CN109441423A - 石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法及系统，在钻机/游车控制司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，实时采集司钻开关输出的低压交流信号，经整流降压处理后传输给处理单元，处理单元实时检测分析并根据PLC的指令控制可控硅调压单元调变输出0‑20V交流电压信号给可控硅整流装置；应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，利用PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并传输给处理单元。利用绞车传感器监测游车下行速度，利用司钻开关输出的给定电压信号来判断游车是否在可控范围内，继而通过自动控制模板以及电磁涡流刹车系统来防止误操作或意外造成钻机/游车失控，经济，安全，可靠。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻井工程安全控制技术，尤其是涉及一种石油钻机和游车自动刹车控制安全防护装置及一种石油钻机和游车自动刹车安全防护系统。
背景技术
在石油勘探开发与钻井过程中，防止钻机和游车失速是安全生产的本质要求。目前，国内钻井作业过程中，一台钻机会配备两套刹车系统，一类是依靠刹车盘与刹车块作用的摩擦式主刹车系统，这其中又包括工作钳和安全钳两种。主刹车系统在钻井作业的起下钻、送钻、驻车以及紧急制动时起着重要作用。另一类是依靠电磁涡流作用的非摩擦式辅助刹车系统。电磁涡流刹车由刹车主体、可控硅整流装置及司钻开关等三部分组成。涡流刹车主体提供强有力的制动功能，它是通过电磁感应原理产生制动扭矩来实现的。基本原理是绞车滚筒旋转，通过离合器驱动转子以相同转速在定子所建立的磁场内旋转，涡流与定子磁场相互作用产生电磁力，这个力对转子轴心形成的转矩称为电磁转矩，也就是电磁涡流刹车阻止滚筒旋转的制动扭矩。可控硅整流装置主要是将钻机交流发电机或交流电网供给的交流电压变成可调直流电压，给激磁线圈通以可调直流电流。司钻开关是一台可调的差动变压器，由铁芯、线圈、调节机构等部分组成。将铁芯位置的变化转换成交流电压信号，经桥式整流作为给定信号电压，去控制可控硅的导通角，达到改变电流电压，从而改变激磁线圈直流电流，改变制动扭矩，调节滚筒转速的目的。司钻通过操作司钻开关可平滑地调节激磁电流，就可改变制动扭矩，无级地调节滚筒转速。
在正常钻井过程中，司钻是将主刹车与辅助刹车配合使用的。尤其是在下钻时，由于大钩载重可达到2000KN至3000KN，如此大的载重在游车下行时会产生极大的惯性。如果快速下钻时使用主刹车紧急制动，极易造成大绳缠绕或绷断。因此，司钻在下钻作业时，必须借助辅助刹车来控制游车的下放速度，使其缓慢下行并平稳的坐落在钻台面上。但是，在实际操作时，由于人为因素影响，屡屡会有失误发生，以致出现游车下行超速砸在钻台上（俗称顿钻）的情况发生。特别是在大悬重快速下放钻具时，如果出现游车失控，会导致严重的事故发生，往往造成人员伤害甚至机毁人亡。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出一种石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法及系统，可以充分利用绞车传感器监测游车下行速度，利用司钻开关输出的给定电压信号来判断游车是否在可控范围内，继而通过自动控制模板以及电磁涡流刹车系统来防止由于误操作或意外因素造成钻机/游车失控，经济适用，且安全可靠。
本发明采用的技术方案：
一种石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，在钻机/游车控制回路中，在司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，所述自动控制模板由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成；
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号，经整流降压处理后传输给处理单元，处理单元实时检测分析经整流降压处理后的电压信号，并根据PLC的指令控制可控硅调压单元调变输出0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的指令传输给处理单元。
所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，根据下钻时，司钻必须操作司钻开关启动电磁涡流刹车使游车在不同的位置降速，以防游车下行超速或失控这一特性，将游车运行的距离自上而下划分为N个区间，N为大于等于1的自然数，每个区间设定有游车高度值H、速度值S和匹配的电压信号值V；
PLC实时检测分析游车高度值h、速度值s及电压信号值v，并与设定的每个区间的游车高度值H、速度值S和电压信号值V做实时比对；
