CN109356563B - 自动化钻机集成安全保护系统及控制逻辑 - Google Patents

Abstract

自动化钻机集成安全保护系统及控制逻辑包括：控制器和若干控制系统，控制器用于接收司钻房内发出的控制指令，控制各个控制系统的输入和输出并切断动力源，所述的控制系统包括：绞车控制系统、顶驱控制系统、仪表系统、液压站系统、发电机系统、钻台面检测急停系统、二层台检测系统、猫道控制系统、铁钻工控制系统、自动排管控制系统、缓冲机械手系统和吊卡卡瓦系统、发电机系统；各个控制系统分别控制各单元信号的输入和输出。司钻房通过系统总急停、发电机系统急停、区域急停系统实现对整个钻机分区、分系统停车。本发明可实现设备作业和交接过程的安全性；也可以实现设备作业过程的紧急保护。

Description

自动化钻机集成安全保护系统及控制逻辑

技术领域

本发明涉及到石油钻井设备自动化集成安全保护领域。

本发明涉及到钻机保护系统的控制逻辑。

背景技术

钻井现场设备的安全性和作业的安全性一直被油田和设备制造厂家作为重中之重。随着自动化钻井装备日益发展，设备在现场的作业方式也发生了变化，对设备安全性提出了更高的要求。针对自动化钻机配备的自动排管机械手、自动化猫道、铁钻工和扶正手等自动化装备，如何保证在自动化流程下设备的安全性以及如何保证作业或维修情况下人员的安全性就变得至关重要。为此，结合自动化钻机作业特点，利用钻机集成控制系统的控制性能，在钻机关键部位安装检测和紧急操作装置，通过与原有集成控制系统的融合，形成对自动化钻机设备和操作有效的安全报警和停机装置，大大提高了自动化设备的安全性能。

发明内容

本发明目的是提供一套自动化钻机集成安全保护系统及控制逻辑，其目的之一为：通过对各自动化工具位置和状态的检测形成区域防碰撞系统，实现设备作业和交接过程的安全性；其目的之二为：在钻台面和二层台的位置设置检测报警和急停装置，形成误闯入和急停系统，实现设备作业过程的紧急保护。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明包括：控制器和若干控制系统，控制器用于接收司钻房内发出的控制指令，控制各个控制系统的输入和输出并切断动力源，所述的控制系统包括：绞车控制系统、顶驱控制系统、仪表系统、液压站系统、发电机系统、钻台面检测急停系统、二层台检测系统、猫道控制系统、铁钻工控制系统、自动排管控制系统、缓冲机械手系统和吊卡卡瓦系统、发电机系统；各个控制系统分别控制各单元信号的输入和输出。

绞车控制系统控制绞车的启动、停止和提升下放速度调节；

顶驱控制系统控制顶驱主电机的启动、停止和正反转速度、扭矩调节，以及辅助管子处理功能的控制实现；

仪表系统对钻机中各参数进行测量和显示；

液压站系统为各系统提供液压动力源；

发电机系统用于发电，并实现电力的供应的切断以及多台发电机的并网和解列；

钻台面检测系统用于实现对人员误闯入工作危险区域的自动检测，并设置急停操作按钮，可实现手动操作急停；

二层台检测系统在二层台区域设置检测传感器，实现在此区域内设备干涉状态的自动检测；

猫道控制系统实现对猫道向钻台面送钻杆和从钻台面向下卸钻杆的手动和自动控制；

铁钻工控制系统实现钻杆连接中的旋扣、上扣和钻杆拆卸中的卸扣、旋扣功能；

自动排管控制系统实现钻杆立柱从井口到达的二层台区域和地面立根区域的自动摆放以及从二层台区域和地面立根区域的自动抓取钻杆立柱的功能；

缓冲机械手系统实现吊卡在卡主钻杆后，游车上升阶段的扶钻杆功能，以及游车下放甩钻杆时的顶钻杆功能；

吊卡卡瓦系统实现吊卡系统的关闭、打开以及吊卡角度翻转功能，卡瓦的关闭、打开以及关闭后检测反馈联锁功能。

自动化钻机集成安全保护系统的控制逻辑，司钻房通过系统总急停实现对猫道急停、铁钻工急停、排管急停和游车急停的输入输出信号的封锁；通过猫道急停、游车急停、铁钻工急停和排管急停实现对相应各单元的输入输出信号的封锁；发电机系统急停实现整个井场电源的切断；区域急停系统实现二层台区、钻台区防撞和误闯入的自动急停或手动急停。

