CN202134123U

CN202134123U - 一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统

Info

Publication number: CN202134123U
Application number: CN201120195679U
Authority: CN
Inventors: 文国军; 刘伟; 刘小浩; 宋锐; 陈汉
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2021-06-13

Abstract

一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，包括有上位机、液压控制系统和微处理器系统，通过上位机提供的三维虚拟水平定向钻机系统，操作人员可通过在微处理器系统设置的操作箱面板上操作各个电磁阀、节流阀、开关等按钮和键盘输入来控制液压系统，各种操作信号经采集、放大、转换后通过微处理器系统判断处理，由串行通信接口送入上位机上从而控制虚拟水平定向钻机的运动。本实用新型使用方便直观，可以帮助操作人员熟练水平定向钻机液压控制系统的各项操作及其工作规律，避免现场实际培训操作人员时发生人机安全事故，且成本低、效率高。

Description

一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统

技术领域

本实用新型涉及一种虚拟现实实训系统的操控系统，尤其是一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统。

背景技术

近年来，随着水平定向钻进技术的迅猛发展，液压水平定向钻机的应用越来越广泛，对高水平的水平定向钻机操作人员的需求与日俱增。由于水平定向钻进工程在地面下进行，实习操作人员不能实时地看到钻进情况，对钻机液压系统操作控制和实际钻进过程的关联性缺乏系统全面的理解和认识。另外钻机成本昂贵，一旦由于操作人员错误操作，极可能引起钻机液压系统的故障或者工程的停止。因此，亟需采用液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统来培训相当数量的操作人员，使其在进行实际钻进前就能充分熟悉水平定向钻机上的液压控制系统及其工作规律，从而尽快投入到实际定向钻进工程中去，并有效地避免人机安全事故的产生。但目前尚无此类液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统产品。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现有技术而提供一种低成本、安全有效的液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统。

本实用新型为达到上述目的所采用的技术方案是：提供一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，包括有上位机、微处理器系统和液压控制系统，所述的上位机通过通讯接口与微处理器系统连接；所述的微处理器系统设置有操作箱，操作箱的面板上安装有开关按钮，键盘，液晶显示屏，还有压力传感器、流量传感器、电磁阀及节流阀的控制按钮，操作箱中安装有微处理器、通讯接口和伺服电路，通过微处理器和操作箱面板上安装的开关按钮、旋钮、控制按钮和键盘控制液压控制系统；所述的液压控制系统含有油箱、2个滤油器、液压油泵、溢流阀、电磁阀A及子系统Ⅰ和子系统Ⅱ；所述的2个滤油器与油箱连接，滤油器A连接液压油泵后与溢流阀和电磁阀A连接，滤油器B连接溢流阀和所有的电磁阀；子系统Ⅰ含有3组电磁阀与液压缸和压力传感器连接，有2组节流阀通过电磁阀与液压马达和流量传感器以及压力传感器连接；子系统Ⅱ含有2个电磁阀，其中电磁阀B与液压马达B和压力传感器连接，电磁阀B还通过电磁阀BB与液压缸B和压力传感器连接。

本实用新型所述的液压控制系统分别采用电磁阀与液压缸和压力传感器连接；电磁阀与液压马达和压力传感器连接；节流阀连接电磁阀和液压马达后分别与流量传感器及压力传感器连接；所述的压力传感器与流量传感器的输出信号经滤波放大和AD转换的电路调理后送入微处理器，微处理器处理后的信息在显示屏上显示，微处理器处理后的信息同时通过通讯接口与上位机连接；所述的液压控制系统的控制信号还可通过键盘输入，经过微处理器处理后在显示屏上显示。

本实用新型所述的液压控制系统的子系统Ⅰ包含有5个电磁阀、2台液压马达，电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E、电磁阀F、电磁阀G分别与微处理器系统操作箱的面板上安装的电磁阀C按钮、电磁阀D按钮、电磁阀E按钮、电磁阀F按钮、电磁阀G 按钮连接；按下电磁阀A按钮上位，液压油进入子系统Ⅰ：按下电磁阀F按钮控制钻机动力头正反转和停止，按下电磁阀D按钮上位使前持紧器处于夹紧状态；按下电磁阀E按钮上位使后持紧器处于夹紧状态；按下电磁阀C按钮，控制上钻杆和下钻杆；按下电磁阀G按钮，使动力头给进或回拖。

