CN115628020A - 一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻井设备上下钻具技术领域，公开了一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，包括：操作箱和无线遥控器用于输入相关操作信息；动力控制柜用于根据相应操作信息生成第一控制指令以驱动主泵为液压系统提供液压动力源；主控制柜用于根据相应操作信息生成第二控制指令以驱动自身外接的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息以生成其自身外接的各电磁阀的机械动作执行信息，以及生成第三控制指令；输送臂中转箱用于根据第三控制指令驱动自身外接的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息以生成其自身外接的各电磁阀的机械动作执行信息。本发明是国内首创性提出的三钻具串联动力猫道电控系统。

Description

一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统

技术领域

本发明属于钻井设备上下钻具技术领域，具体涉及一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统。

背景技术

近些年，化石液体能源及天然气的需求量增加，为提升钻机钻具上下钻台时的效率，降低人工劳动，降低钻井成本，研发适合可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，从而满足可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道具有深远的现实意义。

但是，目前国内还未研发实现三钻具串联动力猫道，而三钻具串联动力猫道在实际应用中逐渐被需要，则如何设计一套满足可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，成为本领域内需要考虑并研发实现的技术需求，但从无到有给研发带来了极大的挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，包括操作箱、无线遥控器、动力控制柜、主控制柜和输送臂中转箱，其中，

所述操作箱和所述无线遥控器，用于输入相关操作信息；

所述动力控制柜，用于为所述主控制柜提供DC直流电源，以及根据相应操作信息生成第一控制指令，并根据所述第二控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的主泵为液压系统提供液压动力源；

所述主控制柜，用于根据相应操作信息生成第二控制指令，根据所述第二控制指令驱动所述主控制柜自身外接配置的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息，根据所述主控制柜的状态信息生成所述主控制柜自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息，以及生成所述输送臂中转箱对应的第三控制指令；其中，所述主控制柜内置有软件系统，用于为所述主控制柜提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持；

所述输送臂中转箱，用于根据所述第三控制指令驱动所述输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息，根据所述输送臂中转箱的状态信息生成所述输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息；其中，所述输送臂中转箱内置有软件系统，用于为所述输送臂中转箱提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持。

在本发明的一个实施例中，所述操作箱包括：

外接的防爆操作台，用于输入相关操作信息；

内置的第一数字量输入模块、第二数字量输入模块和第一数字量输出模块，用于实现所述操作箱内数字信号输入、输出处理；以及

内置的第一Profinet-IO接口模块，用于实现所述操作箱通过Profinet协议与外接设备的通信。

在本发明的一个实施例中，所述动力控制柜内置有：

主泵电机控制回路，用于根据所述第一控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的主泵；

散热系统控制回路，用于根据相应操作信息生成的第四控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇；

主控制柜供电回路，用于为所述主控制柜提供DC直流电源。

在本发明的一个实施例中，所述主控制柜自身外接配置的各传感器及开关包括：

压力变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的液压输出压力信息；

温度变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的温度信息；

液位变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的液位信息；

左压力开关，用于保护及控制所述主控制柜的液压系统的液压油状态信息；

右压力开关，用于保护及控制所述主控制柜内散热系统的液压油状态信息；

左限位开关、右限位开关、左位移传感器和右位移传感器，用于保护及监测输送臂的位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述主控制柜自身外接配置的各电磁阀包括：

比例流量电磁阀，用于分配主泵的液压回路中A、B口的流量；

卸荷电磁阀，用于切断主泵为后级电磁阀提供的液压动力源；

左侧管架升电磁阀，用于控制左侧管架的上升运动；

右侧管架升电磁阀，用于控制右侧管架的上升运动；

左侧底座油缸升电磁阀，用于控制左侧底座油缸的上升运动；

右侧底座油缸升电磁阀，用于控制右侧底座油缸的上升运动；

左侧管架降电磁阀，用于控制左侧管架的下降运动；

右侧管架降电磁阀，用于控制右侧管架的下降运动；

左侧底座油缸降电磁阀，用于控制左侧底座油缸的下降运动；

右侧底座油缸降电磁阀，用于控制右侧底座油缸的下降运动；

输送臂升电磁阀，用于控制输送臂的上升运动；

输送臂降电磁阀，用于控制输送臂的下降运动；

若干组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制左侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换；

若干组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制右侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换。

