CN115279985A - 基于管道属性控制工业机器操作的系统、方法和装置 - Google Patents

Abstract

基于管道的确定属性来控制工业机器(例如，钻机)的操作的系统、方法和装置。传感器被配置成生成与管道的特性相关的输出信号。管道的特性可以是是否有管道存在、管道的重量等。控制器从传感器接收输出信号，并且基于来自传感器的输出信号确定管道的属性。在一些实施例中，管道的属性是管道的壁厚。在一些实施例中，控制器基于管道的初始重量与管道的当前或现在的重量之间的差异来确定管道的壁厚。在一些实施例中，控制器基于管道的初始直径与管道的当前或现在的直径之间的差异来确定管道的壁厚。然后，控制器被配置成基于管道的属性控制工业机器或采取控制动作。

Description

基于管道属性控制工业机器操作的系统、方法和装置

相关申请

本申请要求2020年3月10日提交的第62/987,485号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本文描述的实施例涉及工业机器，例如钻机。

发明内容

本文描述的实施例提供基于管道的确定属性来控制工业机器(例如，钻机)的操作的系统、方法和装置。传感器被配置成生成与管道的特性相关的输出信号。管道的特性可以是有管道、没有管道、管道的重量等。控制器从传感器接收输出信号，并且基于来自传感器的输出信号确定管道的属性。在一些实施例中，管道的属性是管道的壁厚。控制器例如基于管道的初始重量与管道的当前或现在的重量之间的差异来确定管道的壁厚。然后，控制器被配置成基于管道的属性控制工业机器或采取控制动作。例如，控制器可以更改工业机器正在使用的管道，可以旋转工业机器正在使用的管道等。

一个实施例提供一种用于感测工业钻机的管道状况的系统。该系统包括：被配置成感测与管道相关联的管道特性的传感器、以及被耦接到传感器的电子控制器，并且该电子控制器包括处理器和存储器。电子控制器被配置成：从传感器接收指示管道特性的输出；基于管道特性确定管道属性，管道属性指示用于钻井作业的管道状况；以及基于确定的管道属性发送输出信号。

另一实施例提供一种用于感测工业钻机的管道状况的系统。所述系统包括：被配置成感测与管道相关联的管道特性的传感器；以及被耦接到传感器的电子控制器，并且该电子控制器包括处理器和存储器。电子控制器被配置成：从传感器接收指示管道特性的输出；基于管道特性确定管道属性，管道属性指示用于钻井作业的管道状况；以及基于确定的管道属性发送输出信号。

又一实施例提供一种感测工业钻机的管道的状况的方法。所述钻机被配置成旋转地驱动管道以执行钻井作业。所述方法包括：通过电子控制器从第一传感器接收第一输出，第一输出指示与管道相关联的管道特性；以及通过电子控制器基于管道特性确定管道属性。所述方法还包括：将管道属性与预定阈值进行比较，以及当管道属性超过预定阈值时，基于确定的管道属性发送输出信号。

在详细解释任何实施例之前，应理解实施例在其应用中不限于在以下描述中阐述或在附图中说明的组件的配置和布置的细节。实施例能够以各种方式实践或实施。此外，应理解本文所使用的措辞和术语是出于说明的目的，而不应当被视为是限制性的。使用“包括(including、comprising)”或“具有”以及其变化形式意在涵盖其后列出的项目和其等效物以及额外项目。除非另外规定或限制，否则术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦接”及其变化形式广义地使用且涵盖直接和间接安装、连接、支撑和耦接。

另外，应理解，实施例可包括硬件、软件和电子组件或模块，为了讨论的目的可以将其示出和描述为好像大部分组件是单独以硬件实施的。然而，本领域的普通技术人员且基于此详细描述的阅读将认识到，在至少一个实施例中，基于电子的方面可以在可由一个或多个处理单元执行的软件(例如，存储在非暂时性计算机可读介质上)中实施，所述处理单元例如是微处理器和/或专用集成电路(“ASIC”)。因此应注意，可以使用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同结构组件来实施实施例。例如，在说明书中描述的“服务器”和“计算装置”可包括一个或多个处理单元、一个或多个计算机可读介质模块、一个或多个输入/输出接口以及连接组件的各种连接(例如，系统总线)。

通过考虑详细描述和附图，实施例的其它方面将变得显而易见。

附图说明

图1示出根据本文描述的实施例的工业机器；

图2示出根据本文描述的实施例的管道储存单元；

图3示出根据本文描述的实施例的管道储存单元；

图4示出根据本文描述的实施例的管道储存单元；

图5A示出根据本文描述的实施例的用于工业机器的控制系统；

图5B示出根据本文描述的一些实施例的图5A的控制系统的一部分；

图6是根据本文描述的实施例的用于控制工业机器的过程；

图7是根据本文描述的实施例的用于确定工业机器中管道的磨损程度的过程。

具体实施方式

尽管本文描述的实施例可应用于各种工业机器或结合各种工业机器使用，但本文描述的实施例是针对钻机进行描述的，例如图1所示的炮眼钻机100。例如在露天采矿作业期间使用钻机100。钻机100包括底座105、包括机械台面115的主体110以及至少部分支撑于机械台面115的一部分上的操作室或驾驶室模块120。在一些实施例中，钻机100可通过驱动轨道125移动，并且当处于操作位置时由至少一个支撑结构130支撑。钻机100限定钻机桅杆140所在的第一端135和与第一端135相对的第二端145。在所示实施例中，驾驶室模块120靠近钻机100的第一端135位于钻机桅杆140附近。

