CN115450604A - 智能刹车控制系统 - Google Patents

Abstract

本公开实施例中提供智能刹车控制系统，包括：主控制器，包括：处理器模块、总线通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块；控制屏，与以太网通信模块通信连接，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令；刹车操作箱，设有操作手柄，用于通过控制管线连接智能刹车执行器，以用于控制刹车松紧；编码器，用于供计算游动系统的位置和速度；液压泵站，通过液压管线连接至智能刹车执行器及刹车操作箱；液压泵站设有受控于主控制器的一组控制阀；控制液压管线以及离合器控制阀组中的各气动继动器。实现可视化地控制钻井绞车的刹车的智能刹车控制系统，操作方便，计算精度高、自动化程度高、成本低廉。

Description

智能刹车控制系统

技术领域

本公开涉及石油钻井控制技术领域，尤其涉及智能刹车控制系统。

背景技术

钻井绞车刹车系统是石油钻机最为核心的设备。但是，目前仍然缺乏对钻井绞车刹车的智能控制系统，尤其在国内，钻井绞车刹车的智能控制系统的优秀国产方案亟待产生，刻不容缓。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本公开的目的在于提供智能刹车控制系统，解决相关技术中的问题。

本公开第一方面提供一种智能刹车控制系统，应用于钻井绞车，所述钻井绞车具有连接于智能刹车执行器的带刹，所述智能刹车执行器由至少一个液压缸驱动，所述钻井绞车具有离合器，所述离合器连接离合器控制阀组；所述智能刹车控制系统包括：主控制器，包括：处理器模块、总线通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块；其中，所述处理器模块通过相应端口分别同总线通信模块和以太网通信模块通信连接；所述总线通信模块通信连接于钻井绞车的编码器以获取编码器信号；控制屏，与所述以太网通信模块通信连接，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令；刹车操作箱，设有操作手柄，用于通过控制管线连接所述智能刹车执行器，以用于控制刹车松紧；液压泵站，通过控制管线连接至所述智能刹车执行器及刹车操作箱；所述液压泵站设置有一组控制阀；所述一组控制阀中的至少部分控制阀连接于设置在通向离合器控制阀组及智能刹车执行器的控制管线中的各功能继动器；所述一组控制阀通信连接并受控于所述主控制器，以响应于主控制器的指令驱动各功能继动器以控制所述智能刹车执行器及离合器执行相应功能动作。

在第一方面的实施例中，所述至少一个液压缸包括：具有可伸缩的弹簧的弹簧油缸、及具有可伸缩的活塞杆的伺服油缸；其中，所述活塞杆套合在所述弹簧内；所述活塞杆的一端连接于带刹，所述活塞杆能伸展至驱动所述带刹执行刹车动作；所述弹簧能伸展至抵压所述带刹执行刹车动作。

在第一方面的实施例中，所述一组控制阀包括以下至少一种：第一控制阀，所述第一控制阀通过控制管路连接于所述弹簧油缸，用于响应于主控制器在异常情况下发送的刹车指令而开启，释放所述弹簧油缸中的液压油以使弹簧伸展，形成紧急刹车；第二控制阀，设置成响应于主控制器的刹车信号以控制气压控制管线的介质泄放；所述介质泄放用于解除主控制器基于控制管路的压力产生的刹车信号，以使所述刹车复位；第三控制阀，通过控制管路连接于离合器控制阀组的第三气动继动器，所述第三气动继动器关闭以使钻井绞车的离合器失去气源而处于脱开状态；第四控制阀，用于响应于主控制器的信号以周期性地打开第四气动继动器，以使液压油输出至钻井绞车的预设部件进行润滑；所述预设部件包括以下至少一种：反馈马达；链条；紧链器；第五控制阀，用于打开钻井绞车的自动送钻模式；在所述自动送钻模式中，第五控制阀受控于主控制器对液压缸控制以控制刹车的松紧；第六控制阀，用于关闭所述自动送钻模式。

在第一方面的实施例中，异常情况包括以下至少一种：电源失电；急停；液压泵站停机；游车超速；触碰防碰止点。

在第一方面的实施例中，所述液压泵站还包括：至少一个防爆接线盒，通信连接所述一组控制阀以及所述主控制器；所述至少一个防爆接线盒，还将设置在所述钻井绞车的各部分中的多个传感器通信连接至所述主控制器，所述多个传感器包括以下至少一种：控制液的温度传感器；控制液的液位传感器；压力传感器；游动系统的位置传感器。