在本发明的一个实施例中，所述主控制柜还内置有：

模拟量输入模块、模拟量输出模块，用于实现所述主控制柜内模拟信号输入、输出处理；

第三数字量输入模块、第二数字量输出模块，用于实现所述主控制柜内数字信号输入、输出处理；

可编程逻辑控制器，用于实现整个系统模拟信号、数字信号的运算，以及根据相应操作信息发送控制指令以控制系统中各电磁阀对应的机械动作执行信息；

Profinet总线交换机，用于实现所述主控制柜通过Profinet协议与外接设备的通信；

RS485总线模块，用于实现所述主控制柜通过RS485串行协议与外接设备的通信。

在本发明的一个实施例中，所述主控制柜还内置有：

HMI模块，用于显示表征整个系统的系统状态信息、运行信息和相关操作信息，以及用于设置系统相关参数信息。

在本发明的一个实施例中，所述输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关包括：

左接近开关、右接近开关，用于保护及监测辅助所述支撑油缸装置的伸出、缩回的位置信息；

推车编码器，用于保护及监测推车的位置信息。

在本发明的一个实施例中，所述输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀包括：

左侧安全销升电磁阀，用于控制左侧安全销的上升运动；

右侧安全销升电磁阀，用于控制右侧安全销的上升运动；

出料升电磁阀，用于控制所述输送臂中转箱内出料装置的上升运动；

左侧安全销降电磁阀，用于控制左侧安全销的下降运动；

右侧安全销降电磁阀，用于控制右侧安全销的下降运动；

出料降电磁阀，用于控制所述输送臂中转箱内出料装置的下降运动；

推车前进电磁阀，用于控制推车的前进运动；

推车后退电磁阀，用于控制推车的后退运动；

辅助支撑伸出电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的伸出运动；

辅助支撑缩回电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的缩回运动；

若干组左侧/右侧出料切换电磁阀，每组左侧/右侧出料切换电磁阀用于控制左侧输送臂中转箱内出料装置与右侧主控制柜内底座油缸的切换。

在本发明的一个实施例中，所述输送臂中转箱还内置有：

第二Profinet-IO接口模块，用于实现所述输送臂中转箱通过Profinet协议与外接设备的通信；

第三数字量输出模块，用于实现所述输送臂中转箱内数字信号输出处理。

本发明的有益效果：

本发明提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，是国内首创性研发的三钻具串联动力猫道电控系统：由操作箱和无线遥控器输入相关操作信息；动力控制柜根据相应操作信息生成第一控制指令，根据第一控制指令驱动动力控制柜外接的主泵为液压系统提供液压动力源；主控制柜根据相应操作信息生成第二控制指令，根据第二控制指令驱动其自身配置的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息，根据主控制柜的状态信息生成主控制柜自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息，同时生成控制输送臂中转箱对应的第三控制指令；输送臂中转箱根据第三控制指令驱动其自身外接配置的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息，根据输送臂中转箱的状态信息生成输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息。该系统通过操作箱、无线遥控器、动力控制柜、主控制柜和输送臂中转箱的有序工作，实现了可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道平滑稳定的运行。本发明的优势在于具有从无到有、工作稳定、操作简单、维护方便，并能满足可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道需求的高效、安全、低成本等优点，同时实现了动力猫道的平稳性，使得系统具有较高的可靠性，且对制作工艺的要求较低。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的系统中操作箱的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的系统中动力控制柜的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的系统中主控制柜的内置结构示意图；

图5是本发明实施例提供的系统中主控制柜的外接结构示意图；

图6是本发明实施例提供的系统中输送臂中转箱的内置结构示意图；

图7是本发明实施例提供的系统中输送臂中转箱的外接结构示意图；

图8是本发明实施例提供的系统中输送臂上升过程示意图；

图9是本发明实施例提供的系统中输送臂下降过程示意图；

图10是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中Profinet和RS485系统网络配置示意图；

图11是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统用户界面示意图；

图12是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统主界面示意图；

图13是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统设置界面示意图；

图14是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统操作记录界面示意图；

图15是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统报警界面示意图；

图16是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统信息界面-网络状态界面示意图；

图17是本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中操作箱的操作界面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

目前，国内还未有研发实现三钻具串联动力猫道，而三钻具串联动力猫道在实际应用中逐渐被需要，针对此需求，请参见图1，本发明实施例首创性提供了一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，包括操作箱、无线遥控器、动力控制柜、主控制柜和输送臂中转箱，其中，

操作箱(Control Box，简称CB)和无线遥控器，用于输入相关操作信息；

动力控制柜(Power Control Cabinet，简称PCC)，用于为主控制柜提供直流电源(Direct Current，简称DC)，以及根据相应操作信息生成第一控制指令，并根据第一控制指令驱动动力控制柜自身外接配置的主泵为液压系统提供液压动力源；

主控制柜(Control Cabinet，简称CC)，用于根据相应操作信息生成第二控制指令，根据所述第二控制指令驱动主控制柜自身外接配置的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息并产生，根据主控制柜的状态信息生成主控制柜自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息，以及生成输送臂中转箱对应的第三控制指令；其中，主控制柜内置有软件系统，用于为主控制柜提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持；

输送臂中转箱(Conveyor Arm Transit Box，简称CATB)，用于根据第三控制指令驱动输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息，根据输送臂中转箱的状态信息生成输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息；其中，输送臂中转箱内置有软件系统，用于为输送臂中转箱提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持。