钻机100的钻机桅杆140包括用于在露天采矿作业期间在地面钻孔的钻机钢管或管道150和钻头155。钻机桅杆140还包括由致动器(例如液压致动器、电动机等)驱动的下拉/提升机构，致动器通过齿轮式提升传动装置向下拉/提升机构提供转动扭矩。在一些实施例中，钻机桅杆140还包括用于在不使用钻机管道时储存钻机管道的管道储存区域。下面将更详细描述管道储存区域。在操作期间，钻机100可以位于期望的钻井位置。一旦使用调平控制装置将钻机100牢固地调平，就能使用钻机100的钻机管道150在地面上钻孔。在一些实施例中，机载摄像机160位于钻机100上。摄像机160显示钻机100周围的区域。在一些实施例中，操作员远离钻机100和/或钻机100是自主式的。在一些实施例中，自主式钻机100是无驾驶室自主式钻机100。

用于钻井作业的管道状况可能会随着时间的推移而变差，并且管道可能变得不适合钻井作业。例如，由于钻屑从钻孔中吹出的冲刷效应，钻机管道会随着时间的推移因壁厚受到腐蚀而磨损。如果在钻井作业期间使用，钻机管道的完整性可能会变得更弱、更薄或更容易受损，或者可能无法有效地进行预成型钻井作业。因此，提供一种感测管道状况并确定管道是否处于适合钻井作业的状况(即，管道是否适合钻井作业)的系统和方法。

图2示出管道储存区域200，该管道储存区域用于储存可包括在钻机桅杆140中的与钻机100一起使用的管道150。所示出的管道储存区域200包括第一管道储存隔室205、第二管道储存隔室210、第三管道储存隔室215和第四管道储存隔室220。管道储存隔室205-220可包括分别储存在管道储存隔室205-220中的第一管道225(例如，管道150)、第二管道230、第三管道235和第四管道240。图2中出于说明目的示出四隔室管道储存区域200。在其它实施例中，管道储存区域中可以包括额外或更少的管道储存隔室。例如，图3示出可包括在钻机桅杆140中的用于钻机100的管道储存区域300。所示出的管道储存区域300包括第一管道储存隔室305、第二管道储存隔室310、第三管道储存隔室315、第四管道储存隔室320、第五管道储存隔室325和第六管道储存隔室330。管道储存隔室305-330分别包括第一管道335、第二管道340、第三管道345、第四管道350、第五管道355和第六管道360。

在一些实施例中，管道储存区域200可以是具有用于容纳和储存管道150的多个位置的旋转平台。例如，管道储存区域200可以移动，以使管道储存隔室(例如，205-220)和相关联管道150与钻孔对齐从而进行钻井作业。类似地，管道储存区域200可以移动，以将管道150与管道驱动器对齐，从而将管道150耦接到管道驱动器和/或从管道驱动器上分离。此外，管道储存区域200可以移动，以辅助管道的更换(例如，将一个管道调换为另一个管道)。例如，管道储存区域200可以移动，以将空储存隔室205-220与从钻井作业中取出并移动到与储存隔室205-220中进行储存的第一管道对齐。然后，管道储存区域200可以再次移动以对齐容纳第二管道的不同储存隔室205-200，第二管道用于替换第一管道进行钻井作业。换句话说，管道储存区域200可以移动或旋转，以使各种储存隔室205-220或容纳在储存隔室205-220内的不同管道可供钻机使用。

管道储存区域200的移动可通过管道控制驱动器510和管道控制致动器550执行，如本文所描述。例如，管道储存区域电机655可协助移动或旋转管道储存区域200。另外，夹持臂夹持电机640和夹持臂移动电机650还可协助管道储存区域200的移动以及在管道储存区域200内的移动和更换管道150。

管道储存隔室中的每一个可被配置成感测或检测管道的一个或多个管道特性。然后可以基于感测或检测到的管道特性来控制钻机100的操作。在一些实施例中，管道储存隔室可包括管道传感器，用于感测或检测管道特性。图4示出包括管道储存隔室405的管道储存区域400。在一些实施例中，管道储存隔室405对应于管道储存隔室205-220或305-330中的任何一个。

管道储存隔室405包括储存在管道储存隔室405内的管道410。传感器415可放置在管道储存区域200中，用于在管道410储存在任何管道储存隔室205-220或305-330内时感测或检测管道特性。在一些实施例中，传感器415位于管道储存隔室405的下部或底部。在其它实施例中，传感器415可位于管道储存隔室405的其它区段。此外，在其它实施例中，传感器415可位于管道储存隔室405外部。例如，传感器415可放置在管道储存隔室405外部的独立位置，在独立位置运输管道410以获取传感器415感测的管道特性。在一些实施例中，传感器415可以永久或临时耦接到管道410以感测管道特性。此外，在一些实施例中，传感器415可位于钻机100上适合于如本文所描述感测管道特性的其它位置。

在一些实施例中，传感器415是称重传感器(例如，梁式称重传感器)。传感器415被配置成例如测量管道储存隔室405的内容物的重量(或质量)。换句话说，传感器415被配置成当管道410储存在管道储存隔室405内时测量管道410的重量。例如，称重传感器415可以输出与搁置在称重传感器415上的重量成比例的电压信号(例如，在0-5伏之间)，从而测量管道储存隔室405的内容物的重量。在一些实施例中，称重传感器放置在管道储存隔室中的不同位置，或输出不同信号以指示管道储存隔室405的内容物的重量。在一些实施例中，传感器415被放置成使得传感器415可以在管道驱动器处于特定状态时确定管道驱动器的液压。状态可以包括工业机器的操作条件或管道状况。例如，状态可以是特定的机器操作条件，例如系统中管道的特定数量、机器是否用新管道或钻头钻孔或螺旋穿入、机器的位置是否在改变等。在一个实施例中，传感器415可以在管道处理状态期间(例如，当穿管/脱管时、当桅杆垂直时、当机器在其千斤顶上调平时)确定管道驱动器的液压。

在一些实施例中，传感器415被放置成使得传感器415可以确定管道410的直径。在一些实施例中，传感器415是光学传感器(例如，激光雷达传感器)、声纳或激光器。传感器415被配置成例如在初始时间确定管道410的直径，然后在管道410储存在管道储存隔室405内的另一时间确定直径。例如，传感器415可以输出与管道410的直径成比例的信号。

