单元控制装置并接收到自动卸车子系统上传的车厢定位就绪后启动卸车过程。卸车完成后各集装箱单元对比任务物料种类及数量后上传相关信息。调度控制子系统结合自动卸车子系统的相关数据后判断卸车作业是否完成，并将相关信息上传监控子系统。进行物料投加时，操作人员通过监控计算机下达需投加的药剂种类及数量到调度控制子系统，调度控制子系统根据任务量及各物料的特性按照最优的顺序下达物料出库任务至各储存单元。各储存单元按指定的顺序依次出库相应的物料并经传输带送拆包投加子系统。各子系统实时上传作业及故障信息到调度控制子系统，调度控制子系统进行协调控制，同时上传相关信息到监控子系统用于实时监视。

下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统包括自动卸车子系统、入库输送子系统、自动储存子系统、出库输送子系统、自动拆包投加子系统及调度控制子系统、管理信息系统，系统结构及流程框图如图2所示。

为保证系统的运输便捷性、搬迁撤收和安装的快捷性，简化拆装过程的技术要求，自动储存子系统由多个具有物料储存、物料自动码放、自动抓取、自动传输功能的集装箱单元构成，系统在井场的平面布置示意图如图3所示。以一个井场物料种类15种、总重量50吨计，需要8个集装箱储存单元，储存仓库长约20m宽约6m，占地面积约120m²。自动卸车子系统、自动拆包投加子系统及自动输送子系统依井场实际情况而定。

井场物料投加自动化系统的应用将彻底改变传统的井场物料投加工艺流程，为了满足系统的应用，必须提供一些保障条件，其内容如表1所示。

表1 井场物料投加自动化系统保障条件

序号	项目	条件
			1	电力功率需求	100千瓦
2	电压需求	380伏
			3	电力相位	三相交流电
4	压缩空气需求量	500升/每分钟
			5	包装印刷要求	印刷条形码和颜色标记
6	包装外观要求	包装袋无破损，无泄漏。
			7	物料包装运输	平整堆放
8	运输车辆	2桥车、4桥车
			9	场地防护要求	系统应具备防护装置

井场物料投加自动化系统主要技术参数，表2所示。

表2井场物料投加自动化主要技术参数

系统的应用环境，该系统适应于不同环境条件，其中：

海拔高度：≤3000米。

1、物料自动卸车系统

1.1 卸车系统功能

物料自动卸车系统主要功能是将车辆内的袋装物料，通过自动抓取装置，抓取袋装物料，放置到传输带上，达到卸货目的。

为便于系统进行自动操作，原料运输车辆应按要求准确停靠到指定位置，才能保证自动卸车系统的抓取装置，对车内每一袋物料进行抓取。自动卸车装置包括两条纵向导轨、一条横梁和一个抓取机器人。纵向导轨设在停车道两侧，横梁与导轨垂直且可在纵向导轨上纵向移动（Y轴），机器人手臂可到达全车厢任意位置，安装在机器人手臂末端的抓包装置抓取车上的袋装物料。抓包装置（机械手）将袋装药剂从车厢抓到传送带上，实现一袋物料的卸车工作，如此往复，直至将所有药剂卸车完毕。