在第一方面的实施例中，所述操作箱还设置有液压泵站的启停按钮、报警消音按钮、急停按钮以及伺服油缸的液压指示表中的至少一种。

在第一方面的实施例中，所述钻井绞车刹车控制系统还包括：可控硅控制柜及涡磁刹车系统，分别与所述主控制器通信连接。

在第一方面的实施例中，所述处理器模块运行有能相互调用的多个功能程序，所述多个功能程序包括：大绳长度计算程序、分层点设置程序、速度计算程序、防碰止点设置程序、游车位置计算程序及刹车执行程序；其中，所述大绳长度计算程序用于基于编码器信号计算钻井绞车大绳长度，用于所述游车位置程序计算钻井绞车游车位置和速度计算程序计算速度；所述分层点设置程序用于设置大绳在绞车滚筒缠绕分层的分层点，所述分层点的设置由用户在所述控制屏的输入完成；所述防碰止点设置程序用于设置钻井绞车中运动装置的防碰止点，所述防碰止点的设置由用户在所述控制屏的输入完成；游车位置计算程序，用于在防碰止点设置完成的情况下，基于大绳长度计算程序和分层点设置程序的计算结果，计算游车的位置；所述刹车执行程序用于基于异常情况触发控制智能刹车执行器执行紧急刹车。

在第一方面的实施例中，所述运动装置包括：天车、机械手、机械臂及钻台；所述防碰止点包括：天车防碰止点、机械手防碰止点、机械臂防碰止点及钻台防碰止点。

在第一方面的实施例中，所述人机交互界面包括：包含越控功能开关的功能界面，所述越控功能指的是在游动系统触发防碰止点的情况下，允许继续运动。

如上所述，本公开实施例中提供智能刹车控制系统，应用于钻井绞车，所述钻井绞车具有连接于智能刹车执行器的带刹，所述智能刹车执行器由至少一个液压缸驱动，所述钻井绞车具有离合器，所述离合器连接离合器控制阀组；所述智能刹车控制系统包括：主控制器，包括：处理器模块、总线通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块；其中，所述处理器模块通过相应端口分别同总线通信模块和以太网通信模块通信连接；所述总线通信模块通信连接于钻井绞车的编码器以获取编码器信号；控制屏，与所述以太网通信模块通信连接，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令；刹车操作箱，设有操作手柄，用于通过控制管线连接所述智能刹车执行器，以用于控制刹车松紧；编码器，用于供计算游动系统的位置和速度；液压泵站，通过控制管线连接至所述智能刹车执行器及刹车操作箱；所述液压泵站设置有一组控制阀；所述一组控制阀中的至少部分控制阀连接于设置在通向离合器控制阀组及智能刹车执行器的控制管线中的各功能继动器；所述一组控制阀通信连接并受控于所述主控制器，以响应于主控制器的指令驱动各功能继动器以控制所述智能刹车执行器及离合器执行相应功能动作。本公开实现可视化地控制钻井绞车的刹车的智能刹车控制系统，操作方便，计算精度高、智能化程度高、成本低廉。

附图说明

图1展示本公开一实施例中钻井绞车运行的液压控制的工艺原理示意图。

图2A展示本公开一实施例中智能刹车执行器的伺服油缸刹车状态、手动刹车状态的结构示意图。

图2B展示本公开一实施例中智能刹车执行器的刹车松开状态的结构示意图。

图2C展示本公开一实施例中智能刹车执行器的弹簧刹车状态的结构示意图。

图3展示本公开一实施例中智能刹车控制系统的结构示意图。

图4展示本公开一实施例中主控制器的结构示意图。

图5展示本公开一实施例中防碰止点设置程序、游车位置计算程序、及速度计算程序的梯形图。

图6展示本公开一实施例中刹车执行程序的梯形图。

图7展示本公开一实施例中人机交互界面的界面操作流程图。

图8展示本公开一实施例中控制屏的主界面的示意图。

图9展示本公开一实施例中大绳长度设置界面的示意图。

图10展示本公开一实施例中位置设置(POSITION SET)界面的示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体示例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本公开所揭露的消息轻易地了解本公开的其他优点与功效。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用模块，本公开中的各项细节也可以根据不同观点与应用模块，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面以附图为参考，针对本公开的实施例进行详细说明，以便本公开所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本公开可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。

在本公开的表示中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的表示意指结合该实施例或示例表示的具体特征、结构、材料或者特点包括于本公开的至少一个实施例或示例中。而且，表示的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或一组实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本公开中表示的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于表示目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本公开的表示中，“一组”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

为了明确说明本公开，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。

在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

虽然在一些示例中术语第一、第二等在本文中用来表示各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等表示。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组，但不排除一个或一组其他特征、步骤、操作、元件、模块、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本公开。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。

虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本公开所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的消息相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。