在一些实施例中，传感器415放置在管道储存隔室中或钻机100上的其它位置，使得传感器415可以在撞击器撞击管道410时确定管道410的振动频率(例如，谐振频率)。例如，传感器415可被配置成确定在撞击器撞击管道410之后管道410响起的频率。在此实施例中，当撞击器撞击管道410时，管道410可以从钻机100自由悬垂，并且传感器415测量管道410的频率。然后，传感器415可以向控制器输出与管道410响起的频率成比例的信号，从而测量管道410的质量。在一些实施例中，振动传感器可以是加速计。在一些实施例中，振动传感器可以是涡流或应变计。振动传感器可以内置在旋转传动联轴器中。在一些实施例中，传感器415可以是音频传感器，用于在撞击器撞击管道410时确定管道410的振动频率。音频传感器可以是非接触式传感器，例如发动机中的爆震传感器或适当灵敏的激光雷达传感器。在此实施例中，当撞击器撞击管道410时，音频传感器记录噪声衰减的基频。基频将随着管道410中的质量损失而增加。

基于来自传感器415的输出信号，可以确定一个或多个管道特性。在一些实施例中，确定管道储存隔室405中是否有管道410存在。在一些实施例中，通过例如限制称重传感器偏转的硬止动支撑件使传感器415免受过载状况的影响。在一些实施例中，管道410包括识别装置或识别组件420。识别装置420是例如射频识别(“RFID”)标签或允许确定管道的一个或多个特性的类似装置。例如，识别装置420可以自动向控制器(参见图5A)提供与管道410的初始或起始重量、管道410的产品编号等相关的信息。在其它实施例中，可以手动输入或通过网络远程接收与管道410的初始或起始重量相关的信息。

钻机100包括控制系统500，控制系统包括控制器505，如图5A所示。控制器505电连接和/或通信连接到系统500或钻机100的各种模块或组件。例如，所示的控制器505连接到管道控制驱动器510、钻机控制驱动器515、移动控制驱动器520、连接到网络530的网络通信模块525、一个或多个管道传感器535(例如，传感器415)、一个或多个钻机传感器540以及一个或多个负载监测传感器545。管道控制驱动器510连接到管道控制致动器550(例如，液压电机/泵、电动机等)，钻机控制驱动器515连接到钻机控制致动器555(例如，液压电机/泵、电动机等)，并且移动控制驱动器520连接到移动控制致动器560(例如，电机、发动机等)。控制器505包括硬件和软件的组合，可用于控制系统500的操作，控制钻机100的操作以及其它作用等。

图5B更详细地示出根据一些实施例的图5A的控制系统的一部分。具体地，图5B更详细地示出管道控制致动器550和钻机控制致动器555的示例，以及与所述管道控制致动器和钻机控制致动器连接的组件的示例。

钻机控制致动器555被配置成控制连接的管道(以及由此连接的钻头)的旋转，并控制管道(以及由此连接的钻头)的升降。在一些实施例中，钻机控制致动器555包括旋转从而使管道150旋转的管道旋转电机605，以及控制管道150升高和降低的管道升降电机610。在一些实施例中，管道旋转电机605被耦接到传动装置615，传动装置接收管道旋转电机605的旋转输出，进而旋转驱动保持管道的管道驱动器620。使管道驱动器620旋转可旋转地驱动耦接到管道驱动器620的管道150。在一些实施例中，管道升降电机610被耦接以驱动小齿轮625，该小齿轮625与设置在桅杆140上并沿所述桅杆延伸的相应齿条(未示出)对接。齿条和小齿轮协作以基于小齿轮的顺时针和逆时针旋转而升高和降低连接的管道支架630，从而改变管道驱动器620和管道150的升降。通过旋转管道150和钻头155并降低管道150和钻头155的高度，钻机100被配置成钻入钻机100下方的地面(参见例如图1)。虽然管道驱动器620被示为耦接到管道150，但是当钻机100的其它管道中的一个耦接到管道驱动器620时，这些描述类似地适用于钻机100的其它管道(例如，图2和3的管道)。

管道控制致动器550被配置成旋转或调换钻机100的管道。在一些实施例中，管道控制致动器550可以包括多个液压电机/泵、电动机等)以调换管道。例如，管道控制致动器550可以包括夹持臂夹持电机640，该夹持臂夹持电机640使夹持臂645夹持并断开钻机100的当前管道与管道驱动器620的连接。管道控制致动器550还包括：夹持臂移动电机650，该夹持臂移动电机650移动夹持臂645以将断开的管道移动到管道储存区域，例如管道储存区域200；以及管道储存区域旋转电机655，管道储存区域旋转电机被配置成旋转管道储存区域200以使管道储存区域200的开放隔室与被夹持臂645夹持的断开的管道对齐。于是，夹持臂夹持电机640被配置成将断开的管道释放到管道储存区域200的开放隔室中。然后，管道储存区域旋转电机655可以旋转管道储存隔室205-220以将管道(例如管道225-240中的一个)与夹持臂645对齐，并且夹臂夹持电机640用于控制夹持臂645从储存区域200的管道储存隔室选取对齐的管道。然后，夹持臂移动电机650用于移动夹持臂645以移动选取的管道，从而将管道连接到管道驱动器620。因此，管道控制致动器550被配置成用管道储存区域200的第二管道(例如，管道225-240中的一个)调换管道驱动器620的第一管道(例如，管道150)。