接下来，对本发明实施例系统中每一部分提供了可选方案，并进行以下详细的介绍。

本发明实施例操作箱和无线遥控器实现了有线操作和无线操作的冗余。经发明人研究，所使用的无线遥控器其操作距离可以达到100m。

本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图2，操作箱包括：

外接的防爆操作台，用于输入相关操作信息，以供后续根据相应操作信息生成控制指令驱动动力控制柜、主控制柜、输送臂中转箱执行对应的操作；内置的第一数字量输入模块、第二数字量输入模块和第一数字量输出模块，用于实现操作箱内数字信号输入、输出处理；以及内置的第一Profinet-IO接口模块，用于实现操作箱通过Profinet协议与外接设备的通信。

本发明实施例操作箱可以通过有线连接方式与外接设备连接，比如操作箱连接动力控制柜和主控制柜，根据输入的相关操作信息产生后续驱动动力控制柜的第一控制指令，以及驱动主控制柜的第二控制指令，第一控制指令和第二控制指令用于控制猫道动作执行。

其中，防爆操作台设置有操作按键，可以输入相关操作信息。并且为了提高安全性，其具有防爆功能。而关于操作箱内置的第一Profinet-IO接口模块、第一数字量输入模块、第二数字量输入模块和第一数字量输出模块的实现可以结合现有器件的功能进行理解，在此不做详细说明。

这里，操作箱实现了有线操作控制模式即操作台模式，使得操作箱与无线遥控器做到操作冗余，有效避免了由于无线遥控器导致系统猫道无法动作的问题。

本发明实施例提供了一种可选方案，无线遥控器由无线遥控发射器、RS485总线无线接收器、天线组成。如何通过无线遥控发射器、RS485总线无线接收器、天线实现无线操作的实现可以结合现有技术进行理解，在此不做详细说明。

这里，无线遥控器实现了无线操作控制模式即无线模式，使得无线遥控器与操作箱做到了操作冗余，有效避免了由于操作箱导致系统猫道无法动作的问题。

进一步地，本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图3，动力控制柜内置有：

主泵电机控制回路，用于根据第一控制指令驱动动力控制柜自身外接配置的主泵；散热系统控制回路，用于根据相应操作信息生成的第四控制指令驱动动力控制柜自身外接配置的液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇；主控制柜供电回路，用于为主控制柜提供DC直流电源。其中，动力控制柜还可以内置有照明回路。

其中，所有回路均设有转动方向保护电路以及过载保护电路；动力控制柜具有软启动主电机，并驱动其他电机的能力，可以减少主电机启动对井场电路的冲击。关于上述各控制回路、主控制柜供电回路和照明回路的具体电路结构，可以在相应的现有电路结构基础上，根据场景需要设计，在此不做详细说明。

本发明实施例中主泵指的是液压泵，用于为集成安装于主控制柜的底座油缸提供液压动力源，且主泵具备软启动操作功能。液压油循环泵，用于控制底座油箱中液压油的反复循环过滤、冷却，以保证液压油的清洁度和温度，维持底座油缸的正常运行；双台空气冷却散热风扇，用于散热。

进一步地，本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图4，主控制柜内置有：

模拟量输入模块、模拟量输出模块，用于实现主控制柜内模拟信号输入、输出处理；第三数字量输入模块、第二数字量输出模块，用于实现主控制柜内数字信号输入、输出处理；可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，简称PLC)，用于实现整个系统模拟信号、数字信号的运算，以及根据相应操作信息发送控制指令以控制系统中各电磁阀对应的机械动作执行信息；Profinet总线交换机，用于实现主控制柜通过Profinet协议与外接设备的通信；RS485总线模块，用于实现主控制柜通过RS485串行协议与外接设备的通信。关于主控制柜内置的模拟量输入模块、模拟量输出模块、第三数字量输入模块、第二数字量输出模块、可编程逻辑控制器、Profinet总线交换机和RS485总线模块的实现可以结合现有器件功能进行理解，在此不做详细说明。

本发明实施例主控制柜与操作箱连接，通过主控制柜的Profinet总线交换机接收操作箱等发送的操作信息，并由主控制柜的可编程逻辑控制器根据相应操作信息下达动作指令(第二控制指令)以控制主控制柜外接配置的各电磁阀的开启和关闭，实现驱动对应机械部件动作的目的。

这里，可编程逻辑控制器还具有调节液压系统流量的功能，通过控制主控制柜外接配置的比例流量电磁阀，从而使得可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道平稳运行，满足石油钻机上下钻具及套管需求。

本发明实施例提供了一种可选方案，请再参见图4，主控制柜还内置有：

人机界面(Human Machine Interface，简称HMI)模块，用于显示表征整个系统的系统状态信息、运行信息和相关操作信息，以及用于设置系统相关参数信息。比如，HMI模块可以包括一触摸屏，系统中各种采集、监测的状态信息、运行信息和相关操作信息，以及设定的系统相关参数信息均可以显示在该触摸屏上，通过提供人机交互界面及相应的操作，以实现信息的输入、输出和显示等功能。本发明实施例的HMI模块可以在现有技术基础上，通过自行设计显示界面以实现个性化、便利化的应用。