钻井绞车刹车系统直接关乎钻井作业安全与效率。但是，目前在业界关于钻井绞车刹车的智能控制方案缺乏，亟需国产化的低廉可行、控制便利的方案。

鉴于此，本公开实施例中提供智能刹车控制系统，以用于解决相关技术中的问题。

如图1所示，展示本公开一实施例中钻井绞车运行的液压控制的工艺原理示意图。

图1中主要展示了对钻井绞车的运行起控制作用的各个装置，主要包括：智能刹车执行器、刹车操作箱、液压泵站、离合器控制阀组、钻井绞车侧的反馈马达和编码器、各控制管线(可以是液压、气压)及控制管线中设置的各功能继动器等。在图1中，各功能继动器为气动的，包括1#气动继动器～6#气动继动器，可用于分别控制不同装置的动作。并且，所述液压泵站还设置有至少一个控制阀，示例性地展示为多个电磁阀，即1#电磁阀～6#电磁阀，用于通过气压的控制管线控制所述1#气动继动器～6#气动继动器，以达到所需要的功能。具体的，所述2#气动继动器可由过卷阀或手动刹车控制阀控制，并由2#电磁阀复位，所述3#气动继动器可由3#电磁阀控制，所述4#气动继动器可由4#电磁阀控制，所述1#气动继动器、5#气动继动器可由5#电磁阀控制，所述6#气动继动器可由6#电磁阀控制。

示例性地，所述离合器控制阀组包括绞车总气阀、过卷阀、手动刹车控制阀、2#气动继动器、3#气动继动器等，可由气压的控制管路驱动。其中，2#气动继动器用于过卷阀或手动刹车脱开离合器(由2#电磁阀控制气压泄放、刹车复位)；3#气动继动器可用于控制钻井绞车的离合器的松脱，所述离合器包括高速离合器和低速离合器。示例性地，液压泵站可以包括液压油箱，通过液压管路连接到智能刹车执行器，并由电动液压泵来泵送液压油。示例性地，所述液压管路还连接到钻井绞车一侧，提供液压油用于反馈马达、链条、紧链器等预设部件的润滑。

示例性地，所述刹车操作箱设有操作手柄，所述操作手柄经控制管线连接至所述智能刹车执行器，以用于控制刹车松紧。具体的，用户可以通过操作所述操作手柄，以通过控制管线的液压作用来驱动智能刹车执行器以调节刹车松紧。

可以一并参考图2A至图2C所示，具体介绍所述智能刹车执行器的结构。所述智能刹车执行器连接于带刹300，所述智能刹车执行器由至少一个液压缸驱动。在具体示例中，所述至少一个液压缸可以包括伺服油缸和弹簧油缸，智能刹车执行器具有分别对应两种液压缸的刹车部件，以用于被分别驱动以实现不同刹车状态。如图所示，弹簧油缸具有可伸缩的弹簧201，伺服油缸具有可伸缩的活塞杆202；其中，所述活塞杆202套合在所述弹簧201内；所述活塞杆202的一端连接于带刹300。具体的，在图示中展示了绞车转动轴301,、绕绞车转动轴301转动的绞车轮毂302、以及能运动至干涉绞车轮毂302的带刹300，所述带刹300具有带刹固定点303及可张弛的传动拉杆304，传动拉杆304连接到智能刹车执行器的活塞杆202。所述活塞杆202能伸展至驱动所述带刹300执行刹车动作；所述弹簧201能伸展至带动传动拉杆304以令所述带刹300执行刹车动作，带刹300刹车时传动拉杆304的状态如图2B所示。相应的，各个刹车状态可以包括：伺服油缸刹车状态、手动刹车状态、刹车松开状态、及弹簧201刹车状态。

结合图2A至图2C来介绍各种刹车状态。

1)伺服油缸刹车状态：当电动液压泵开启，液压输送至智能刹车执行器的弹簧201油缸，将弹簧201完全缩回后，带刹300的松紧由伺服油缸的活塞杆202的伸缩量控制，当操作手柄置于刹车位时，伺服油缸活塞杆202完全伸出即如图2A所示，活塞杆202推动带刹300从而刹车。

2)手动刹车状态：液压泵站停机后，系统无液压，同图2A所示，可以通过手动液压泵打压以将智能执刹车执行器弹簧201完全缩回后，带刹300的松紧或刹车由机械刹把400控制。

3)刹车松开状态：同状态1),弹簧201处于收缩状态；可参考图2B所示，当操作手柄置于中位时，伺服油缸活塞左右侧压力相同，活塞杆202收回，刹车松开。

4)弹簧刹车状态：正常情况下，同状态1)；可参考图2C，当弹簧201油缸失去液压时，弹簧201立即弹开，推动带刹300从而刹车。

在了解了智能刹车执行器的结构之后，再结合图3和图4介绍各个控制阀(1#电磁阀～6#电磁阀)的功能。各所述控制阀通信连接并受控于主控制器(如PLC)。

1)第一控制阀即1#电磁阀，通过控制管路连接于所述弹簧油缸，用于响应于主控制器在异常情况下发送的刹车指令而开启，释放所述弹簧油缸中的液压油以使弹簧伸展，形成紧急刹车。具体的，正常情况下，1#控制阀关闭，当出现如电源失电、触发急停、液压泵站停机、游车超速、触碰防碰止点)等异常情况时，主控制器控制该控制阀打开，释放弹簧油缸内的液压油，弹簧立即弹开从而刹车。