物料抓取装置通过气压吸取原理，要求运输车辆内的物料码放平整。为了防止环境对系统的影响，卸车装置需要安装雨棚，安装地面需要硬化平整等要求。

1.2 卸车系统工作过程

卸车系统工作过程分为车辆定位、传输装置安装、抓取装置定位、抓取装置吸附等环节，具体工作步骤如下：

（1）运输车辆定位

当运输车辆将物料运到卸货位置时，需要准确的停靠在定位装置上。

（2）抓取装置定位

通过龙门架的行走机构与机器人手臂的空间运动，将抓取头准确的移动到待抓取物料的上方。

（3）抓取装置吸附

抓取头在机器人手臂的驱动下接近物料袋，驱动抓取装置，将物料袋吸附。

（5）物料袋卸车

物料袋吸附后，通过机器人手臂的空间运动及龙门架的行走机构，将吸附的物料袋移动到传输带的起始位置，驱动抓取装置，放下物料。

1.3 卸车系统的总体结构

卸车系统由龙门架、导轨、行走机构、机器人、抓取装置等组成。如图4所示。

（1）龙门架。卸车系统的骨架。

（2）导轨。门架运行的导向，为保证门架运行的精准性，要求地面铺设平整。

（3）行走机构。驱动门架运行的机构，由驱动电机、齿轮等组成。

（4）机器人。机器人底座固定在龙门架横梁上，可随横梁纵向移动，机器人手臂可在车厢空间运动，机械手末端安装由抓取物料的吸附装置。

（5）抓取装置。与集装箱内抓取装置结构相同，尺寸不同，由16个柔性真空吸头组成。

卸车系统通过地轨上行走、机器人手臂在空间任意运动，由抓取装置可达到车厢范围内三维空间的任意位置准确的抓取物料。

1.4 主要技术参数

物料自动卸车系统技术参数如表3所示。

表3卸车系统主要技术参数

技术参数	参数值
		功率	8kw
最大起重量	60kg

2、物料自动储存系统

2.1 储存系统功能

储存系统是实现物料入库、存放、出库，为物料投加做好供料准备的功能。储存系统由8个（暂定）独立的集装箱储存单元构成，每个独立的集装箱单元内都有各自的抓取及传输机构。自动识别由卸车系统通过传输系统送来的物料，由相应的储存单元从传输系统上抓取物料放置到相应的单元格。需要出库时，根据操作人员发出的指令，自动判定所需物料在在那个储存单元的那个单元格，相应的储存单元内置的抓取装置自动移动到相应的单元格抓取物料，并放到该储存单元内置的传输带上。

2.2 储存系统的工作过程

储存系统工作过程分为入库信息识别、储存区域存放、出库输送等环节，具体工作步骤如下：

（1）入库信息识别

当传输装置将物料传输到条码识别装置，条码识读器识读物料信息。

（2）储存区域存放

当物料通过集装箱内传输装置，将物料传输至需存储的集装箱单元，通过控制系统发出指令，物料会自动停在集装箱内相应的位置，这时，集装箱储存单元内置的纵横移动装置发生移动，移动到传输带物料上方，升降装置带动抓取头下降，抓取装置抓取物料，起动升降装置带动物料上升，并且纵横移动装置移动，将物料移动到集装箱内相应的储存区域，抓取装置放下物料，完成对物料的储存。

（3）出库输送

当系统接到出库指令时，则与入库反序运行。集装箱储存单元内置的纵横移动装置发生移动，移动到传输带物料上方，升降装置带动抓取头下降，抓取装置抓取物料，起动升降装置带动物料上升，并且纵横移动装置移动，将物料移动到集装箱内传输带上，抓取装置放下物料，传输带传动，完成箱内物料的出库任务。

2.3 储存系统的结构

储存系统由储存单元、箱内抓取装置横向移动机构、纵向移动机构、升降机构以及物料袋抓取装置组成。

2.3.1 储存系统总体结构

储存系统采用集装箱组合式结构，可根据需要设置若干个集装箱实现物料的自动储存。每一个集装箱均包含一段传输带、一套可在箱内三轴运动的运动机构、一个袋装物料抓取装置、一个由围栏分区的药剂储存空间及控制装置等，构成一个具有完整功能的自动储存单元，自动储存单元如图5所示，若干个自动储存单元组合形成的自动储存系统如图6所示。

集装箱内的传输带在安装时两个集装箱拼接时传输带间的无缝接续，形成一条长的传输带。传输带宽度应满足纵向运送袋装药剂的要求，在两侧加上挡板以免药剂滑落。传输带要求安装在1.5米高度上，下部空出便于在系统故障时人员进入集装箱搬运药剂。

三轴运动的运动机构布置在集装箱内上部空间，并能在整个集装箱内上部空间移动。三轴运动的运动机构包括横向、纵向导轨及伸缩机构等，可以带动抓包装置在箱体内运动。伸缩范围应满足抓取最上层和最下层药剂的要求。

袋装药剂抓取装置应能将药剂从堆垛状态下抓取出来，并保证在箱内的整个移动过程中不脱落。

2.3.2 储存单元结构

储存单元是储存物料的仓库，由标准集装箱经过定制改造完成，集装箱储存单元内上部安装有：横向导轨、纵向导轨，横向导轨上安装有横向移动机构，纵向导轨上安装有纵向移动机构，升降机构和抓取机构集成在横向移动机构上，储存单元下部由隔板分为几个独立的空间，在储存单元后面是储存空间，储存不同的物料，前面一个空间安置由集装箱内传送装置。

2.3.3 集装箱框架结构

集装箱框架是按20尺标准集装箱尺寸基础上进行改造完成，为了便于对物料填料进行分类管理，对集装箱内部空间进行了分割，把内部空间分为二个区域，一是用于储存物料填料，另一区域用于安装皮带传送机构，在布置传输带一端设置左右开箱门，便于对集装箱内机构进行安装与维修。在传输带两端对应位置开两个适当尺寸的窗口（带门）用于物料的输入输出及集装箱之间线缆等的连接。在集装箱另一端下部1.5米范围内开设一个应急门，用于系统故障时从另一侧人工搬运物料。