本发明实施例提供了一种可选方案，请再参见图4，主控制柜内置的软件系统包括：PLC程序和HMI组态画面。其中，PLC程序用于接收指令、信息分析、输出控制指令比如各电磁阀对应机械动作执行信息；HMI组态画面用于显示系统不同阶段的处理界面。

本发明实施例的PLC程序和HMI组态画面，是在现有产品基础上，根据场景需要进行相应的个性化设计得到的，其中，本发明实施例的PLC程序可以采用西门子PORTAL-V16，HMI组态画面可以采用昆仑通态McgsPro组态软件，等等。

需要说明的是，软件系统也可以独立外接于主控制柜，内置、外接均可以实现其功能。

本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图5，主控制柜自身外接配置的各传感器及开关包括：

压力变送器，用于监测及反馈主控制柜的液压系统的液压输出压力信息；温度变送器，用于监测及反馈主控制柜的液压系统的温度信息；液位变送器，用于监测及反馈主控制柜的液压系统的液位信息；左压力开关，用于保护及控制主控制柜的液压系统的液压油状态信息；右压力开关，用于保护及控制主控制柜的散热系统的液压油状态信息；左限位开关、右限位开关、左位移传感器和右位移传感器，用于保护及监测输送臂的位置信息。其中，液压系统的执行主体为集成安装于主控制柜的底座油缸；散热系统的执行主体为外接于动力控制柜的液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇。

本发明实施例压力变送器用于监测及反馈主控制柜的液压系统的液压输出压力信息，由此系统判断主控制柜的液压系统对应在动力控制柜中主泵提供的液压输出压力，通过HMI组态画面判断主泵的压力输出能力。温度变送器用于监测及反馈温度信息，由此系统可以判断主控制柜的液压系统对应在动力控制柜中液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇的运行状态，继而做出相应的调整，比如对液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇进行启动温度设置、停止温度设置，以及进行系统高温报警温度设置等，从而对的散热进行管控。液位变送器用于监测及反馈主控制柜的液压系统的液位信息，由此可以对系统油位相关参数进行相应的调整，比如进行高油位、低油位、极低油位设定等，其中高油位用于反馈系统所需油位最高位，低油位用于反馈系统所需油位底限位，极低油位用于停止主泵的使用。左压力开关用于主控制柜的液压系统的油杂质监测，系统通过HMI组态画面提示其滤芯更换信息；右压力开关用于主控制柜的散热系统的油杂质监测，系统同样可以通过HMI组态画面提示其滤芯更换信息。左限位开关、右限位开关、左位移传感器和右位移传感器共同保证输送臂的平稳上升、下降，在上升、下降过程中，通过左位移传感器和右位移传感器实时推测输送臂的位置信息，并通过左限位开关、右限位开关保护输送臂在阈值范围内运动，并在超出阈值范围时可以启动相关报警装置等。

本发明实施例提供了一种可选方案，请再参见图5，主控制柜自身外接配置的各电磁阀包括：

比例流量电磁阀，用于分配主泵的液压回路中A、B口的流量；卸荷电磁阀，用于切断主泵为后级电磁阀提供的液压动力源；左侧管架升电磁阀，用于控制左侧管架的上升运动；右侧管架升电磁阀，用于控制右侧管架的上升运动；左侧底座油缸升电磁阀，用于控制左侧底座油缸的上升运动；右侧底座油缸升电磁阀，用于控制右侧底座油缸的上升运动；左侧管架降电磁阀，用于控制左侧管架的下降运动；右侧管架降电磁阀，用于控制右侧管架的下降运动；左侧底座油缸降电磁阀，用于控制左侧底座油缸的下降运动；右侧底座油缸降电磁阀，用于控制右侧底座油缸的下降运动；输送臂升电磁阀，用于控制输送臂的上升运动；输送臂降电磁阀，用于控制输送臂的下降运动；若干组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制左侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换，比如本发明实施例可以外接配置5组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀；若干组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制右侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换，比如本发明实施例可以外接配置5组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀。可以理解的是，上述各机械部件和作为液压系统执行主体的底座油缸集成为主控制柜，实现了模块化专配，以方便监控液压系统的工作，整体为猫道分配液压回路中A、B口的液压流量，通过控制各电磁阀，实现猫道对应机械动作执行，以及输送臂平稳上升、下降。

需要说明的是，当主控制柜对应的机械部件无动作执行时，所有电磁阀的阀门处于关闭状态，系统无液压流量，处于待机状态，这样能够大大减少能源损耗。

本发明实施例主控制柜还可以外接三色警示灯，三色警示灯包括红色警示灯、黄色警示灯、绿色警示灯和蜂鸣器；红色警示灯、黄色警示灯和绿色警示灯点亮时分别表示停机、警示、系统运行，蜂鸣器为系统运行警告提供声音提醒支持。