2)第二控制阀，即2#电磁阀，设置成响应于主控制器的刹车信号以控制气压控制管线的介质泄放；所述介质泄放用于解除主控制器基于控制管路的压力产生的刹车信号，以使所述刹车复位。具体的，钻井绞车大绳过卷会导致过卷阀动作或者手动刹车控制阀打开后，压缩空气控制2#气动继动器令离合器处于脱开状态。并且，压力开关PS1和PS2探测到气压，形成压力信号输出，压力信号经PLC处理后，输出刹车信号。当过卷阀或手动刹车控制阀复位后，相关控制管路内仍有空气，需通过该2#电磁阀释放残留空气从而刹车复位。

3)第三控制阀，即3#电磁阀，通过控制管路连接于离合器控制阀组的第三气动继动器，所述第三气动继动器关闭以使钻井绞车的离合器失去气源而处于脱开状态。具体的，3#电磁阀控制3#气动继动器关闭，高、低速离合器均失去气源后处于脱开状态。

4)第四控制阀，即4#电磁阀，用于响应于主控制器的信号以周期性地打开第四气动继动器，以使液压油输出至钻井绞车的预设部件进行润滑；所述预设部件包括以下至少一种：反馈马达；链条；紧链器，用于自动润滑。具体的，PLC自动间歇性控制4#电磁阀打开4#气动继动器，液压油经减压阀减压后，分别给反馈马达、链条、紧链器自动润滑。

5)第五控制阀，5#电磁阀，用于打开钻井绞车的自动送钻模式。在所述自动送钻模式中，第五控制阀受控于主控制器对液压缸控制以控制刹车的松紧。具体的，当操作手柄置于刹车位、打开该5#电磁阀时，5#气动继动器随之打开，电动液压泵至操作手柄的液压泄压；同时，1#气动继动器打开，液压经减压阀、反馈马达输送至智能刹车执行器伺服油缸，从而控制刹车的松紧，系统进入自动送钻模式。

6)第六控制阀，即6#电磁阀，用于关闭自动送钻模式。具体的，6#电磁阀打开后，伺服油缸经6#气动继动器泄压，自动送钻模式停止。

如图3所展示，展示本公开一实施例中智能刹车控制系统的结构示意图。

所述智能刹车控制系统包括：主控制器、控制屏、刹车操作箱、液压泵站。

所述液压泵站，通过控制管线连接至所述智能刹车执行器及刹车操作箱。所述液压泵站设置有一组控制阀，即如之前所述的#1电磁阀～#6电磁阀。所述一组控制阀中的至少部分控制阀连接于设置在通向离合器控制阀组及智能刹车执行器的控制管线中的各功能继动器。所述一组控制阀通信连接并受控于所述主控制器，以响应于主控制器的指令驱动各功能继动器以控制所述智能刹车执行器及离合器执行相应功能动作。具体可以参考之前已描述的#1电磁阀～#6电磁阀的功能。在图3实施例中，所述液压泵站包括：至少一个防爆接线盒，通信连接所述一组控制阀以及所述主控制器。所述至少一个防爆接线盒，还将设置在所述钻井绞车的各部分中的多个传感器通信连接至所述主控制器，所述多个传感器包括以下至少一种：控制液的温度传感器；控制液的液位传感器；压力传感器；游动系统的位置传感器。在图3中，示例性地展示了3个防爆接线盒，1#防爆接线盒、2#防爆接线盒、3#防爆接线盒。可选的，2#防爆接线盒电性连接6个电磁阀，1#电磁阀～6#电磁阀；1#防爆接线盒连接传感器包括：油温开关、油位开关、PS1压力开关及PS2压力开关，以及3#防爆接线盒所电性连接的游动系统位置的位置传感器、多个机械手限位开关(1#、2#)、多个机械臂限位开关(1#、2#)、补偿器限位开关、补偿器伸出开关(80％、20％)、顶区吊卡等。

所述主控制器，可用于从液压泵站接收各传感器传输的信号，如图示中对应连线上所描述，如高油温信号、低油位信号、过卷阀动作信号、游动系统位置、限位信号等，并可发送控制信号以控制1#电磁阀～6#电磁阀执行各自功能，如1#电磁阀的紧急刹车，2#电磁阀的刹车复位等。

所述控制屏，通信连接于所述主控制器，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令。示例性地，所述刹车参考参数可以包括如大绳分层点、防碰止点等。所述指令可以包括越控开关等。

所述操作箱除了如图1中设置有操作手柄外，还可设置有液压泵站的启停按钮、报警消音按钮、急停按钮以及伺服油缸的液压指示表中的至少一种。通过液压泵站的启停按钮可以发送启/停信号至主控制器，以通过主控制器控制液压泵站的启/停；报警消音按钮可用于发出报警消音信号，以触发主控制器对设置在液压泵站的报警器和/或控制屏带有的报警器的报警音进行消音。示例性地，急停按钮可用于触发急停刹车信号，对应于异常情况的一种，可以通过主控制器控制1#电磁阀令智能刹车执行器进行紧急刹车，如之前的刹车状态4。