如上文所描述，管道储存区域200可以移动到各种位置，以方便接近储存隔室(例如，储存隔室205-220)或容纳在储存隔室内的管道150。例如，管道储存区域200可以移动以将管道150与管道驱动器对齐，从而将管道150耦接到管道驱动器。类似地，管道储存区域200可以移动以将储存隔室与驱动器上的管道150对齐，从而取出管道150并放置在管道储存区域中。因此，管道储存区域200可以移动，以辅助管道的更换(例如，将一个管道调换为另一个管道)。在一些实施例中，管道储存电机655移动管道储存区域200以与管道驱动器620和需要管道的钻孔对齐。在一些实施例中，夹持臂夹持电机640和夹持臂移动电机650可用于移动夹持臂645，以用管道储存区域200的第二管道(例如，管道225-240中的一个)调换管道驱动器620的第一管道(例如，管道150)。一旦调换了管道，管道储存电机655就可以移出管道储存区域200进行钻井作业。

尽管在图5B中示出并针对管道控制致动器550描述了管道储存区域200，但在一些实施例中，使用管道储存区域300(及其管道335-360)或另一管道储存区域进行其放置。图5B的电机605、610、640、650和655可以是液压泵/电机、电动机等。

返回图5A，移动控制致动器560被配置成驱动驱动轨道125(参见图1)以在陆地上移动钻机100。移动控制致动器560可以包括驱动驱动轨道125的第一(左侧)轨道的第一电机或泵，以及驱动驱动轨道125的第二(右侧)轨道的第二电机或泵，以提供对第一和第二驱动轨道中的每一个的独立控制。通过对第一和第二驱动轨道的独立控制，控制器505可以经由移动控制驱动器520控制钻机100向前移动、向后移动和转动。

控制器505包括多个电气和电子组件，这些组件为控制器505、系统500和/或钻机100内的组件和模块提供电力、操作控制和保护。例如，控制器505包括处理单元565(例如微处理器、微控制器或其它合适的可编程装置)、存储器570、输入单元575和输出单元580以及其它组件。处理单元565包括控制单元585、算术逻辑单元(“ALU”)590和多个寄存器595(在图5A中示为一组寄存器)以及其它组件，并使用已知的计算机体系结构(例如，修改的哈佛体系结构、冯·诺依曼体系结构等)实施。处理单元565、存储器570、输入单元575和输出单元580以及连接到控制器505的各种模块或电路通过一个或多个控制和/或数据总线(例如，公共总线600)连接。出于说明性目的在图5A中大体示出控制和/或数据总线。鉴于本文描述的本发明，本领域技术人员将知道使用一个或多个控制和/或数据总线在系统500的各种模块、电路和组件之间进行互连和通信。

存储器570是非暂时性计算机可读介质，并且包括例如程序存储区和数据存储区。程序存储区和数据存储区可以包括不同类型存储器的组合，例如ROM、RAM(例如，DRAM、SDRAM等)、EEPROM、闪存、硬盘、SD卡或其它合适的磁性、光学、物理或电子存储器装置。处理单元565连接到存储器570并执行能够存储在存储器570的RAM中(例如，在执行期间)、存储器570中的ROM(例如，通常是永久性的)或另一非暂时性计算机可读介质(例如，另一存储器或盘)中的软件指令。包括在系统500和控制器505的实施方案中的软件可以存储在控制器505中的存储器570中。软件包括例如固件、一个或多个应用程序、程序数据、过滤器、规则、一个或多个程序模块以及其它可执行指令。控制器505被配置成从存储器570检索并执行与本文描述的控制过程和方法相关的指令等。在其它实施例中，控制器505包括额外、更少或不同的组件。

在一些实施例中，控制器505被配置成在网络530上通过网络通信模块525接收输入信号。控制器505接收的输入信号包括来自例如远程控制接口的运动命令信号。运动命令信号包括例如与在钻机桅杆中添加或更换管道、控制钻头155的运动、控制钻机100的移动等有关的信号。在接收到运动命令信号之后，控制器505相应地控制管道控制致动器550、钻机控制致动器555和移动控制致动器560。

网络530例如是广域网(“WAN”)(例如，基于TCP/IP的网络)、局域网(“LAN”)、邻域网(“NAN”)、家庭局域网(“HAN”)或个人局域网(“PAN”)，其使用各种通信协议中的任一种，例如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。在一些实施方案中，网络530是蜂窝网络，例如全球移动通信系统(“GSM”)网络、通用分组无线业务(“GPRS”)网络、码分多址(“CDMA”)网络、演进数据优化(“EV-DO”)网络、GSM演进增强型数据速率(“EDGE”)网络、3GSM网络、4GSM网络、4G LTE网络、5G新无线网络、数字增强型无绳通信(“DECT”)网络、数字AMPS(“IS-136/TDMA”)网络或集成数字增强型网络(“iDEN”)网络等。

一个或多个管道传感器535(例如，传感器415)生成输出信号并提供给控制器505。基于从管道传感器535接收的输出信号，控制器505被配置成确定管道储存隔室中是否有管道存在，确定管道储存隔室中或管道储存隔室外的管道的特性(例如，重量、质量、直径、振动频率)，并基于所述特性确定管道的属性(例如，管道壁厚、管道腐蚀程度、管道健康、管道完整性、磨损程度等)。例如，钻机100的新管道和未使用的管道的重量和直径是已知的，但可以基于管道的大小而变化。基于为与钻机100一起使用而安装的管道的已知起始或初始重量(例如，在管道储存隔室内)，控制器505可以使用测得的管道重量确定已经发生一定程度的管道腐蚀(即，基于初始重量与当前重量之间的差异或初始直径与当前直径之间的差异)。一旦管道属性超过预定阈值，控制器505就可以确定管道是否处于适合钻井作业的状况(即，管道是否适合钻井作业)。例如，一旦管道腐蚀超过预定阈值，控制器505就可以控制工业机器100以用替换管道调换腐蚀的管道。另外或替代地，控制器505可以通知工业机器的操作员管道的腐蚀水平或者管道腐蚀已经超过阈值，以便操作员可以采取适当的行动。