2.3.4 纵向移动机构

纵向移动机构通过固定在集装箱上部两侧的直线导轨与之相连，并可在导轨上前后自由移动，两侧由两个同步旋转的伺服电机分别通过一对相同的同步带轮带动齿轮同步旋转，齿轮与固定在装箱上部两侧的齿条啮合，驱动纵向移动机构部分移动。如图7所示。

2.3.5 横向移动机构

横向移动机构通过固定在纵向移动部分上的两根直线导轨与纵向移动部分连接，可在横向自由移动，由伺服电机通过一对同步带轮带动齿轮旋转，齿轮与固定在纵向移动部分上的齿条啮合，从而驱动横向移动部分。如图8所示。

2.3.6 升降机构

升降部分通过固定在横向移动部分上的两根多级导轨与横向移动部分连接，可在横向移动部分上自由上下移动，电机通过一对同步带轮驱动滚筒旋转，缠绕在滚筒上的钢丝索通过定滑轮换向后连接在抓取头上，从而带动抓取头上下移动。如图9所示。

2.3.7 抓取装置

抓取装置由16个柔性真空吸头组成，每个吸头都能根据物料的表面形状自动匹配。抓取装置结构，如图10所示。

2.4 关键技术分析

2.4.1 货位分配原则

由于钻井物料品种多，传统模式下的混合管理已远不能满足钻井物料自动投加高效率，低差错的要求。相对传统模式下物料堆放混乱，出入库寻找物料全凭经验，物料数量不易盘点等诸多问题，钻井物料投加管理信息系统采用基于模糊数学的货位分配算法，将物料的体积、出库频次、重量、储存条件等属性定义为模糊量，并将该模糊量带入最优货位分配算法中计算，再从计算所得结果中得到精确的物料分配货位。这样可以保证同一货位指定存放指定数量的物料，同一规格的多批物料扎堆存放，不同存储条件的物料分类存储，出库频次高的物料优先分配易于吸取的货位，大于货位存放容积的物料自动拆分存放，满足储存物料的可视化，精细化管理。

2.4.2 取货路径算法

钻井物料投加管理信息系统综合考虑取货装置行走距离，搜索物料时间等因素，针对集装组合单元结构和钻井物料特点，为保证出库的准确性和高效性，采用启发式算法对所取选的物料进行分类排序，将每一种型号物料堆放分布进行分割，各货位分布连接起来形成一条优化路径，保证在最短的行走距离内取货。

2.4.3 信息采集技术在储存中应用

单井自动化集装箱式仓储业务管理信息系统采用条码技术来对物料进行管理。

物料存储管理：条码技术能用来实现自动化的存货和取货等操作。在整个物料储存管理中，通过将业务系统制定的收货计划、取货计划与条码识别技术相结合，能够高效地完成物料出入库操作，如指定堆放区域等，系统提供硬件接口与条码采集进行数据交换，由于有完整的数据接口，避免了不必要的数据重复输入和因此所造成的错误。这样，增强了作业的准确性和快捷性，提高了作业质量，节省了库存空间，减少了物料出入库作业的错误。

物料验收：系统中条码阅读器会被固定在指定的区域，而带有条码的物料袋经过阅读器时，会被阅读器检测到。阅读器会读取条码信息并把数据信息输入到单井自动化集装箱式仓储业务管理信息系统中，通过存储、分析和处理达到物料验收的目的。

2.5 主要技术参数

储存系统的主要技术参数如表4所示。

表4物料自动储存主要技术参数

技术参数	参数值
		功率	8kw
集装箱单元几何尺寸	6058×2438×2591
		单元最大储存能力	7.5吨

3、物料自动拆包投加系统

3.1 拆包投加系统功能

拆包投加系统是实现包括：袋装物料破袋、物料投加、废袋回收等功能，拆包投加工作时，要求破袋过程中无任何粉尘外泄，因此，药剂的破袋、投加、推送操作在一个密闭的空间进行。为了减少粉尘的逸散，设置一个抽风系统使该空间形成一个持续的负压。由于部分药剂易受潮板结，投加装置具有板结药剂粉碎功能。