示例性地，所述智能刹车控制系统还可以包括如下至少一种装置：可控硅控制柜、涡磁刹车系统、补偿器指示表、悬重传感器、编码器，均可与所述主控制箱通信连接。主控制器可以通过关闭绞车电机连锁指令控制可控硅控制柜切断钻井绞车的动力；可选地，主控制器可以发送与关闭绞车电机连锁指令同步联动的投入指令至所述涡磁刹车系统，以让涡磁刹车系统配合地投入使用，以对钻井绞车施加与运转方向相反的阻力以对其刹车。

另外，所述智能刹车控制系统还可包括应急配电板、应急分电箱等，用于给主控制器提供应急动力电源、应急控制电源等。根据图3实施例，可选而非限定地，主控制器可以控制实现功能包括：液压泵站启停(可由启停按钮触发)、游车位置及其防碰保护(可由触碰游车止点的异常情况触发1#电磁阀执行)、液压泵站高油温与低油位保护(可由油温、油位传感器的采集信号所触发)等功能，并可实现带刹刹车时，自动处于脱开状态离合(可由3#电磁阀执行)、切断钻井绞车的可控硅系统动力和投入涡磁刹车系统。

可进一步参考图4所示，展示本公开一实施例中主控制器的结构示意图。

所述主控制器包括：处理器模块、总线通信模块、数字量输入模块(可以有多个，例如1#和2#数字量输入模块)、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块。其中，所述处理器模块通过相应端口分别同总线通信模块和以太网通信模块通信连接；所述总线通信模块通信连接于钻井绞车的编码器以获取编码器信号，以用于供计算游动系统的位置和速度。

所述控制屏与所述以太网通信模块通信连接，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令。

在一些实施例中，所述处理器模块可以例如为CPU实现。所述主控制器包括装载所述处理器模块的基板提供插槽，总线通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块可通过板卡形式插设到所述基板上的插槽中，以形成完整的PLC。在一些实施例中，控制屏可以选用彩色高清屏，而不同于一般较陈旧钻井刹车设备使用的黑白屏，例如可选用西门子彩色精智屏，型号例如为KTP400 COMFORT，该屏显示清晰、并可用于防爆环境且尺寸合适，在国内备件充足，价格合理。在一些实施例中，所述总线通信模块可以是总线通讯卡，使用DP接口，型号例如为QJ71PB92V；所述以太网通信模块可以是以太网通讯卡，型号例如为QJ71E71-100。

示例性地，以下表1列出PLC的I/O口连接分配表，其中插槽有0～6共7个。点数即I/O点数，起始XY可以设置I/O的地址。

表1

通过在PLC集成以太网通讯模块来直连控制屏，实现当下较为流行的以太网连接方式，从而能使用较新的彩色触摸屏(如LED、LCD)，就不必再由PLC通过总线隔离中继器(解决兼容问题)来转换接口以连接陈旧的黑白显示屏了。如此，信息读取更为方便、直观。

在一些实施例中，所述主控制器中的处理器模块可运行有能相互调用的多个功能程序，所述多个功能程序包括：大绳长度计算程序、分层点设置程序、速度计算程序、防碰止点设置程序、游车位置计算程序及刹车执行程序。

所述大绳长度计算程序用于基于编码器信号计算钻井绞车大绳长度。由于大绳长度的变化量对应于大绳所连接运动装置(如游车、天车)的移动量，且结合时间可以得到移动速度，因此所述游车位置程序可以根据大绳长度计算钻井绞车游车位置，速度计算程序可以根据单位时间内大绳长度变化量计算速度。所述分层点设置程序用于设置大绳在绞车滚筒缠绕分层的分层点，所述分层点的设置由用户在所述控制屏的输入完成。在一些实施例中，所述大绳长度计算程序和分层点设置程序可以实现在一个程序中。

钻井绞车大绳长度计算是游车位置、速度计算的基础。假设设置成大绳分为5层，程序运行后先判断第1至5层的大绳总长度是否已计算(寄存器D6978>11)，如未计算，则进行计算，第1～4层的每层的大绳总长值分别存储在寄存器D2010、D2012、D2014、D2016(即D201Z₀，Z₀＝0，2，4，或6)。

每层大绳总长计算完成后，大绳长度计算程序根据控制屏的分层起始指令(如寄存器D2.1被控制屏置为1，大绳长度计算程序将第1层和第2层的分层点作为起始，其它同理)，将起始长度寄存在寄存器D6976，经推断，大绳总长的计算公式为：