进一步地，本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图6，输送臂中转箱内置有：

第二Profinet-IO接口模块，用于实现输送臂中转箱通过Profinet协议与外接设备的通信；第三数字量输出模块，用于实现输送臂中转箱内数字信号输出处理。关于输送臂中转箱内置的第二Profinet-IO接口模块和第三数字量输出模块的实现可以结合现有器件的功能进行理解，在此不做详细说明。同时，输送臂中转箱内置有软件系统，实现参见主控制柜内置的软件系统，在此不再赘述。

本发明实施例输送臂中转箱与主控制柜连接，通过主控制柜的Profinet总线交换机接收操作箱等发送的操作信息，并由主控制柜的可编程逻辑控制器下达动作指令(第三控制指令)，通过输送臂中转箱的第二Profinet-IO接口模块接收主控制柜下达的动作指令，以控制输送臂中转箱外接配置的各电磁阀的开启和关闭，实现驱动对应机械部件动作的目的。

本发明实施例提供了一种可选方案，请参见图7，输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关包括：

左接近开关、右接近开关，用于保护及监测辅助支撑油缸装置的伸出、缩回的位置信息；推车编码器，用于保护及监测推车的位置信息。

本发明实施例推车编码器实时监测推车的位置信息，保护推车在阈值范围内运动，并在超出阈值范围时可以启动相关的报警装置等。左接近开关、右接近开关分别实时监测辅助支撑油缸装置的伸出、缩回的位置信息，以保证主控制柜和输送臂中转箱之间有序运行，提高系统运行的稳定性和可靠性。

本发明实施例提供了一种可选方案，请再参见图7，输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀包括：

左侧安全销升电磁阀，用于控制左侧安全销的上升运动；右侧安全销升电磁阀，用于控制右侧安全销的上升运动；出料升电磁阀，用于控制输送臂中转箱内出料装置的上升运动；左侧安全销降电磁阀，用于控制左侧安全销的下降运动；右侧安全销降电磁阀，用于控制右侧安全销的下降运动；出料降电磁阀，用于控制输送臂中转箱内出料装置的下降运动；推车前进电磁阀，用于控制推车的前进运动；推车后退电磁阀，用于控制推车的后退运动；辅助支撑伸出电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的伸出运动；辅助支撑缩回电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的缩回运动；若干组左侧/右侧出料切换电磁阀，每组左侧/右侧出料切换电磁阀用于控制左侧输送臂中转箱内出料装置与右侧主控制柜内底座油缸的切换，比如本发明实施例可以外接配置5组左侧/右侧出料切换电磁阀。可以理解的是，上述各机械部件集成为输送臂中转箱，实现了模块化专配，以方便监控推车平稳运行、结合主控制柜整体为猫道输送臂油缸提供液压流量，通过控制各电磁阀，实现猫道输送臂对应机械动作执行，及推车平稳前进、后退。

需要说明的是，当输送臂中转箱对应的机械部件无动作执行时，所有电磁阀的阀门处于关闭状态，系统无液压流量，处于待机状态，这样能够大大减少能源损耗。

请参见图8和图9，分别示意了可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统输送臂的上升和下降操作过程，横坐标均表示过程中输送臂上升/下降操作持续时间，单位秒(s)，纵坐标均表示过程中输送臂上升/下降操作速度，单位米/秒(m/s)。从图8可以看到输送臂上升过程，以及系统控制液压系统的过程，具体的，从图8的左侧向右侧，输送臂从速度为0开始先加速上升直至实现最大速度，且达到当前操作最高点，然后平稳运行；从图9可以看到输送臂下降过程，以及系统控制液压系统的过程，具体的，从图9的左侧向右侧，输送臂从当前操作最高点开始加速下降直至速度为0，停止操作。通过图8和图9，可以抑制由于输送臂上升和下降操作变化过大，导致液压系统惯性大带来的输送臂扭动问题，使得输送臂上升和下降过程平稳运行，从而提高设备运行的稳定性。

请参见图10，从图10可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统的网络配置情况，包括操作箱、主控制柜、输送臂中转箱和无线遥控器。无线遥控器通过RSU485总线无线接收器与主控制柜进行通信，图10中Modbus RTU表示一种开放的串行协议；主控制柜CC(CPU1214C)配置有Profinet总线交换机，输送臂中转箱CATB配置有第二Profinet-IO接口模块，操作箱CB配置有第一Profinet-IO接口模块，三者之间通过Profinet协议网络联系起来，图10中PN/IE表示Profinet协议通信的网络接口，通过Profinet协议能快速的进行数据的交互连接，采用Profinet总线网络组合的系统减少了施工带来的错误及工作量，大大减少了维护难度。软件系统包含西门子PORTAL-V16(PLC程序)和昆仑通态McgsPro组态软件(HMI组态画面)，这里为了更好的示意软件系统的功能，将软件系统外接于主控制柜，MCGS表示昆仑通态McgsPro组态软件。在整个系统实现过程中，为操作箱、主控制柜、输送臂中转箱，以及软件系统分别配置IP地址以实现正常通信功能，比如主控制柜的IP地址配置为192.168.0.1，输送臂中转箱的IP地址配置为192.168.0.2，操作箱的IP地址配置为192.168.0.3，软件系统的IP地址配置为192.168.0.10。