1）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s≤S 和v≥V，则判断司钻开关输出了刹车信号，游车速度未超过设定的防护值，司钻操作正常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个与司钻开关输出的同样的交流电压信号，使游车运行的状态体现了司钻的操作意图；
2）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻开关未输出刹车信号或输出信号不达标，游车速度超过了设定的防护值，司钻操作异常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速至速度≤S；
3）如果游车下行时连续在N个区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻未主动输出刹车信号，游车速度超过了设定的防护值，游车处于失控状态；此时，PLC发出指令给CPU，令其连续调变输出≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速直至停车。
一种石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，包括司钻开关、可控硅整流以及电磁涡流刹车主体，在所述司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，所述自动控制模板由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成；
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号并在处理后传输到处理单元，处理单元实时检测分析处理信号采集单元发来的电压信号并根据PLC的指令，控制可控硅调压单元输出不同的0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的信号传输给处理单元。
所述信号采集单元包括桥式整流单元、降压单元以及AD转换模块，AD转换模块实时采集司钻开关输出的经桥式整流转换的0-3.3V直流电压信号传输给处理单元。
发明有益效果：
1、本发明石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法及系统，利用绞车传感器/大钩位置传感器监测游车下行速度，利用司钻开关输出的给定电压信号来判断游车是否在可控范围内，继而通过自动控制电磁涡流刹车来防止由于误操作或意外因素造成钻机和游车失控，既实现了钻机和游车的自动控制，又可以有效防止钻机和游车失控造成顿钻事故的发生。
2、本发明石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，在现有游车/钻机控制系统基础上，加装了可自动调压的自动控制模板，所述自动控制模板包括有桥式整流单元，降压单元，AD，CPU及光耦可控硅调压单元。结合现有刹车系统使用（组成石油钻机和游车自动刹车控制安全防护系统），结构简单，成本低，使用效果好，增加了安全性能。
3、本发明防止钻机和游车失控的自动刹车控制系统，既实现了钻机/游车的自动刹车，有效防止误操作或意外失控导致事故的发生，消除安全隐患；又可以在此基础上略加改进，实现钻机的自动送钻功能，全系统设计合理，容易实现，方便推广，具有较好的社会效益。
附图说明
图1是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统组成方框结构示意图之一；
图2是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统组成方框结构示意图之二；
图3是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统组成方框结构示意图之三；
图4是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统组成方框结构示意图之四。
具体实施方式
下面通过具体实施方式，对本发明技术方案做进一步的详细描述。以下各实施例仅用于说明本发明，不应当构成对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在现有技术范围内，采用惯用技术手段的置换以及和现有技术进行简单组合，均不脱离本发明保护范围。
实施例1
参见图1，本发明石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，在现有钻机/游车控制回路中，在司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板（由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成），实现钻机/游车介入安全控制：
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号，经整流降压处理后传输给处理单元，处理单元实时检测分析经整流降压处理后的电压信号，并根据PLC的指令控制可控硅调压单元调变输出0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的指令传输给处理单元。