对于类似于糠壳的药剂，需要额外的推送装置，为满足投加物料时不堵塞加料漏斗的要求，推送装置应具备速度调节功能。

对卸料后的包装袋需按一定数量进行捆扎打包处理后，方能排出，并通过滑槽集中到某个位置。

3.2 拆包系统工作过程

袋装物料由皮带输送机传送至45度角的滑板上并依靠重力沿滑板下滑，在下滑过程中由快速转动的刀片将包装袋割开，对结块物料进行破碎，被割开的残袋和物料滑入滚筒筛进行筛分。从滚筒筛落下的物料由螺旋输送机输出，破损的包装袋、杂质、被滚筒筛带出机体。割刀破袋过程中引起的粉尘由布袋式除尘器捕捉并抖落入螺旋输送机，如图11所示。

3.3 拆包系统的组成

自动破袋机由皮带输送机、割刀装置、滚筒筛、中间支架、布袋除尘器、螺旋输送机、控制箱共七部分组成。

3.4 主要技术参数

拆包系统主要技术参数如表5所示。

表5拆包投加机主要技术参数

技术参数	参数值
		功率	17kw

4、物料自动输送系统

4.1 输送系统功能

输送系统主要指带式输送机，它是用封闭无端的输送带连续输送物料的机械。物料带式输送机可用于在水平或一定倾斜角度连续输送物料。

输送系统包括三部分，第一部分为连接卸车系统的车用上下输送机；第二部分是物料入库和出库时使用的水平输送机；第三部分是在集装箱内部，有带式输送装置，每一集装箱储存单元都有一段独立的输送装置，各个储存单元的输送装置组合起来自动形成了集装箱单元式输送系统。

4.2 输送系统组成

4.2.1 车用上下输送机

车用上下输送机用于物料上下汽车的输送作业，与水平输送机或伸缩输送机配套使用。使用时将输送机置于汽车车厢尾部，进行卸车作业。车用上下输送机主要由头部平台、输送桥、尾部可调平台、底架、提升机构、电器控制装置等组成。

（1）底架

底架承受输送机的全部重量和载荷，是由左右主梁和前后端梁焊合而成的框架。框架前端后面焊有行走轮转向装置固定板，前端下面装有两个转向轮，后端下面装有两个行走轮。后端上面用螺栓固定电动滚筒用的两个固定座。框架前横梁焊有铰接支座，用于铰接提升机构的支撑架。

（2）行走机构

行走机构包括前转向轮、后行走轮、转向传动装置和方向盘。转向轮为万向轮结构形式。

（3）输送桥

输送桥是本机主要部分，由电动滚筒、改向滚筒、胶带、托辊、机架等组成。

（4）尾部平台

尾部平台支承在底架上，其中一点铰接在连接座上，另一点通过棘爪支承在电动滚筒支座的棘轮板的棘齿上。

（5）头部平台

头部平台的第一输送带与输送桥同为一根输送带。

4.2.2 水平伸缩输送机

水平输送机采用伸缩式输送机，主要由固定机架、伸缩机架、电动滚筒、改向滚筒、伸缩前滚筒、伸缩后滚筒、伸缩钢丝绳机构、上下五层托辊、第二输送带等组成。

机架包括固定机架和伸缩机架两部分。

4.2.3 集装箱内输送机

集装箱内输送机主要部件有第三输送带、托辊、驱动装置（电动机、减速器、传动滚筒）、改向滚筒、张紧装置、机架等。

4.3 主要技术参数

输送系统主要包括车用上下输送机技术参数，表6所示。输送机主要技术参数，表7所示。箱内带式输送机主要技术参数，表8所示。

表6 车用上下输送机主要技术参数

技术参数	参数值
		带宽	500mm
带速	0.8m/s
		电动机功率	3kw
外形尺寸	长度根据作业条件而定

表7 式输送机主要技术参数

技术参数	参数值
		输送带宽	500mm
输送速度	0.8m/s
		电动机功率	1.5kw

表8箱内带式输送机主要技术参数

技术参数	参数值
		输送带宽	500mm
输送速度	1m/s
		电动机功率	1.5kw

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统进一步包括：

基础设施层，基础设施层主要指信息网和各种基础软件；在基础设施层中，采用防火墙、入侵检测、接入控制等网络安全措施来保证网络基础设施的安全。

资源数据层，为综合信息支撑平台提供各种数据资源，是综合信息支撑平台的数据核心；数据资源层采用数据备份、数据分类管理、数据加密存储、权限管理等措施来保证数据安全。

业务应用层，主要包含物料投加业务系统、物料投加监控系统和消息提醒、用户认证和日志记录等服务。

日志服务主要用于记录用户在井场物料投加自动化系统中的所有操作日志，日志服务主要记录操作人、操作时间、客户端类型、登录电脑IP地址、登录电脑操作系统、操作功能、操作情况、设施设备进行监控时的异常功能、异常内容、操作人和操作时间。