其中，L表示缠绕在绞车滚筒上的大绳总长度；n表示绞车滚筒上缠绕大绳的层号，若某石油钻机绞车滚筒最多缠绕4层，则其最大值为4；N_n表示绞车滚筒各层缠绕的大绳数量，缠满为40，程序变量D2006；π表示圆周率，取值为3.142，程序常量K3142/1000；D_PCD表示绞车滚筒上第1层大绳的直径，其等于绞车滚筒的直径加上两根大绳的半径，值为952mm，程序变量D2002；d表示大绳的直径，为38mm，程序变量D2000。

示例性地，大绳可以在滚筒呈品字形排列，因此，除第一层外，大绳每增加一层，其直径增加2dsin60°。

经推断，钻井绞车旋转的总圈数N_总计算公式为：

其中，N_p表示编码器计量的脉冲总数；N_t表示钻井绞车旋转一周对应编码器的脉冲数，例如3072，程序变量D2008。

所述防碰止点设置程序用于设置钻井绞车中运动装置的防碰止点。所述防碰止点的设置由用户在所述控制屏的输入完成。游车位置计算程序，用于在防碰止点设置完成的情况下，基于大绳长度计算程序和分层点设置程序的计算结果，计算游车的位置。

如图5所示，展示本公开一实施例中防碰止点设置程序、游车位置计算程序、及速度计算程序的梯形图。PLC可以示例性地为三菱Q-PLC，SM400继电器闭合表示启动。

根据图示最左侧一列所示意，所述防碰装置包括：天车、机械手、机械臂及钻台，则所述防碰止点包括：天车防碰止点、机械手防碰止点、机械臂防碰止点及钻台防碰止点，图中简写为天车止点、机械手止点、机械臂止点及钻台止点，可供用户在控制屏设置。防碰止点设置程序先判断是否需要更改防碰止点(控制屏区域指针画面号D33是否等于30)，当需更改时(图示展示D2.1～D2.4存储是否要更改对应防碰止点的标识值)，将当前大绳相对长度折算成游车高度，存储在相应寄存器，控制屏只需调用其变量即可对其进行显示。例如，设置天车防碰止点时，控制屏将D2.1置为1，随即D301＝1条件成立，跳过子程序P178，控制屏确认更改(对应梯形图中D2.6置为1后)，当前大绳长度与相对零点长度之差D1003传送给D1030，主程序将其除以游车动滑轮的大绳股数D2500后折算成高度，寄存在D214，同理，将机械手、机械臂和钻台防碰止点分别寄存在D216、D218和D212，经推断，大绳长度转换为游车垂直高度的计算公式为：

其中，L即大绳长度计算程序计算的大绳总长度；N_STR表示游车或天车大绳股数，例如某石油钻机为12股，程序变量D2500。

在图中第一列，防碰止点设置完成“确认设置D2.6，跳转到分支程序P184”后；见图中第二列，自动调用游车位置计算程序P177即“跳转到分支程序P177”，将当时实时大绳长度与相对零点长度之差寄存在D7037，并将其折算成高度寄存在D202；同理，将游车距天车高度寄存在D201。图示中第二列下部至第三列上部主要是游车位置计算程序计算游车位置。

见图示中第三列下部P170至最右侧一列，主要是关于速度计算程序计算速度的过程。由于速度计算程序是基于大绳在预定时间(可以通过脉冲的时钟周期来确定)中的长度变化量计算，所以在大绳长度变化、脉冲量等相关的参数获得之后(见图中右边两列的计算过程)，所述速度计算程序可将编码器脉冲变化量折算成大绳长度变化量后除以时间，即为速度，保存在D200中，当其小于零时，自动取正。

如图6所示，展示本公开一实施例中刹车执行程序的梯形图。

所述刹车执行程序用于基于异常情况触发控制智能刹车执行器执行紧急刹车，即对应于当游车超速、碰触防碰止点、过卷阀动作、液压泵站故障、触发急停时PLC通过1#电磁阀控制智能刹车执行器的弹簧油缸泄压、刹车。

另外，刹车执行程序还可以实现越控功能。当防碰止点触发时，用户可以在控制屏提供人机交互界面(如主界面区域指针画面号D33＝1)按下越控(Override)功能开关按钮，触发控制屏控制防碰止点设置程序断开(即M4104断开)、且当刹车手柄置于刹车位(对应X29常闭)时，再按下复位按钮，即可实现越控功能。当按下越控关闭按钮、游车速度大于设置值、超过触碰天车或钻台安全距离时，越控即关闭。其中，所述越控功能指的是在游动系统触发防碰止点的情况下，允许继续运动。