请参见图11，从图11可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统用户界面。图11画面通过用户登录按钮进行系统权限的登录；通过修改密码按钮进行当前用户登录权限的密码修改；通过管理用户按钮进行管理员权限下的系统其他用户的管理；通过用户退出按钮进行用户权限的退出。通过这四个按钮左侧的空白框可以显示系统运行模式及液压系统状态。图11画面的右上角包括：操作台信息框可以显示无线操作控制模式即无线模式，或者显示有线操作控制模式即操作台模式；钻铤信息框可以显示钻铤或者钻杆；左侧信息框可以显示左侧或者右侧；切限位信息框可以显示正常模式或者切限位模式；日期时间框用于显示年份、月份、日期和具体时间，比如10/27/2022 14:22:36表示2022年10月27日14点22分36秒；管理员信息框表示具有相关操作权限的人，比如管理员、操作员、工程师等；上钻信息框可以显示上钻或者甩钻；TOR表示位置偏差值，图11中以0.00m作为示意；OL表示油位，图11中以0.00mm作为示意；OP表示主泵，图11中以0.0MPa作为示意；TT表示温度变送器，图11中以0.0摄氏度作为示意。图11画面中下方的用户界面User、主界面Main、设置界面Set、操作记录Log、报警界面Alarm、信息界面Information分别表示相应的界面切换按钮。

请参见图12，从图12可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统主界面，图12画面中能清楚看到主泵数据，其包含主泵的运行、停止、故障三种工作状态，主泵提供液压系统的液压输出压力，以及主泵提供的液压系统在液压回路中A、B口的流量。图12画面中能清楚看到散热系统数据，其包含散热系统的运行、停止、故障三种工作状态。图12画面中能清楚看到输送臂位置，其包括左位移传感器、右位移传感器的数值，以及通过左位移传感器、右位移传感器的数值计算得到的输送臂左底座油缸的位置即图12中左位置、输送臂右底座油缸的位置即图12中右位置。图12画面中能清楚看到推车位置，包括推车编码器的数值，以及通过推车编码器的数值计算得到的推车位置。图12画面空白区域能将可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道执行的动作表示出来，内容可以为图5中左侧管架升电磁阀、右侧管架升电磁阀、左侧底座油缸升电磁阀、右侧底座油缸升电磁阀、左侧管架降电磁阀、右侧管架降电磁阀、左侧底座油缸降电磁阀、右侧底座油缸降电磁阀、输送臂升电磁阀、输送臂降电磁阀，以及图7中左侧安全销升电磁阀、右侧安全销升电磁阀、出料升电磁阀、左侧安全销降电磁阀、右侧安全销降电磁阀、出料降电磁阀、推车前进电磁阀、推车后退电磁阀、辅助支撑伸出电磁阀和辅助支撑缩回电磁阀对应的机械动作执行。

请参见图13，从图13可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统设置界面。图13画面中系统温度设定栏对散热系统进行散热系统启动温度设置、散热系统停止温度设置、系统高温报警温度设置，通过程序设置可以很好的对液压系统的散热进行管控。图13画面中系统油位设定栏对系统油位进行高油位、低油位、极低油位设定，高油位用于反馈系统所需油位最高位，低油位用于反馈系统所需油位底限位，极低油位用于停主泵，保护主泵的使用。图13画面中输送臂位置设置，其中输送臂最高点即主臂最高点用于设定输送臂运动过程的最高位，过程中当输送臂移送置需求位置后点击确认即可完成设定。图13画面中输送臂同步设定具体用于对输送臂左侧、右侧底部油缸对应的同步设置，一级偏差、二级偏差用来判断左侧、右侧底部液压油缸对应的同步情况，达到一级偏差系统将停止供油，达到二级偏差系统将减速供油，输送臂左侧液缸安装距、输送臂右侧液缸安装距分别用于修正输送臂左侧、右侧底部液压油缸的偏差。图13画面中进行系统切限位设置，主要通过输送臂位置、推车位置、右限位开关数据，来判断系统是否可以继续正常作业设置。图13画面中进行位置校准，主要包括输送臂位置和推车位置的校准。