实施例2
石油钻井工程中，下钻时，司钻必须操作司钻开关启动电磁涡流刹车使游车在不同的位置降速，以防游车下行超速或失控；本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，与实施例1不同的是，进一步的，根据这一特性，将游车运行的距离自上而下划分为N个区间，N为大于等于1的自然数，每个区间设定有游车高度值H、速度值S和匹配的电压信号值V；
PLC实时检测分析的游车高度值h、速度值s及电压信号值v，并与设定的每个区间的游车高度值H、速度值S和电压信号值V做实时比对；
1）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s≤S 和v≥V，则判断司钻开关输出了刹车信号，游车速度未超过设定的防护值，司钻操作正常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个与司钻开关输出的同样的交流电压信号，使游车运行的状态体现了司钻的操作意图；
2）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻开关未输出刹车信号或输出信号不达标，游车速度超过了设定的防护值，司钻操作异常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速至速度≤S；
3）如果游车下行时连续在N个区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻未主动输出刹车信号，游车速度超过了设定的防护值，游车处于失控状态；此时，PLC发出指令给CPU，令其连续调变输出≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速直至停车。
实施例3
参见图4，本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，与实施例2不同的是：在游车处于失控状态，PLC启动电磁涡流刹车使游车降速同时，也给盘刹连锁装置发出指令，使该装置内的两位五通电磁阀立即工作，切断连通总离合器和高低速的常开式气路A，同时打开常闭式气路B给气动盘刹送气，达到刹车之目的。
实施例4
参见图3，本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，与前述各实施例不同的是：信号采集单元同时接收悬重传感器和/或立压传感器信号，将接收的悬重信号或/和立压信号传输给处理单元检测分析后再传输给PLC，使PLC不仅能够判断游车的区间速度，而且还可以判断游车上的大钩挂载了多少钻具，以及判断钻井作业的具体工况。
实施例5
参见图1，本发明石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，包括司钻开关、可控硅整流以及电磁涡流刹车主体，在所述司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，所述自动控制模板由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成；
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号并在处理后传输到处理单元，处理单元实时检测分析处理信号采集单元发来的电压信号并根据PLC的指令，控制可控硅调压单元输出不同的0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的信号传输给处理单元。
如图所示，所述自动控制模板包括有桥式整流单元、降压单元以及AD转换模块（构成信号处理单元），处理单元以及光耦可控硅调压单元。将模板的输入端与司钻开关的输出端连接，PLC通过485/232通讯模块与自动控制模板上的CPU连接。将交流变压器与自动控制模板上的光耦可控硅调压单元连接。绞车传感器连接在PLC的采集端口。最后将自动控制模板的输出端与可控硅整流装置的输入端连接。至此，以上硬件构成了钻机和游车自动刹车控制系统。
实施例6
参见图3，本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，与实施例5不同的是：与所述AD转换模块连接，设有悬重传感器或/和立压传感器，所述悬重传感器或/和立压传感器输出信号接入AD转换模块，将悬重信号或/和立压信号传输给处理单元检测分析后再传输给PLC，在实施例5的基础上增加悬重传感器和立压传感器，使PLC不仅能够判断游车的区间速度，而且还可以判断游车上的大钩挂载了多少钻具，以及判断钻井作业的具体工况。