以下介绍控制屏的人机交互界面的设计。

如图7所示，展示本公开一实施例中人机交互界面的界面操作流程图。

在控制屏的人机交互界面中，提供一“主界面”所述主界面提供“主菜单”、止点的“位置设置”界面的跳转选项，以及功能“复位停车”、“越控开关”、报警历史”等。

在主菜单界面下，提供“系统设置”，可以提供密码限制以增强安全性，在输入密码正确后，可以使用各种高权限的选项，“长度设置”即大绳分层点的设置。可选的，还有例如报警参数设置，关于最小悬重、最大悬重、系统低压等报警条件，以及报警延时、位置校正等。可选的，还可提供其它选项如模拟量显示、恢复出厂、系统参数显示、涡磁刹车测试、带刹测试、刹车距离设置等。

在主菜单界面下，提供另一分支，关于“吨/英里设置”、“状态显示”、“控制面板”等。

在位置设置界面下，提供各止点设置、修改、重置等功能。

每个分支皆可修改、重置，时间与报警参数的修改重置，单止点重置，分层点设置完之后的全部止点重置等。

在一些实施例中，控制屏上使用频繁的实体按钮可以通过相同虚拟按钮或其它实体/虚拟操作方式进行替代，保证实体按钮损坏时，仍可正常操作。比如，F3的实体按键，在触控的控制屏上也有F3的虚拟按键，或者通过F4长按来替代等等。

在一些实施例中，在人机交互界面中，游车位置校正等涉及参数更改的指令均设置有弹出确认窗口。由于切割滑移大绳或发生编码器跳齿等故障后，大绳分层点需重新设置，然后设置防碰止点，平时修改防碰止点可直接从主界面进入，因此，防碰止点设置界面有两个上一界面，设计返回到上一界面为主界面，其它界面只有一个上一界面，均原路返回。参数设置以及控制指令是设计的关键与风险控制的基础，以下示例性地介绍其中一些主要界面。

如图8所示，展示本公开一实施例中控制屏的主界面的示意图。

示例性地，所述主界面(MAIN MENU)展示有参数与报警显示内容、子界面引导按钮、及越控开关按钮。

其中，所述参数与报警显示内容：速度(SPEED)、游车到天车距离(CrownDistance)、游车到钻台距离(Floor Distance)分别调用图5中的寄存器中D200、D201和D202中的变量，并设计有速度和高度显示棒状图。报警调用按钮位于右下角，当有报警时闪烁并发出报警声，触摸该按钮即可显示具体报警参数并进行确认、消音消闪，当触发防碰止点或越控时，可在界面下方显示“OverrideActive”等状态。

示例性地，子界面引导按钮包括画面切换和控制按钮：包括菜单(Menu，由F1按键控制)和位置设置(POSITION SET，由F2按键控制)两个画面切换按钮，越控开关按钮(OVERRIDE ON/OFF，由F3按键控制)和复位按钮(REST STOP，由F4按键控制)分别调用图6中的D2.6和D2.7，越控开关(F3)按钮按下后，需再按下复位按钮(F4)，才能起到越控效果，上述四个按钮F1～F4为操作极为频繁，为增加系统可靠性，可既设置有实体按键(如下方一行所示)，也可设计有虚拟按钮(界面中)。

如图9所示，示例性地展示本公开一实施例中大绳长度设置(SETUP LENGTH)界面的示意图。

在图9所示界面中，每次切割滑移大绳或者发生编码器跳齿等故障后，均需对大绳长度进行设置，图9的大绳长度设置界面中主要展示了参数显示和分层点设置。

其中，参数显示：游车滑轮大绳股数、第一层大绳直径(PCD 1.layer)、大绳直径(Wire Diamter)、每圈脉冲数(Pulses pr.turn)、每层大绳圈数(Turns pr.layer)分别调用图5中的寄存器D2500、D2002、D2000、D2004和D2006中的变量，均使用IO域，既可以显示相关参数，也可对其进行更改。

其中，分层点设置：是大绳长度计算准确的前提，该设置相当于告知PLC计算的相对零点位置。具体的设置过程中，当大绳处于第1、2层的交点位置时，用户可按下F2键确定第1层和第2层的分层点(Set Length＝Layer1-2)；同理，按下F3或F4键，确定第2和第3层的分层点(Set Length＝Layer1-2)，第3和第4层的分层点(Set Length＝Layer1-2)。为避免随意更改参数，需确认才能进行更改，设置完成后，可以自动弹出设置完成界面，按F3可进入位置设置界面。为提高系统可靠性，F2-F4按键均设置有备用虚拟键。

如图10所示，示例性地展示本公开一实施例中位置设置(POSITION SET)界面的示意图。

在图10中，展示当前位置显示和防碰止点设置。具体的，当前位置显示信息包括“实际位置”(ACTUAL POSITION)，可设置的防碰止点包括：天车防碰止点(TOP POSITION)、机械手防碰止点(UPPER RACKINGARM POSITION)、机械臂防碰止点(LOWER RACKING ARMPOSITION)及钻台防碰止点(FLOOR POSITION)。