请参见图14，从图14可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统操作记录界面，图14画面中显示及记录了每一操作信息对应的操作日期-时间、用户信息和操作动作记录信息，比如一条操作信息为：2022-10-27 14:27:36；操作员；输送臂上升操作。

请参见图15，从图15可以清楚看到本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统报警界面，图15画面中显示及记录了系统每一条报警信息对应的报警日期-时间、报警名称、报警值和报警提示信息，比如一条报警信息为：2022-10-27 14:27:36；急停；I0.0；操作台急停，请检查。该报警信息可以以文本形式存储，方便调出进行故障排查，指导系统维护。

请参见图16，从图16可以清楚看到本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中昆仑通态McgsPro组态软件的系统信息-网络状态界面，图16画面中左侧显示了网络配置情况，该网络配置情况如图10所示，右侧通过Profinet网络错误信息窗口中的块显示系统网络错误及模块错误信息，用于指导维护网络配置情况。

请参见图17，从图17可以清楚看到本发明实施例提供的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统中操作箱的操作界面，包括对系统、主泵、散热系统、各电磁阀的操作。对系统的操作包括程序故障、急停指示、系统运行、系统停止、系统警示五种对应操作；对主泵的操作包括过载指示、启动、停止三种操作，对应产生第一控制指令驱动主泵的工作状态；对散热系统的操作包括过载指示、启动、停止三种操作，对应产生第四控制指令驱动散热系统的工作状态。操作界面更多的是对各电磁阀的操作，操作区左侧电磁阀与右侧电磁阀的操作是控制系统中所有涉及的左侧与右侧操作，比如操作区位于左侧电磁阀，此时操控所有右侧的电磁阀均不起作用，操作任意左侧的电磁阀对应产生机械执行动作，如图5和图7所示的各电磁阀均可以在操作箱的操作界面进行操作，比如主控制柜外接左侧管架的升与降、上料的升与降、辅料出料的升与降等，以及输送臂中转箱外接左侧安全销的升与降等，操作区位于右侧电磁阀具有类似的功能，对于不受左侧电磁阀与右侧电磁阀的操控其他电磁阀，比如输送臂的升与降、出料的升与降、推车的前进与后退、辅助支撑伸出与缩回等在操作区直接进行对应操作，上述对各电磁阀对应产生第二控制指令、第三控制指令以实现各电磁阀对应机械动作执行。除了操作区左侧电磁阀与右侧电磁阀的操作，操作区还可以操作如图8右上角其他模式信息的操作，比如操作台与无线模式、上钻与甩钻、切限位与正常模式、钻杆与钻铤的选择操作。在图17右上角还设置由紧急操作按钮。

综上所述，本发明实施例提出的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，是国内首创性研发的三钻具串联动力猫道电控系统：由操作箱和无线遥控器输入相关操作信息；动力控制柜根据相应操作信息生成第一控制指令，根据第一控制指令驱动动力控制柜外接的主泵为液压系统提供液压动力源；主控制柜根据相应操作信息生成第二控制指令，根据第二控制指令驱动其自身配置的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息，根据主控制柜的状态信息生成主控制柜自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息，同时生成控制输送臂中转箱对应的第三控制指令；输送臂中转箱根据第三控制指令驱动其自身外接配置的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息，根据输送臂中转箱的状态信息生成输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息。该系统通过操作箱、无线遥控器、动力控制柜、主控制柜和输送臂中转箱的有序工作，实现了可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道平滑稳定的运行。本发明实施例的优势在于具有从无到有、工作稳定、操作简单、维护方便，并能满足可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道需求的高效、安全、低成本等优点，同时实现了动力猫道的平稳性，使得系统具有较高的可靠性，且对制作工艺的要求较低。经发明人研究，本发明实施例可以满足2m~12.9m高度的石油钻机，钻井过程中满足石油钻机安全可靠，稳定上下钻具的需求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看说明书及其附图，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在说明书中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。相互不同的实施例中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，包括操作箱、无线遥控器、动力控制柜、主控制柜和输送臂中转箱，其中，

所述操作箱和所述无线遥控器，用于输入相关操作信息；

所述动力控制柜，用于为所述主控制柜提供DC直流电源，以及根据相应操作信息生成第一控制指令，并根据所述第一控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的主泵为液压系统提供液压动力源；

所述主控制柜，用于根据相应操作信息生成第二控制指令，根据所述第二控制指令驱动所述主控制柜自身外接配置的各传感器及开关采集表征系统中主控制柜的状态信息，根据所述主控制柜的状态信息生成所述主控制柜自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息，以及生成所述输送臂中转箱对应的第三控制指令；其中，所述主控制柜内置有软件系统，用于为所述主控制柜提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持；

所述输送臂中转箱，用于根据所述第三控制指令驱动所述输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关采集表征系统中输送臂中转箱的状态信息，根据所述输送臂中转箱的状态信息生成所述输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀对应的机械动作执行信息；其中，所述输送臂中转箱内置有软件系统，用于为所述输送臂中转箱提供包括信息分析、各电磁阀对应机械动作执行信息在内的软件支持。