消息提醒服务主要对异常信息的提醒，便于管理人员维护系统。消息提醒服务主要包括：设备采集数据异常；设施设备状态异常；设施设备控制异常。

用户层，终端用户都通过认证，登录进入到物料投加系统中，用户的功能和权限由信息平台提供的用户权限认证服务进行管理和维护。

本发明实施例提供的钻井液物料自动投加系统部署在钻井的机房。它通过互联网对上与业务系统相连，对下与钻井物料自动投加中各种信息采集设备和控制设备进行数据交换。钻井物料自动投加管理系统与业务保障管理系统的关系。钻井物料自动投加管理系统将钻井自动物料投加信息，包括出入库物料品种、数量、时间；物料投加品种、数量、时间等，通过互联网传输到数据库，业务保障管理系统从数据库中提取相关数据进行统筹优化，并将决策分析的结果进行汇总。钻井液公司的信息平台通过云服务平台，与井场物料投加业务管理系统实现信息互联互通，当钻井液公司生产系统下达井场物料投加生产任务后，井场物料投加业务管理系统接受任务信息后，形成物料投加计划。同时，管理系统根据物料投加、入库、出库的生产任务，发出命令触发监控系统，实现与监控系统的通讯，发布投加操作任务单，并接收监控系统返回的完成报告。也可应用远程终端通过无线远程控制方式，对监控系统下达命令，对各控制单元发出执行动作。

具体作业流程如下：

（1）卸车物料信息下传

当物料运输车辆到达井场后，必须将车辆物料装载信息录入管理信息系统，在进行实际的物料自动卸车前，系统必须将车辆装载的物料种类、包装规格及数量（袋数）等信息，录入至物料投加业务管理系统中，用于规划物料的储存方案，为物料自动入库奠定基础。

（2）物料投加计划下达

在钻井作业过程中需要添加物料时，首先由相关人员做出物料投加计划，确定投加的物料种类及数量并在物料投加计划下达界面录入、下传到物料投加监控系统，监控系统根据物料的特点合理安排投加顺序，并将集体的出库计划下达到相应的集装箱单元控制装置中，同时协调相关集装箱单元控制子系统、出库传输子系统及拆包投加子系统完成出库投加作业。

作业计划及实际实施情况等信息反馈到管理信息系统中作为入库出库统计管理的依据，同时记录相应的流水信息，便于日后追溯。

（3）物料作业过程实时监控

物料作业过程实时监控主要完成自动卸车子系统、输送子系统、自动储存子系统及拆包投加子系统中各设备的实时状态信息、各集装箱中物料的实际存量增减信息、故障信息等的监视、报警和人工远程干预等操作。

本发明实施例的井场物料业务管理系统，井场物料投加业务管理系统主要包括基本信息、井场物料投加计划管理系统、物料库存管理系统、井场物料投加作业管理系统等。

基础信息模块实现基础信息的录入及查询功能。主要包括以下内容：物料基础信息、人员基础信息、井场基础信息等。

（1）物料基础信息。主要指物料的品种、型号、数量、包装、重量等信息。

（2）人员信息。指井场工作的人员信息，包括：人员姓名、性别、年龄、职务等信息。

（3）井场基础信息。指井场的基础设施情况，如井场位置、面积、道路、设备状态信息等。

物料投加计划管理

物料计划管理模块实现钻井填料任务下达的功能。主要包括以下内容：物料入库运输计划、物料储存计划、物料投加作业计划等。

（1）物料入库运输计划。主要指物料入库运输计划的制定，提供单位、运输时间、运输物料规格、品种、数量等计划信息。

（2）物料储存计划。指物料储存计划的制定，提供入库时间、品种、数量信息，物料储存计划制定人、审批人，计划制定和审批时间等计划信息。

（3）物料投加作业计划。指物料投加作业计划的制定，提供物料投加时间、品种、数量信息，物料投加作业计划制定人、审批人，计划制定和审批时间等计划信息。

物料储存管理

物料储存管理功能模块实现物料出入库、库存管理的功能。主要包括物料入库管理、物料出库管理、物料库存管理、物料库存盘点管理、物料库存统计管理，通过储存管理实现库存物料全程可视、帐目清晰。