上述实施例仅例示性说明本公开的原理及其功效，而非用于限制本公开。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本公开的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本公开所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本公开的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种智能刹车控制系统，其特征在于，应用于钻井绞车，所述钻井绞车具有连接于智能刹车执行器的带刹，所述智能刹车执行器由至少一个液压缸驱动，所述钻井绞车具有离合器，所述离合器连接离合器控制阀组；所述智能刹车控制系统包括：

主控制器，包括：处理器模块、总线通信模块、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块、及以太网通信模块；其中，所述处理器模块通过相应端口分别同总线通信模块和以太网通信模块通信连接；所述总线通信模块通信连接于钻井绞车的编码器以获取编码器信号；

控制屏，与所述以太网通信模块通信连接，用于提供人机交互界面供用户设置刹车参考参数或输入指令；

刹车操作箱，设有操作手柄，用于通过控制管线连接所述智能刹车执行器，以用于控制刹车松紧；

液压泵站，通过控制管线连接至所述智能刹车执行器及刹车操作箱；所述液压泵站设置有一组控制阀；所述一组控制阀中的至少部分控制阀连接于设置在通向离合器控制阀组及智能刹车执行器的控制管线中的各功能继动器；所述一组控制阀通信连接并受控于所述主控制器，以响应于主控制器的指令驱动各功能继动器以控制所述智能刹车执行器及离合器执行相应功能动作。

2.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述至少一个液压缸包括：具有可伸缩的弹簧油缸、及具有可伸缩的活塞杆的伺服油缸；其中，所述活塞杆套合在所述弹簧内；所述活塞杆的一端连接于带刹，所述活塞杆能伸展至驱动所述带刹执行刹车动作；所述弹簧能伸展至抵压所述带刹执行刹车动作。

3.根据权利要求2所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述一组控制阀包括以下至少一种：

第一控制阀，所述第一控制阀通过控制管路连接于所述弹簧油缸，用于响应于主控制器在异常情况下发送的刹车指令而开启，释放所述弹簧油缸中的液压油以使弹簧伸展，形成紧急刹车；

第二控制阀，设置成响应于主控制器的刹车信号以控制气压控制管线的介质泄放；所述介质泄放用于解除主控制器基于控制管路的压力产生的刹车信号，以使所述刹车复位；

第三控制阀，通过控制管路连接于离合器控制阀组的第三气动继动器，所述第三气动继动器关闭以使钻井绞车的离合器失去气源而处于脱开状态；

第四控制阀，用于响应于主控制器的信号以周期性地打开第四气动继动器，以使液压油输出至钻井绞车的预设部件进行润滑；所述预设部件包括以下至少一种：反馈马达；链条；紧链器；

第五控制阀，用于打开钻井绞车的自动送钻模式；在所述自动送钻模式中，第五控制阀受控于主控制器对液压缸控制以控制刹车的松紧；

第六控制阀，用于关闭所述自动送钻模式。

4.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，异常情况包括以下至少一种：电源失电；急停；液压泵站停机；游车超速；触碰防碰止点。

5.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述液压泵站还包括：至少一个防爆接线盒，通信连接所述一组控制阀以及所述主控制器；所述至少一个防爆接线盒，还将设置在所述钻井绞车的各部分中的多个传感器通信连接至所述主控制器，所述多个传感器包括以下至少一种：控制液的温度传感器；控制液的液位传感器；压力传感器；游动系统的位置传感器。

6.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述操作箱还设置有液压泵站的启停按钮、报警消音按钮、急停按钮以及伺服油缸的液压指示表中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述钻井绞车刹车控制系统还包括：可控硅控制柜及涡磁刹车系统，分别与所述主控制器通信连接。

8.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述处理器模块运行有能相互调用的多个功能程序，所述多个功能程序包括：大绳长度计算程序、分层点设置程序、速度计算程序、防碰止点设置程序、游车位置计算程序及刹车执行程序；

其中，所述大绳长度计算程序用于基于编码器信号计算钻井绞车大绳长度，用于所述游车位置程序计算钻井绞车游车位置和速度计算程序计算速度；所述分层点设置程序用于设置大绳在绞车滚筒缠绕分层的分层点，所述分层点的设置由用户在所述控制屏的输入完成；所述防碰止点设置程序用于设置钻井绞车中运动装置的防碰止点，所述防碰止点的设置由用户在所述控制屏的输入完成；游车位置计算程序，用于在防碰止点设置完成的情况下，基于大绳长度计算程序和分层点设置程序的计算结果，计算游车的位置；所述刹车执行程序用于基于异常情况触发控制智能刹车执行器执行紧急刹车。

9.根据权利要求8所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述运动装置包括：天车、机械手、机械臂及钻台；所述防碰止点包括：天车防碰止点、机械手防碰止点、机械臂防碰止点及钻台防碰止点。

10.根据权利要求1所述的智能刹车控制系统，其特征在于，所述人机交互界面包括：包含越控功能开关的功能界面，所述越控功能指的是在游动系统触发防碰止点的情况下，允许继续运动。

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