工作原理：司钻开关输出的0-20V交流电压信号进入自动控制模板后，首先由桥式整流单元将交流电转换为直流电，然后通过降压单元把电压从0-20V将到AD可以接受的0-3.3V后输入给AD，AD实时采集经过降压后的直流电压信号并传输给CPU。绞车传感器实时采集游车的高度和速度信号传输给PLC。交流变压器把220V交流电转换为0-20V交流电后输入给光耦可控硅调压单元供其调压备用。自动刹车控制系统运行时，CPU根据PLC的指令来控制光耦可控硅调压单元，使其根据指令的要求输出不同的0-20V交流电压信号。如果PLC判断游车在某一高度位置上的运行速度即区间速度没有超过设定值，则PLC通过485/232通讯模块将游车运行正常的指令传输给CPU,此时CPU就控制光耦可控硅调压单元，调变并输出一个与司钻开关输出的同样大小的交流电压信号给可控硅整流装置，此时游车的运行状态体现的是司钻正常的操作意图。反之，若游车的区间速度超过了设定值，PLC判断游车属于超速运行甚至失控。此时PLC通过485/232通讯模块将刹车降速的指令传输给CPU,CPU会控制光耦可控硅调压单元，调变并输出一个瞬间增大的交流电压信号给可控硅整流装置，最终由刹车主体产生强大的电磁涡流降低游车速度后使其停止。
实施例7
参见图4，本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，与实施例5或实施例6不同的是：与所述PLC连接，设有盘刹连锁装置，该装置包括一个两位五通电磁阀和梭阀，在总离合、高低速的开关控制气路上安装两位五通电磁阀，电磁阀的进口P与控制气源相连，电磁阀的常开式出口Ａ与总离合、高低速的开关控制气路连接，电磁阀的常闭式出口Ｂ与梭阀的一个进气口连接。梭阀的另一个进气口连接钻机的刹车控制气路，梭阀的出气口连接到刹车气缸的控制气路上，电磁阀的信号输入端口与PLC的输出端口连接。
如此使防失控控制系统与钻机原有的刹车控制系统连锁，如果钻机/游车失控，PLC不仅发送指令给CPU,启动电磁涡流刹车使游车降速，还可以发送指令给盘刹连锁装置内的电磁阀，让其切断连通总离合器和高低速的常开式气路A，同时打开常闭式气路B给刹车气缸送气，达到点刹减速或制动之目的。
实施例8
参见图2，本实施例的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，与前述各实施例不同的是，在前述各实施例基础上，在司控开关与可调压的自动控制模板之间设有一个常闭式双刀双掷双路继电器，由司钻开关引出的交流电的零线与火线分别接入双刀双掷双路继电器的两个常闭端，可调压自动控制模板的两个输入电路连接到双刀双掷双路继电器的两个常开端，可控硅整流装置的两个输入电路连接到双刀双掷双路继电器的公共端。
司钻选择使用游车防失控控制系统时，自动刹车控制系统得电，常闭式双刀双掷双路继电器的常开电路接通，司钻开关输出的信号通过常开电路进入自动刹车控制模板，经整流降压调变控制处理后进入可控硅整流装置；如果司钻关闭游车防失控控制系统或控制系统意外掉电时，常闭式双刀双掷双路继电器的常开电路自动关闭，而常闭电路自动吸合，此时司钻开关输出的信号不再输入可调压的自动控制模板，而是直接进入可控硅整流装置。
Claims (9)
1.一种石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，其特征在于：在钻机/游车控制回路中，在司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，所述自动控制模板由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成；
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号，经整流降压处理后传输给处理单元，处理单元实时检测分析经整流降压处理后的电压信号，并根据PLC的指令控制可控硅调压单元调变输出0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的指令传输给处理单元。
2.根据权利要求1所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，其特征在于：下钻时，司钻必须操作司钻开关启动电磁涡流刹车使游车在不同的位置降速，以防游车下行超速或失控；根据这一特性，将游车运行的距离自上而下划分为N个区间，N为大于等于1的自然数，每个区间设定有游车高度值H、速度值S和匹配的电压信号值V；
PLC实时检测分析游车高度值h、速度值s及电压信号值v，并与设定的每个区间的游车高度值H、速度值S和电压信号值V做实时比对；
1）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s≤S 和v≥V，则判断司钻开关输出了刹车信号，游车速度未超过设定的防护值，司钻操作正常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个与司钻开关输出的同样的交流电压信号，使游车运行的状态体现了司钻的操作意图；
2）如果游车下行时在某一区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻开关未输出刹车信号或输出信号不达标，游车速度超过了设定的防护值，司钻操作异常；此时，PLC发出指令给CPU，令其调变输出一个≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速至速度≤S；
3）如果游车下行时连续在N个区间内，h≤H，且s＞S 和v＜V，则判断司钻未主动输出刹车信号，游车速度超过了设定的防护值，游车处于失控状态；此时，PLC发出指令给CPU，令其连续调变输出≥V交流电压信号，启动电磁涡流刹车使游车降速直至停车。