例如，与钻机100一起使用的管道由已知材料制成，并且可以基于制造商提供的规格(例如，管道重量与管道壁厚之间以及管道直径与管道壁厚度之间的线性关系)而具有可预测的磨损模式。因此，当管道因使用而受到磨损或腐蚀时(例如，由于钻屑从钻孔中吹出的冲刷效应)，控制器505被配置成将管道重量或管道直径的减少与管道壁厚的减少(即，管道材料的损失)相关联。然后，可以使用管壁厚度来确定何时应替换和/或报废管道。控制器505可以将管道的重量测量值和直径测量值以及确定的管道壁厚存储在存储器570中。一旦管道的重量或管道壁厚小于预定阈值，控制器505就可以发起替换管道的命令。

一个或多个钻机传感器540包括加速计、接近传感器等，控制器505使用它们来确定与钻机100相关联的位置或方向。例如，钻机传感器540可用于确定钻机桅杆140相对于重力的方向(例如，确定钻机桅杆140的垂直度)。可以基于钻机桅杆的角度修改或补偿管道传感器535的输出(例如，当钻机桅杆140不垂直时，管道传感器535不会感测到管道的全部重量)。然后可以使用来自管道传感器535的补偿输出来确定管道属性。控制器505可以将管道的补偿重量测量值和确定的管道属性存储在存储器570中。

一个或多个负载监测传感器545包括例如振动传感器、扭矩传感器、转速传感器等。控制器505可以使用负载监测传感器545来确定管道随时间推移所承受的负载。例如，控制器505存储并监测施加到每个管道的扭矩、管道所承受的振动、管道的转速、管道的加速度等，以确定每个管道的负载或负载力值(例如，以牛顿为单位)。可以结合管道重量或代替管道重量使用管道所承受的监测到的负载，以确定管道所承受的磨损程度。在一些实施例中，监测管道所承受的负载并与管道的确定的壁厚进行比较，以确定所述确定的壁厚和管道所承受的负载是否彼此一致(即，基于管道的历史磨损数据，所承受的负载产生了管道的预期腐蚀)。

图6是用于控制例如钻机100之类的工业机器的过程700。过程700从感测管道特性开始(步骤705)。例如，如上文所描述，使用一个或多个管道传感器535或一个或多个负载监测传感器545来感测管道特性。将来自一个或多个管道传感器535或负载监测传感器545的与管道特性相关的输出信号提供给控制器505。在步骤705之后，感测钻机特性(步骤710)。如上文所描述，使用一个或多个钻机传感器540或一个或多个负载监测传感器545来感测钻机特性。将来自一个或多个钻机传感器540或负载监测传感器545的与钻机特性相关的输出信号提供给控制器505。例如，一个或多个钻机传感器540向控制器505指示与钻机100相关联的位置或方向，例如钻机桅杆140相对于重力的方向。一个或多个负载监测传感器545可以指示在钻机操作期间施加到管道的负载。

在步骤710之后，控制器505基于管道特性和钻机特性来确定管道属性(例如，管道壁厚、管道完整性或管道磨损程度)(步骤715)。例如，为了确定管道属性，可以基于钻机桅杆的角度修改或补偿由一个或多个管道传感器535指示的管道特性(例如，当钻机桅杆140不垂直时，管道传感器535不会感测到管道的全部重量或管道的准确直径)。在一些实施例中，当钻机桅杆140是垂直的并且管道传感器535包括指示管道重量的称重传感器(见图4)、振动传感器或压力传感器时，可以将称重传感器、振动传感器或压力传感器指示的重量确定为管道的重量而无需进一步补偿(例如，重量可以乘以1.0的补偿因子)。然而，当钻机特性指示钻机桅杆140与垂直方向成15度角时，可以通过将所指示重量乘以对应于15度角的补偿因子来向上调整传感器指示的管道重量。在一些实施例中，当钻机桅杆140是垂直的并且管道传感器353包括指示管道直径的光学传感器时，可以将光学传感器指示的直径确定为管道直径而无需进一步补偿(例如，直径可能不需要进一步计算)。然而，当钻机特性指示钻机桅杆140与垂直方向成15度角时，控制器505可以通过在考虑15度偏移的情况下计算直径来调整光学传感器指示的管道直径。

然后可以使用来自管道传感器535的补偿输出来确定管道属性。例如，补偿重量值或直径值可对应于管道厚度、管道完整性水平或管道磨损程度。如上文所描述，管道150的重量可对应于管道壁厚，从而对应于管道的磨损程度。例如，当管道因使用而磨损或腐蚀时(例如，由于钻屑从钻孔中吹出的冲刷效应)，管道重量或管道直径的减少对应于管道壁厚的减少，并且指示管道磨损量的增加。在一个示例中，为了确定管道属性，控制器505可以确定管道的确定的补偿重量或直径与先前存储的管道的初始补偿重量测量值或直径测量值之间的差异，并且该差异对应于管道属性。例如，控制器505可以包括查找表，所述查找表将差异水平对应于管道厚度、管道健康级别、管道完整性水平或管道磨损程度，其中差异越大，磨损程度越高，健康级别越低，管道厚度越小。在另一个示例中，控制器505可以包括查找表，其将特定管道或特定类型的管道的补偿重量或直径对应于管道属性，其中重量或直径越小，磨损程度越高，健康级别越低，管道厚度越小。因此，在一些实施例中，为了确定管道属性，控制器505使用确定的补偿重量或直径作为查找表的输入，并获得管道属性作为输出。

虽然所列为管道属性的单独示例，但管道厚度、管道健康级别和管道磨损程度属性在含义和范围上可能有一些重叠。例如，管道厚度可以是管道磨损程度或管道健康级别的示例，并且管道磨损程度可以是管道健康级别的示例。

在过程700的一些实施例中，在步骤715，基于管道特性而不考虑钻机特性来确定管道属性。例如，可以绕过步骤710，并且可以将在步骤705确定的管道特性用作将管道特性对应于管道属性的查找表或方程的输入(例如，不基于感测的钻机特性补偿管道特性)。因此，在一些实施例中，通过感测管道特性(步骤705)、确定管道属性(步骤715)并基于确定的管道属性发送输出信号(步骤720)来执行过程700。