二层台区和钻台区有人员误闯入时，区域自动急停系统起作用，停止此区域各子系统的作业，同时在钻台区综合猫道控制系统、自动排管系统、铁钻工系统和游车系统的检测信号并判断可能发生碰撞，对相应的设备发出急停封锁信号；二层台区综合自动排管系统和游车系统的检测信号，对可能发生的碰撞进行分析判断，发出逻辑封锁信号；当发出急停封锁信号后，如果发现系统检测信号返回检测后仍然有危险，则自动启动一级自动急停信号对相关子系统的动力源进行切断，停止执行机构运行；在各危险区域的入口和标定位置设置手动区域停机操作机构，当人员发现危险时，可随时对钻台区、二层台区域以及各系统进行手动急停，封锁各子系统的输入输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在高度自动化作业的工程中，通过设置多个控制系统分别控制相应系统的急停，既实现了总急停又可实现分区域、分系统急停，同时设置手动和自动控制，可有效的防止和避免设备在交叉作业区域的碰撞危险和人员伤害；

2、通过封锁输入输出和切断动力源两种方式对执行机构进行急停，能更加提高安全的保证。

附图说明

图1为本发明控制系统框图；

图2为本发明控制逻辑框图。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明做进一步说明。

参见附图1、2，控制器通过通讯网络分别与绞车控制系统、顶驱控制系统、仪表系统、猫道控制系统、铁钻工控制系统、自动排管控制系统实现数据的单\双向通讯连接，其次液压站系统、发电机系统、钻台面检测系统、二层台检测系统、缓冲机械手系统和吊卡卡瓦系统通过硬线连接的方式分别与控制器实现数据的单\双向交换。控制器用于接收司钻房内发出的控制指令，控制各个控制系统的输入和输出并根据指令切断动力源，所述的控制系统各个控制系统分别控制相对应系统的输入和输出。实现系统的总急停或分区急停。绞车控制系统：主要实现对绞车的启动、停止和提升下放速度调节。顶驱控制系统:实现对顶驱主电机的启动、停止和正反转速度、扭矩调节，以及辅助管子处理功能的控制实现，包括吊环、旋转头、背钳、上卸扣等功能。仪表系统：主要实现对钻井悬重、钻压、井深、大钩高度、大钩速度、立管压力、泥浆系统参数等的测量和显示。

液压站系统：自动化钻机中主要有用于铁钻工、猫道、井架工的工具液压站，盘刹液压站和辅助液压站，主要实现为各系统提供符合压力和流量要求的液压动力源。发电机控制系统：主要实现对发电机单机的电压、频率、相位、功率等控制，实现稳定的发出符合要求的电力，并实现电力的供应的切断以及多台发电机的并网和解列。钻台面检测急停系统：主要实现对人员误闯入工作危险区域的自动检测，并在关键位置设置急停操作按钮，可实现手动操作急停。二层台检测系统：在二层台区域设置必要的检测传感器，实现在此区域内设备干涉状态的自动检测。猫道控制系统：主要实现对猫道向钻台面送钻杆和从钻台面向下卸钻杆的手动和自动控制。铁钻工控制系统：主要实现钻杆连接中的旋扣、上扣和钻杆拆卸中的卸扣、旋扣功能。自动排管控制系统：主要实现钻杆立柱从井口到达的二层台区域和地面立根区域的自动摆放以及从二层台区域和地面立根区域的自动抓取钻杆立柱的功能。缓冲机械手系统：主要实现吊卡在卡主钻杆后，游车上升阶段的扶钻杆功能，以及游车下放甩钻杆时的顶钻杆功能。吊卡卡瓦系统：实现吊卡系统的关闭、打开以及吊卡角度翻转功能，卡瓦的关闭、打开以及关闭后检测反馈联锁功能。