（1）物料入库管理。对使用物料入库登记功能。通过录入条码信息，记录物料品名、型号、生产厂家、生产日期、入库时间等信息。

（2）物料出库管理。对物料出库时进行信息登记管理，记录物料的品名、型号、操作人员、出库使用日期等信息。

（3）物料库存管理。对库存物料进行查询管理，提供物料库存状况信息，包括物料的库存量、库存分布位置，当库存量低于安全库存量时，系统能及时报警提示。

（4）物料库存统计管理。通过对库存物料盘点管理，能统计出各种物料的使用情况信息，并能打印物料库存和使用的统计报表。

物料作业管理

物料作业管理模块实现井场物料投加作业的功能。主要包括以下内容：物料投加作业实施管理、物料投加作业状况管理。

（1）物料投加计划下达管理。根据物料投加作业计划，对物料投加实施发布指令，提供物料的种类，投加数量、作业下达时间、作业下达人员等信息。

（2）物料投加作业实施管理。对物料投加作业过程进行管理，提供物料投加作业时间、投加数量、投加品种等信息。

（3）物料投加作业状况管理。对物料投加作业时各种状况管理，包括设备运行状况、计划实施状况、人员倒位状况、物料投加完成状况等。

本发明实施例沟通井场物料投加监控系统

井场物料投加监控实现物料投加自动卸车、物料投加传输、物料投加储存、物料投加破袋等的实时状态监控管理，监控系统可以实时显示状态信息并可根据状态信息及预定义参数实现设备控制和报警功能。

（1）自动卸车监控

远程监控行车运行状态，紧急情况时，发送电闸关断控制指令，实现电闸远程控制或者人工手动关断；在设备运行图上标识出运行状态及参数；根据装卸物料投加需要，向抓包装置发送控制指令，实现抓包装置按需定时运行。

（2）物料输送监控

监控物料输送过程，包括卸车输送、入库输送和出库输送，在设备运行图上标识出物料输送运行状态及参数，对输送过程故障信息进行监视、报警和人工远程干预等操作。

（3）物料存储监控

监控物料出入库过程监控，对设备运行图上标识出物料储存状态及参数，对集装箱中物料的实际存量增减信息、故障信息等的监视、报警和人工远程干预等操作。

（4）物料破袋监控

对物料破袋过程进行监控，在设备运行图上标识出物料破袋状态及参数，对破袋过程故障信息进行监视、报警和人工远程干预等操作。

本发明实施例的井场物料投加系统采用J2EE开发体系，采用多层结构，应用程序各部分之间实现了松散耦合，每一层可以被单独改变，而无需其它层的改变，降低了部署与维护的开销，提高了灵活性和可伸缩性。业务逻辑集中放在服务器上由所有用户共享，使得系统的维护和更新变得简单，也更安全。数据库不再和每一个活动的用户保持一个连接，而是采用云计算方式，保证数据服务的可靠性。为了保持系统的灵活性和可伸缩性，也为了和川庆公司信息平台采用一致的技术体系，基于J2EE的B/S开发体系是井场物料投加系统的最佳选择。井场物料投加系统作为川庆公司信息子系统，既要和其他川庆公司信息分系统松散耦合，满足各个业务系统差异化的要求，同时又要满足整个川庆公司信息集成融合和数据共享的要求。那么，井场物料投加系统在对内实现自身独有的业务功能的同时，又要对外提供通用的服务，供其他业务系统调用，完成复用的功能，这也是整个井场物料投加系统追求的目标。为了达到这个目标，在众多的技术选型中，井场物料投加系统采用面向服务的架构。井场物料投加系统在架构模式上充分利用了SOA的优势，各模块之间松散耦合，内部实现不相互依赖，模块的修改和移植不会影响到全局，和其他川庆公司信息分系统之间通过对外提供的服务接口进行数据交换，接口形式采用统一的国家标准和规范。从技术开发角度讲，面向服务的架构提供了一个更加灵活的开发模式，使得软件无论是开发方法、实现技术还是开发效率都到了提升。因此，在井场物料投加系统中，不但要利用面向服务的架构思想，还要充分利用SOA的诸多优势，将井场物料投加系统信息化水平提升到新的高度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种钻井液物料自动投加系统，其特征在于，所述钻井液物料自动投加系统包括：

现场控制层，由现场传感器、执行器、人机交互设备和控制单元组成，与机械系统配合完成物料的自动卸车、自动入库、自动码放、自动出库、自动拆包投加、物料自动输转、废袋自动打包的自动控制；