在控制器505确定管道属性之后，控制器505被配置成基于确定的管道属性发送输出信号(步骤720)。在一些实施例中，输出信号可以是控制器505发送的控制信号，以基于管道属性控制钻机100(步骤720A)。如本文进一步详细描述的，控制器505可基于确定的管道属性来控制管道控制致动器550至钻机控制致动器555。在另一个实施例中，输出信号可以是发送到操作员装置的电子消息，以通知钻机操作员管道属性和/或管道是否适合钻井作业(步骤720B)。此外，在一些实施例中，控制器505可被配置成发送控制信号以控制钻机的操作(步骤720A)并且向操作装置发送电子消息以通知钻机操作员管道属性(步骤720B)。

控制器505被配置成确定管道何时不再适合与钻机一起使用。当管道属性(例如，管道重量、壁厚或负载)超过预定阈值时，控制器505可以确定管道不适合与钻机一起使用。如本领域技术人员将理解的，取决于管道属性，管道属性可能在属性大于阈值时“超过预定阈值”或者可能在管道属性降至低于预定阈值时“超过预定阈值”。例如，当管道的壁厚(例如，管道壁太薄)降至低于预定阈值时，控制器505可以确定管道不适合与钻机一起使用。作为另一个示例，当施加到管道的负载(例如，扭矩)大于预定阈值或持续更长时间大于预定阈值时，控制器505可以确定管道不适合与钻机一起使用。

一旦控制器505确定管道属性和/或管道是否处于钻井作业状况下，控制器505就可以发送输出信号以控制钻机的操作(步骤720A)或通知操作员管道属性和用于钻孔的管道的状况(步骤720B)。在一些实施例中，控制器505被配置成发送控制信号，以基于管道属性更改钻机100使用的管道(步骤720A)。例如，控制器505被配置成旋转钻机100使用的管道，以在钻机100中的所有管道之间分配磨损。例如，控制器505被配置成向钻机控制致动器555、管道控制致动器550或这两者提供指示，以基于管道属性更改管道从而在多个管道之间(例如在管道225-240之间)分配磨损。为了更改管道，在一些实施例中，控制器505被配置成控制钻机控制致动器555以停止旋转第一管道，例如多个管道225-240中的管道225。然后，控制器505控制管道控制致动器550，以基于管道属性从第一管道235调换到第二管道，例如管道230。管道控制致动器550可被控制以调换管道，如上文关于图5B所描述。然后，控制器505控制钻机控制致动器555以旋转驱动第二管道230。

另外或替代地，控制器505可以向操作员装置发送电子消息，以通知钻机操作员管道属性(步骤720B)。例如，在一些实施例中，控制器被配置成通过网络通信模块525或在网络530上向操作员装置提供电子消息或其它指示。操作员装置可以是位于远离钻机的远程位置的远程装置，或者可以包括在钻机上或附近(例如，在驾驶室模块120中)。操作员装置可以包括便携式用户装置，例如智能装置、平板电脑、手机或笔记本电脑。操作员装置可以从控制器505接收电子消息，该电子消息指示钻机100内的一个或多个管道已经达到或即将达到其使用寿命的终点。通过这样做，可以将钻机100的额外管道进行排序和/或将所述额外管道运输到钻机100，以避免等待新管道到达的停机延迟。

虽然过程700的步骤以顺序方式示出，但过程700的一个或多个步骤能够在过程700的一个或多个其它步骤之前或之后执行。例如，步骤710可以在步骤705之前或同时执行。因此，图6中所示的过程700的顺序仅是说明性的。在一些实施例中，在钻机操作中不使用钻机特性，并且省略步骤710。

图7是用于确定例如钻机100之类的工业机器中管道的磨损程度的过程750。该过程从感测管道特性开始(步骤755)。例如，使用称重传感器415来感测管道特性，如上文关于图4所述。将来自称重传感器415的与钻机100中管道150的管道特性相关的输出信号提供给控制器505。在一些实施例中，称重传感器或振动传感器指示管道150的重量，其用作管道特性。在一些实施例中，光学传感器指示管道150的直径，用作管道特性。在步骤755之后，控制器505被配置成基于管道特性，例如基于由称重传感器或振动传感器确定的管道150的重量以及基于由光学传感器确定的管道150的直径，来确定管道150的磨损程度(步骤760)。如上文所描述，管道150的重量和管道150的直径可对应于管道壁厚，从而对应于管道的磨损程度。

例如，当管道因使用而磨损或腐蚀时(例如，由于钻屑从钻孔中吹出的冲刷效应)，管道重量或管道直径的减少对应于管道壁厚的减少，并且指示管道磨损量的增加。在一个示例中，为了确定磨损程度，控制器505可以确定在步骤755测量的重量与先前存储的管道初始重量测量值之间的差异，并且该差异对应于管道的磨损程度。

在另一个示例中，为了确定磨损程度，控制器505可以确定在步骤755测量的管道直径与先前存储的管道初始直径测量值之间的差异，并且该差异对应于管道的磨损程度。例如，控制器505可以包括查找表，所述查找表将差异程度对应于磨损程度，其中差异越大，磨损程度越高。在另一个示例中，控制器505可以包括查找表，所述查找表将特定管道或特定类型的管道的重量对应于磨损程度，其中重量越小，磨损程度越高。因此，在一些实施例中，为了确定磨损程度，控制器505可以使用在步骤755测量的管道重量作为查找表的输入，并获得磨损程度作为输出。在另一个示例中，控制器505可以包括查找表，该查找表将特定管道或特定类型的管道的直径对应于磨损程度，其中直径越小，磨损程度越高。因此，在一些实施例中，为了确定磨损程度，控制器505使用在步骤755测量的管道直径作为查找表的输入，并获得磨损程度作为输出。