司钻房内设置有系统总急停、发电机急停、猫道急停、铁钻工急停、排管急停和游车急停。系统总急停拍下时，控制器可实现对猫道系统、铁钻工系统、自动排管系统和游车系统的输入输出信号的同时封锁。猫道急停、铁钻工急停、排管急停和游车急停拍下可实现对单个系统的输入输出信号的封锁，发电机系统急停拍下时，可实现整个井场电源的切断。在钻台面和封闭执行区域设置有人员闯入检测系统，当有人员误闯入时，为了避免人员伤亡，区域急停系统中的区域自动系统起作用，停止此区域各子系统的作业，保证人员安全。其次，在钻台面区域综合猫道控制系统、自动排管系统、铁钻工系统和游车系统的检测信号，分别实时分析各系统的当前位置状态，钻台区防撞系统通过逻辑判断对可能和即将产生碰撞的设备发出急停封锁信号，使系统避免在钻台区内产生碰撞事故。二层台区域综合自动排管系统和游车系统的当前位置检测信号，二层台区域防撞系统对可能发生的碰撞进行分析判断，发出逻辑封锁信号。当发出急停封锁信号后，如果发现系统检测信号返回检测后仍然有危险，则自动启动一级自动急停信号对相关子系统的动力源进行切断，停止执行机构运行。在各危险区域的入口和标定位置设置手动区域停机操作机构，当人员发现危险时，可随时通过钻台区急停、二层台区急停对系统进行手动急停，封锁各子系统的输入输出。

本发明可实现整个钻机系统的总急停、分系统急停、分区急停等功能，并同时设置自动控制和手动控制，大大提高了设备的安全性。同时系统急停和切断动力源双重保障，提高了设备的稳定性。

Claims (2)

1.自动化钻机集成安全保护系统的控制方法，自动化钻机集成安全保护系统包括控制器和若干控制系统，控制器用于接收司钻房内发出的控制指令，控制各个控制系统的输入和输出并切断动力源，所述的控制系统包括：绞车控制系统、顶驱控制系统、仪表系统、液压站系统、发电机系统、钻台面检测急停系统、二层台检测系统、猫道控制系统、铁钻工控制系统、自动排管控制系统、缓冲机械手系统和吊卡卡瓦系统；各个控制系统分别控制各单元信号的输入和输出；其特征在于：司钻房内设置有系统总急停、发电机急停、猫道急停、铁钻工急停、排管急停和游车急停；系统总急停拍下时，控制器实现对猫道急停、铁钻工急停、排管急停和游车急停的输入输出信号的封锁；通过猫道急停、游车急停、铁钻工急停和排管急停实现对相应各单元的输入输出信号的封锁；发电机系统急停实现整个井场区域电源的切断；区域急停系统实现二层台区域、钻台面防撞和误闯入的自动急停或手动急停；

二层台区域和钻台面有人员误闯入时，用于二层台区域和钻台面两个区域的区域自动急停系统起作用，停止此区域各子系统的作业，同时在钻台面综合猫道控制系统、自动排管控制系统、铁钻工控制系统和游车的检测信号并判断可能发生碰撞，对相应的设备发出急停封锁信号；二层台区域综合自动排管控制系统和游车的当前位置检测信号，二层台区域防撞系统对可能发生的碰撞进行分析判断，发出逻辑封锁信号；当发出急停封锁信号后，如果发现系统检测信号返回检测后仍然有危险，则自动启动一级自动急停信号对相关子系统的动力源进行切断，停止执行机构运行；在各危险区域的入口和标定位置设置手动区域停机操作机构，当人员发现危险时，随时对钻台面、二层台区域以及各系统进行手动急停，封锁各子系统的输入输出。

2.根据权利要求1所述的自动化钻机集成安全保护系统的控制方法，其特征在于：绞车控制系统控制绞车的启动、停止和提升下放速度调节；

顶驱控制系统控制顶驱主电机的启动、停止和正反转速度、扭矩调节，以及辅助管子处理功能的控制实现；

仪表系统对钻机中各参数进行测量和显示；

液压站系统为各系统提供液压动力源；

发电机系统用于发电，并实现电力的供应和切断以及多台发电机的并网和解列；

钻台面检测急停系统用于实现对人员误闯入工作危险区域的自动检测，并设置急停操作按钮，实现手动操作急停；

二层台检测系统在二层台区域设置检测传感器，实现在此区域内设备干涉状态的自动检测；

猫道控制系统实现对猫道向钻台面送钻杆和从钻台面向下卸钻杆的手动和自动控制；

铁钻工控制系统实现钻杆连接中的旋扣、上扣和钻杆拆卸中的卸扣、旋扣功能；

自动排管控制系统实现钻杆立柱从井口到达的二层台区域和地面立根区域的自动摆放以及从二层台区域和地面立根区域的自动抓取钻杆立柱的功能；

缓冲机械手系统实现吊卡在卡主钻杆后，游车上升阶段的扶钻杆功能，以及游车下放甩钻杆时的顶钻杆功能；

吊卡卡瓦系统实现吊卡系统的关闭、打开以及吊卡角度翻转功能，卡瓦的关闭、打开以及关闭后检测反馈联锁功能。

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