2.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述操作箱包括：

外接的防爆操作台，用于输入相关操作信息；

内置的第一数字量输入模块、第二数字量输入模块和第一数字量输出模块，用于实现所述操作箱内数字信号输入、输出处理；以及

内置的第一Profinet-IO接口模块，用于实现所述操作箱通过Profinet协议与外接设备的通信。

3.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述动力控制柜内置有：

主泵电机控制回路，用于根据所述第一控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的主泵；

散热系统控制回路，用于根据相应操作信息生成的第四控制指令驱动所述动力控制柜自身外接配置的液压油循环泵和双台空气冷却散热风扇；

主控制柜供电回路，用于为所述主控制柜提供DC直流电源。

4.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述主控制柜自身外接配置的各传感器及开关包括：

压力变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的液压输出压力信息；

温度变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的温度信息；

液位变送器，用于监测及反馈所述主控制柜的液压系统的液位信息；

左压力开关，用于保护及控制所述主控制柜的液压系统的液压油状态信息；

右压力开关，用于保护及控制所述主控制柜的散热系统的液压油状态信息；

左限位开关、右限位开关、左位移传感器和右位移传感器，用于保护及监测输送臂的位置信息。

5.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述主控制柜自身外接配置的各电磁阀包括：

比例流量电磁阀，用于分配主泵的液压回路中A、B口的流量；

卸荷电磁阀，用于切断主泵为后级电磁阀提供的液压动力源；

左侧管架升电磁阀，用于控制左侧管架的上升运动；

右侧管架升电磁阀，用于控制右侧管架的上升运动；

左侧底座油缸升电磁阀，用于控制左侧底座油缸的上升运动；

右侧底座油缸升电磁阀，用于控制右侧底座油缸的上升运动；

左侧管架降电磁阀，用于控制左侧管架的下降运动；

右侧管架降电磁阀，用于控制右侧管架的下降运动；

左侧底座油缸降电磁阀，用于控制左侧底座油缸的下降运动；

右侧底座油缸降电磁阀，用于控制右侧底座油缸的下降运动；

输送臂升电磁阀，用于控制输送臂的上升运动；

输送臂降电磁阀，用于控制输送臂的下降运动；

若干组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组左侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制左侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换；

若干组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀，每组右侧上料/辅助出料切换阀电磁阀用于控制右侧底座油缸与辅助支撑油缸装置的切换。

6.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述主控制柜还内置有：

模拟量输入模块、模拟量输出模块，用于实现所述主控制柜内模拟信号输入、输出处理；

第三数字量输入模块、第二数字量输出模块，用于实现所述主控制柜内数字信号输入、输出处理；

可编程逻辑控制器，用于实现整个系统模拟信号、数字信号的运算，以及根据相应操作信息发送控制指令以控制系统中各电磁阀对应的机械动作执行信息；

Profinet总线交换机，用于实现所述主控制柜通过Profinet协议与外接设备的通信；

RS485总线模块，用于实现所述主控制柜通过RS485串行协议与外接设备的通信。

7.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述主控制柜还内置有：

HMI模块，用于显示表征整个系统的系统状态信息、运行信息和相关操作信息，以及用于设置系统相关参数信息。

8.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述输送臂中转箱自身外接配置的各编码器及开关包括：

左接近开关、右接近开关，用于保护及监测辅助支撑油缸装置的伸出、缩回的位置信息；

推车编码器，用于保护及监测推车的位置信息。

9.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述输送臂中转箱自身外接配置的各电磁阀包括：

左侧安全销升电磁阀，用于控制左侧安全销的上升运动；

右侧安全销升电磁阀，用于控制右侧安全销的上升运动；

出料升电磁阀，用于控制所述输送臂中转箱内出料装置的上升运动；

左侧安全销降电磁阀，用于控制左侧安全销的下降运动；

右侧安全销降电磁阀，用于控制右侧安全销的下降运动；

出料降电磁阀，用于控制所述输送臂中转箱内出料装置的下降运动；

推车前进电磁阀，用于控制推车的前进运动；

推车后退电磁阀，用于控制推车的后退运动；

辅助支撑伸出电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的伸出运动；

辅助支撑缩回电磁阀，用于控制辅助支撑油缸装置的缩回运动；

若干组左侧/右侧出料切换电磁阀，每组左侧/右侧出料切换电磁阀用于控制左侧输送臂中转箱内出料装置与右侧主控制柜内底座油缸的切换。

10.根据权利要求1所述的可变液压调速液缸顶升三钻具串联动力猫道电控系统，其特征在于，所述输送臂中转箱还内置有：

第二Profinet-IO接口模块，用于实现所述输送臂中转箱通过Profinet协议与外接设备的通信；

第三数字量输出模块，用于实现所述输送臂中转箱内数字信号输出处理。

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