3.根据权利要求2所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，其特征在于：游车处于失控状态，PLC启动电磁涡流刹车使游车降速同时，也给盘刹连锁装置发出指令，使该装置内的两位五通电磁阀立即工作，切断连通总离合器和高低速的常开式气路A，同时打开常闭式气路B给气动盘刹送气，达到刹车之目的。
4.根据权利要求1、2或3所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法，其特征在于：信号采集单元同时接收悬重传感器和/或立压传感器信号，将接收的悬重信号或/和立压信号传输给处理单元检测分析后再传输给PLC，使PLC不仅能够判断游车的区间速度，而且还可以判断游车上的大钩挂载了多少钻具，以及判断钻井作业的具体工况。
5.一种根据权利要求1所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，包括司钻开关、可控硅整流以及电磁涡流刹车主体，其特征在于：在所述司钻开关与可控硅整流装置之间介入可调压的自动控制模板，所述自动控制模板由信号采集单元、处理单元以及可控硅调压单元组成；
1）信号采集单元实时采集司钻开关输出的低压交流信号并在处理后传输到处理单元，处理单元实时检测分析处理信号采集单元发来的电压信号并根据PLC的指令，控制可控硅调压单元输出不同的0-20V交流电压信号给可控硅整流装置；
2）应用绞车传感器/大钩位置传感器实时捕捉钻机/游车高度与速度的变化，并将捕捉到的变化值实时传输给PLC分析处理，PLC对游车的高度、速度值进行实时检测分析，并通过通讯模块将分析判断之后的信号传输给处理单元。
6.根据权利要求5所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，其特征在于：所述信号采集单元包括桥式整流单元、降压单元以及AD转换模块，AD转换模块实时采集司钻开关输出的经桥式整流转换的0-3.3V直流电压信号传输给处理单元。
7.根据权利要求6所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，其特征在于：与所述AD转换模块连接，设有悬重传感器或/和立压传感器，所述悬重传感器或/和立压传感器输出信号接入AD转换模块，将悬重信号或/和立压信号传输给处理单元检测分析后再传输给PLC，使PLC不仅能够判断游车的区间速度，而且还可以判断游车上的大钩挂载了多少钻具，以及判断钻井作业的具体工况。
8.根据权利要求5、6或7所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，其特征在于：与所述PLC连接，设有盘刹连锁装置，该装置包括一个两位五通电磁阀和梭阀，在总离合、高低速的开关控制气路上安装两位五通电磁阀，电磁阀的进口P与控制气源相连，电磁阀的常开式出口Ａ与总离合、高低速的开关控制气路连接，电磁阀的常闭式出口Ｂ与梭阀的一个进气口连接，梭阀的另一个进气口连接钻机的刹车控制气路，梭阀的出气口连接到刹车气缸的控制气路上，电磁阀的信号输入端口与PLC的输出端口连接。
9.根据权利要求5、6或7所述的石油钻井工程钻机/游车防失控控制系统，其特征在于：司控开关与可调压的自动控制模板之间设有一个常闭式双刀双掷双路继电器，由司钻开关引出的交流电的零线与火线分别接入双刀双掷双路继电器的两个常闭端，可调压自动控制模板的两个输入电路连接到双刀双掷双路继电器的两个常开端，可控硅整流装置的两个输入电路连接到双刀双掷双路继电器的公共端。
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|---|---|---|---|
| CN201811547556.7A CN109441423A (zh) | 2018-12-18 | 2018-12-18 | 石油钻井工程钻机/游车防失控控制方法及系统 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111101902A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-05-05 | 天水电气传动研究所集团有限公司 | 一种用于石油钻机游车高度保护再确认的方法 |
| CN111170190A (zh) * | 2020-04-11 | 2020-05-19 | 山东科瑞机械制造有限公司 | 一种钻机绞车盘刹集成控制方法及装置 |
| CN112901136A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-04 | 中石化石油工程技术服务有限公司 | 一种钻机刹车及综合保护游动系统 |
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2018
- 2018-12-18 CN CN201811547556.7A patent/CN109441423A/zh active Pending
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