在控制器505确定磨损程度之后，控制器505被配置成提供管道150磨损程度的指示。例如，控制器505可以在管道磨损程度超过预定阈值时提供指示(步骤765)。例如，控制器505被配置成向操作员装置提供电子消息，以通知钻机100的操作员确定的磨损程度，从而允许操作员采取响应行动。操作员装置可以是个人计算装置(例如笔记本电脑、智能手机、平板电脑等)、钻机100驾驶室内的用户界面装置或其它电子计算装置。操作员装置可以响应于电子消息，以图形方式(例如，在显示屏上)、听觉地(例如，经由扬声器)或利用触觉输出装置(例如，经由振动产生装置)提供磨损程度。控制器505可被配置成向管道控制致动器550、钻机控制致动器555或这两者提供指示，用于更改或旋转管道，如上文关于图6的步骤720所描述。控制器505可被配置成提供用于将确定的磨损程度存储在寄存器595或存储器570中的指示。存储的磨损程度可稍后由另一装置检索，或由控制器505用于向操作员装置提供电子消息或控制更改管道，如上文所描述。

在一些实施例中，控制器505还被配置成基于使用例如称重传感器、振动传感器或光学传感器之类的传感器415感测到的管道410的管道特性，来确定管道储存隔室405中是否有管道存在，例如管道410。在示例实施例中，管道410是被配置成由钻机100旋转驱动的多个管道225-240中的第一管道225。在这种情况下，控制器505可被配置成基于来自第二传感器的输出，确定第二管道储存隔室210中是否有第二管道230存在，第二传感器类似于传感器415但与第二管道储存隔室210相关。在另一示例实施例中，第二管道230的管道特性由第二传感器感测，并且控制器505被配置成基于第二管道230的管道特性来确定第二管道230的磨损程度。在这种情况下，控制器505可被配置成提供指示第二管道230的磨损程度的第二指示。因此，每个管道的传感器415被配置成向控制器505提供管道磨损程度的指示和管道存在的指示。控制器505还被配置成(除磨损程度外还)提供管道存在的指示，例如通过向操作员装置提供指示，以便视觉地、听觉地或触觉地传送。

在过程750的一些实施例中，控制器505感测钻机特性，类似于过程700的步骤710。在这些实施例中，然后，控制器505可以使用钻机特性以及管道特性来确定管道的磨损程度，类似于关于过程700的步骤715所描述的。

虽然过程750的步骤以顺序方式示出，但过程750的一个或多个步骤能够在过程750的一个或多个其它步骤之前或之后执行。因此，图7中所示的过程750的顺序仅是说明性的。

因此，本文描述的实施例提供了用于基于确定的管道属性控制例如钻机之类的工业机器的操作的系统、方法和装置。

Claims (47)

1.一种用于采矿作业的工业钻机，所述钻机包括：

管道，所述管道被配置成被旋转地驱动以执行钻井作业；

驱动控制致动器，所述驱动控制致动器被配置成在钻井作业期间旋转地驱动所述管道；

钻机桅杆，所述钻机桅杆包括管道储存隔室，所述管道储存隔室被配置为当所述管道不用于钻井作业时容纳所述管道；

传感器，所述传感器被配置成感测与所述管道相关联的管道特性；以及

电子控制器，所述电子控制器被耦接到所述传感器，并且所述电子控制器包括处理器和存储器，所述电子控制器被配置成：

从所述传感器接收指示所述管道特性的输出；

基于所述管道特性确定管道属性，所述管道属性指示用于钻井作业的所述管道的状况；以及

基于确定的所述管道属性发送输出信号。

2.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括发送控制信号以控制所述钻机的操作。

3.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括向操作员装置发送电子消息，所述电子消息提供关于用于钻井作业的所述管道的状况的信息。

4.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述传感器被配置成当所述管道容纳在所述管道储存隔室内时感测所述管道的管道特性。

5.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，由所述传感器感测的所述管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：所述管道储存隔室内是否有管道存在、管道的重量、管道的直径和所述管道的谐振频率。

6.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述管道属性包括所述管道壁厚和所述管道的磨损程度中的至少一项。

7.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述传感器包括选自由以下各项组成的群组中的至少一种：称重传感器、压力传感器、振动传感器、音频传感器和光学传感器。

8.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述传感器是负载监测传感器，所述负载监测传感器被配置成确定在钻井作业期间所述管道所承受的负载，所述负载监测传感器包括选自由以下各项组成的群组中的至少一种：振动传感器、扭矩传感器、转速传感器、音频传感器和加速计。

9.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述传感器是第一传感器，其中所述工业钻机还包括第二传感器，所述第二传感器被配置成感测所述管道的第二特性，并且所述控制器基于来自所述第一传感器的输出和来自所述第二传感器的输出确定所述管道属性。

10.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述电子控制器被配置成基于初始管道特性与当前管道特性之间的差异确定所述管道属性。

11.根据权利要求1所述的工业钻机，其特征在于，所述电子控制器被配置成确定所述管道何时不适合钻井作业，其中当所述管道属性超过预定阈值时所述管道不适合钻井作业。

12.根据权利要求11所述的工业钻机，其特征在于，所述输出信号是发送到管道控制驱动器的控制信号，当所述管道不适合钻井作业时，调换所述管道和替换管道。

13.根据权利要求12所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器通过将所述管道储存隔室移动至与所述驱动控制致动器对齐来调换所述管道与替换管道。

14.根据权利要求12所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器控制夹持臂以从钻井作业中取出所述管道并放入所述管道储存隔室中。

15.根据权利要求14所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器控制所述夹持臂以从所述管道储存隔室取出所述替换管道并将其放置在所述驱动控制致动器上。