现场调度控制层，由调度控制子系统组成，包括调度控制装置、人机交互设备、通讯设备，向下负责协调现场控制层各控制子系统，使之协调、有序的运行，实现物料的卸车、入库、出库及拆包投加各环节的协调运行控制；

管理层，包括管理计算机、通讯设备、储存备份设备、打印设备及信息管理系统软件，负责物料的配比设置、物料的进出库管理、物料卸车、储存、拆包投加过程的实时监控、报表打印，预留信息接口实现信息远传；

所述现场控制层进一步包括：

物料自动卸车控制子系统，实现物料自动卸车，在与物料运输车辆长度方向上车厢两侧的地面上敷设两条平行的轨道，轨道上设置一个龙门架形的纵向行走机构沿轨道行走；

自动卸车子系统，用于实现物料自动卸车；

物料自动储存控制子系统，由多个具有相同功能的物料储存集装箱构成的，每个集装箱包含用于物料储存的储存区、用于物料码放和出库的三维行走机构及抓包机构、用于集装箱之间输转的输送机构、作业辅助系统；物料自动储存控制子系统负责集装箱内物料的自动入库码放、自动出库及输转的自动控制；完成抓包机构初始位置设定、抓包机构的运行位置控制及极限位置保护、抓包机构动作控制、箱内传输带运行控制、传输速度自适应控制、库存物料进出库统计、运行状态及故障上传、控制命令接受；

物料拆包投加控制子系统，用于完成袋装物料的拆包、结块粉碎、推送、废袋打包回收功能，并通过负压系统保证整个运行过程无粉尘外泄，同时实现加料速度自适应控制；

所述钻井液物料自动投加系统还包括自动卸车子系统、入库输送子系统、自动储存子系统、出库输送子系统、自动拆包投加子系统及调度控制子系统、管理信息系统；自动卸车子系统，将车辆内的袋装物料，通过抓包机构，抓取袋装物料，放置到传输带上，达到卸货目的；

自动储存子系统，实现物料入库、存放、出库，为物料投加做好供料准备的功能；

物料输送子系统，由入库输送子系统和出库输送子系统组成；入库输送子系统连接自动卸车子系统和自动储存子系统，将从自动卸车子系统卸下的物料输送到自动储存子系统的第一个集装箱，并通过随后的集装箱内部传输带输送到相应的集装箱存储单元，实现物料的入库输送；

调度控制子系统，具备两个通讯端口，通过现场通讯总线与各子系统连接，实现调度控制命令的下达和各子系统运行状态、统计数据、故障信息的收集，通过通讯网络或通讯总线与监控管理子系统相连，实时上传现场各子系统的运行及故障信息用于现场运行过程的实时监视、库存物料信息的统计，接收监控管理子系统下达的物料配比信息用于实时调度自动储存子系统各集装箱存储单元实现物料的自动出库、拆包投加。

2.如权利要求1所述的钻井液物料自动投加系统，其特征在于，所述自动卸车子系统包括两条纵向导轨、一条横梁和一个抓取机器人；纵向导轨设在停车道两侧，横梁与纵向导轨垂直且可在纵向导轨上纵向移动，安装在机器人手臂末端的抓包机构抓取车上的袋装物料；抓包机构将袋装药剂从车厢抓到传输带上，实现一袋物料的卸车工作。

3.如权利要求1所述的钻井液物料自动投加系统，其特征在于，所述自动储存子系统由8个独立的集装箱储存单元构成，每个独立的集装箱储存单元内都有各自的抓取及传输机构；自动识别由自动卸车子系统通过物料输送子系统送来的物料，由相应的集装箱储存单元从物料输送子系统上抓取物料放置到相应的单元格；需要出库时，根据操作人员发出的指令，自动判定所需物料在集装箱储存单元的那个单元格，相应的集装箱储存单元内置的抓包机构自动移动到相应的单元格抓取物料，并放到该集装箱储存单元内置的传输带上。

4.如权利要求1所述的钻井液物料自动投加系统，其特征在于，所述自动拆包投加子系统包括皮带输送机、割刀装置、滚筒筛、中间支架、布袋除尘器、螺旋输送机、控制箱共七部分组成。

5.如权利要求1所述的钻井液物料自动投加系统，其特征在于，所述物料输送子系统包括三部分，第一部分为连接自动卸车子系统的车用上下输送机；第二部分是物料入库和出库时使用的水平输送机；第三部分是在集装箱内部，有带式输送装置，每一集装箱储存单元都有一段独立的输送装置，各个储存单元的输送装置组合起来自动形成了集装箱存储单元式输送系统；