16.一种用于感测工业钻机的管道状况的系统，所述系统包括：

传感器，所述传感器被配置成感测与所述管道相关联的管道特性；以及

电子控制器，所述电子控制器被耦接到所述传感器并且所述电子控制器包括处理器和存储器，所述电子控制器被配置成：

从所述传感器接收指示所述管道特性的输出；

基于所述管道特性确定管道属性，所述管道属性指示用于钻井作业的所述管道的状况；以及

基于确定的所述管道属性发送输出信号。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括发送控制信号以控制所述钻机的操作。

18.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括向操作员装置发送电子消息，所述电子消息提供关于用于钻井作业的所述管道的状况的信息。

19.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述传感器被配置成当所述管道容纳在所述工业钻机的管道储存隔室内时感测所述管道的管道特性。

20.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，由所述传感器感测的所述管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：所述管道储存隔室内是否有管道存在、管道的重量、管道的直径和管道的谐振频率。

21.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述管道属性包括所述管道壁厚和所述管道的磨损程度中的至少一项。

22.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电子控制器被配置成基于所述管道的初始重量与所述管道的当前重量之间的差异和所述管道的初始直径与所述管道的当前直径之间的差异中的一者或多者确定所述管道壁厚。

23.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电子控制器被配置成基于撞击器撞击所述管道时所述管道响起的初始频率与所述撞击器撞击所述管道时所述管道响起的当前频率之间的差异确定所述管道的重量。

24.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述传感器包括选自由以下各项组成的群组中的至少一种：称重传感器、压力传感器、振动传感器、音频传感器和光学传感器。

25.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述传感器是负载监测传感器，所述负载监测传感器被配置成确定在钻井作业期间所述管道所承受的负载，所述负载监测传感器包括选自由以下各项组成的群组中的至少一种：振动传感器、扭矩传感器、转速传感器、音频传感器和加速计。

26.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述传感器是第一传感器，所述第一传感器被配置成感测第一管道特性，其中所述工业钻机还包括第二传感器，所述第二传感器被配置成感测所述管道的第二特性，并且所述控制器基于来自所述第一传感器的输出和来自所述第二传感器的输出确定所述管道属性。

27.根据权利要求26所述的系统，其特征在于，

所述第一管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：所述管道储存隔室内是否有管道存在、管道的重量、管道的直径和管道的谐振频率，并且

所述第二管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：管道振动、施加在管道上的扭矩和所述管道的转速。

28.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述电子控制器被配置成确定所述管道何时不适合与所述工业钻机一起使用，其中当所述管道属性超过预定阈值时所述管道不适合使用。

29.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，所述输出信号是发送到操作员装置的电子消息，以在所述管道属性超过所述预定阈值时通知所述钻机的操作员。

30.根据权利要求28所述的系统，其特征在于，所述输出信号是发送到所述管道控制驱动器的控制信号，以在所述管道属性超过所述预定阈值时调换所述管道与替换管道。

31.根据权利要求30所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器通过将所述管道储存隔室移动至与所述驱动控制致动器对齐来调换所述管道与替换管道。

32.根据权利要求30所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器控制夹持臂以从钻井作业中取出所述管道并放入所述管道储存隔室中。

33.根据权利要求32所述的工业钻机，其特征在于，所述管道控制驱动器控制所述夹持臂以从所述管道储存隔室取出所述替换管道并将其放置在所述驱动控制致动器上。

34.一种感测工业钻机的管道状况的方法，所述钻机被配置成旋转地驱动所述管道以执行钻井作业，所述方法包括：

通过电子控制器从第一传感器接收第一输出，所述第一输出指示与所述管道相关联的管道特性；

通过所述电子控制器基于所述管道特性确定管道属性；

将所述管道属性与预定阈值进行比较，以及

当所述管道属性超过所述预定阈值时，基于所述管道属性发送输出信号。

35.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括发送控制信号以控制所述钻机的操作。

36.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，基于确定的所述管道属性发送输出信号包括向操作员装置发送电子消息，所述电子消息提供关于用于钻井作业的所述管道的状况的信息。

37.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：所述管道储存隔室内是否有管道存在、管道的重量、管道的直径和管道的谐振频率。

38.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，确定所述管道属性包括确定所述管道壁厚和所述管道的磨损程度中的至少一项。

39.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，确定所述管道属性包括基于所述管道的初始重量与所述管道的当前重量之间的差异和所述管道的初始直径与所述管道的当前直径之间的差异中的一者或多者确定所述管道壁厚。

40.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，确定所述管道属性包括基于撞击器撞击所述管道时所述管道响起的初始频率与所述撞击器撞击所述管道时所述管道响起的当前频率之间的差异确定所述管道的重量。

41.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，从所述第一传感器接收所述第一输出包括从选自由以下各项组成的群组中的至少一项接收所述第一输出：称重传感器、压力传感器、振动传感器和光学传感器。

42.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，从所述第一传感器接收所述第一输出包括从振动传感器、扭矩传感器、转速传感器、音频传感器和加速计接收所述第一输出。

43.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，所述方法还包括由所述电子控制器从第二传感器接收第二输出，所述第二输出指示与所述管道相关联的第二管道特性。

44.根据权利要求43所述的方法，其特征在于，

所述第一管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：所述管道储存隔室内是否有管道存在、管道的重量、管道的直径和管道的谐振频率，并且

所述第二管道特性包括选自由以下各项组成的群组中的至少一项：管道振动、施加在管道上的扭矩、管道的转速。

45.根据权利要求34所述的方法，其特征在于，发送输出信号包括向管道控制驱动装置发送控制信号以调换第一管道与第二管道。

46.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，调换所述第一管道与所述第二管道包括向管道控制致动器发送控制信号，以将所述第一管道从所述管道驱动器断开连接并将所述第二管道连接到所述管道驱动器。

47.根据权利要求45所述的方法，其特征在于，调换所述第一管道与所述第二管道包括向所述管道控制致动器发送控制信号，以将所述第一管道插入到管道储存隔室中并从所述管道储存隔室取出所述第二管道。

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