车用上下输送机，用于物料上下汽车的输送作业，与水平输送机或伸缩输送机配套使用；使用时将输送机置于汽车车厢尾部，进行卸车作业；车用上下输送机由头部平台、输送桥、尾部可调平台、底架、提升机构、电器控制装置组成；底架由左右主梁和前后端梁焊合而成的框架；框架前端后面焊有行走轮转向装置固定板，前端下面装有两个转向轮，后端下面装有两个行走轮；后端上面用螺栓固定电动滚筒用的两个固定座；框架前横梁焊有铰接支座，用于铰接提升机构的支撑架；

行走机构包括前转向轮、后行走轮、转向传动装置和方向盘；转向轮为万向轮结构形式；

输送桥由电动滚筒、改向滚筒、胶带、托辊、机架组成；

尾部平台支承在底架上，其中一点铰接在连接座上，另一点通过棘爪支承在电动滚筒支座的棘轮板的棘齿上；

头部平台的第一输送带与输送桥同为一根输送带；

水平输送机采用伸缩式输送机，由固定机架、伸缩机架、电动滚筒、改向滚筒、伸缩前滚筒、伸缩后滚筒、伸缩钢丝绳机构、上下五层托辊、第二输送带组成；

集装箱内输送机部件由第三输送带、托辊、驱动装置、改向滚筒、张紧装置、机架组成。

6.一种如权利要求1所述钻井液物料自动投加系统的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

基础设施层，基础设施层主要指信息网和各种基础软件；在基础设施层中，采用防火墙、入侵检测、接入控制网络安全措施来保证网络基础设施的安全；

资源数据层，为综合信息支撑平台提供各种数据资源，是综合信息支撑平台的数据核心；数据资源层采用数据备份、数据分类管理、数据加密存储、权限管理措施来保证数据安全；

业务应用层，包含物料投加业务系统、物料投加监控系统和消息提醒、用户认证和日志记录服务；

用户层，终端用户都通过认证，登录进入到自动投加系统中，用户的功能和权限由信息平台提供的用户权限认证服务进行管理和维护。

7. 一种如权利要求1所述钻井液物料自动投加系统的钻井液物料自动投加方法，其特征在于，所述钻井液物料自动投加方法包括：

（1）卸车物料信息下传

当物料运输车辆到达井场后，将车辆物料装载信息录入管理信息系统，在进行实际的物料自动卸车前，将车辆装载的物料种类、包装规格及数量信息，录入至物料投加业务管理系统中，用于规划物料的储存方案，为物料自动入库奠定基础；

（2）物料投加计划下达

在钻井作业过程中需要添加物料时，首先由相关人员做出物料投加计划，确定投加的物料种类及数量并在物料投加计划下达界面录入、下传到物料投加监控系统，监控系统根据物料的特点合理安排投加顺序，并将集体的出库计划下达到相应的集装箱存储单元控制装置中，同时协调相关物料自动储存控制子系统、出库输送子系统及拆包投加子系统完成出库投加作业；作业计划及实际实施情况信息反馈到管理信息系统中作为入库出库统计管理的依据，同时记录相应的流水信息；

（3）物料作业过程实时监控

物料作业过程实时监控完成自动卸车子系统、物料输送子系统、物料自动储存控制子系统及物料拆包投加控制子系统中各设备的实时状态信息、各集装箱中物料的实际存量增减信息、故障信息的监视、报警和人工远程干预操作。

8.一种应用权利要求1~5任意一项所述钻井液物料自动投加系统的钻井机房，其特征在于，所述钻井机房通过互联网对上与业务系统相连，对下与钻井液物料自动投加系统中各种信息采集设备和控制设备进行数据交换；钻井物料自动投加管理系统与业务保障管理系统的关系；钻井物料自动投加管理系统将钻井自动物料投加信息，包括出入库物料品种、数量、时间；物料投加品种、数量、时间，通过互联网传输到数据库，业务保障管理系统从数据库中提取相关数据进行统筹优化，并将决策分析的结果进行汇总；钻井液公司的信息平台通过云服务平台，与井场物料投加业务管理系统实现信息互联互通，当钻井液公司生产系统下达井场物料投加生产任务后，井场物料投加业务管理系统接受任务信息后，形成物料投加计划；同时，管理系统根据物料投加、入库、出库的生产任务，发出命令触发监控管理子系统，实现与监控管理子系统的通讯，发布投加操作任务单，并接收监控管理子系统返回的完成报告，也可应用远程终端通过无线远程控制方式，对监控管理子系统下达命令，对各控制单元发出执行动作。

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