本实用新型所述的液压控制系统的子系统Ⅱ包含有2个电磁阀、1台液压马达，电磁阀B和电磁阀BB 分别与微处理器系统的操作箱的面板上安装电磁阀B按钮、电磁阀BB按钮连接；按下电磁阀A按钮下位，液压油进入子系统Ⅱ；按下电磁阀B按钮，控制钻机整体的前后移动和停止；按下电磁阀BB按钮上位，使钻机伸出支腿；按下电磁阀BB按钮下位，钻机收回支腿；按下电磁阀BB按钮中位，钻机的液压缸杆静止。

本实用新型操作过程中采用1个电磁阀A控制子系统的选择。子系统Ⅰ分别采用5个电磁阀进行控制，子系统Ⅱ采用2个电磁阀进行控制。

本实用新型所述的液压控制系统中的电磁阀A和电磁阀B有左位、中位以及右位，通过左中右位不同得失电可以实现虚拟钻机三种状态转换。本实用新型通过微处理器系统设置的检测电路监测电磁阀的状态，当电磁阀处于中位时，对应液压执行元件不动作，两个比较器均输出低电平；当电磁阀动作时，对应液压执行元件动作，两个比较器中有一个输出高电平，根据不同比较器输出高低电平顺序不同判断电磁阀所处状态。另外电磁阀B控制钻机整体的前后移动和停止，电磁阀G控制钻杆正转、反转和钻杆停止，这2个电磁阀也具有三个状态位检测控制功能。

本实用新型所述的微处理器系统设置的操作箱面板上设有键盘和显示屏，通过键盘输入钻机的钻进角度和钻头角度，经微处理器处理后，其数值显示在显示屏上。显示屏最直观地显示虚拟水平定向钻机各种操作动作。

本实用新型所述的微处理器系统设置的操作箱面板上设有节流阀旋钮，旋转节流阀旋钮实现流量控制，调节动力头转速及动力头推拉速度。本实用新型采用2个节流阀分别调节钻机液压马达的转速和钻机进给、回拖速度。调节节流阀旋钮时，使流经液压马达流量相应改变，流量传感器检测流量值，根据流量值计算出相应液压马达转速。

本实用新型的有益效果是，本操作系统用于培训水平定向钻机操作人员，使用方便直观，可以帮助水平定向钻机操作人员提高液压控制系统的操作熟练程度并深入了解液压水平定向钻机的工作规律，同时可避免现场培训操作人员时对真实水平定向钻机可能造成的损坏，还使初学水平定向钻机操作的人员克服畏难情绪，提高培训效率，培训成本低、安全高效。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是本实用新型的液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统结构原理示意图。

图2是本实用新型的液压系统结构原理示意图。

图3是本实用新型的操作面板布局示意图。

上述图中：1油箱、2滤油器A、3滤油器B、4液压油泵、5溢流阀、6电磁阀A、7电磁阀B、8马达B左位压力传感器、9液压马达B、10马达B右位压力传感器、11液压缸B左位压力传感器、12液压缸B、13液压缸B右位压力传感器、14电磁阀BB、15压力传感器C、16液压缸C、17电磁阀C、18压力传感器CC、19压力传感器D、20液压缸D、21电磁阀D、22压力传感器DD、23压力传感器E、24液压缸E、25电磁阀E、26压力传感器EE、27压力传感器F、28液压马达F、29压力传感器FF、30压力传感器G、31液压马达G、32压力传感器GG、33电磁阀G、34节流阀G、35流量传感器G、36节流阀F、37电磁阀F、38流量传感器F、39 子系统Ⅰ、40 子系统Ⅱ、41虚拟钻机开关、42液压马达开关、43卸扣开关、44动力头推拉开关、45钻进角度确定按钮、46钻头角度确定按钮、47电磁阀A按钮、48电磁阀B按钮、49电磁阀BB 按钮、50电磁阀 C按钮、51电磁阀 D 按钮、52电磁阀 E 按钮、53电磁阀F按钮、54电磁阀G按钮、55键盘、56显示屏、57节流阀G旋钮，58节流阀F旋钮。

具体实施方式

实施例1：本实用新型一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，如图1所示，包括上位机、微处理器系统和液压控制系统，图1中，所述的液压控制系统分别采用电磁阀与液压缸和压力传感器连接；电磁阀与液压马达和压力传感器连接；节流阀连接电磁阀和液压马达后分别与流量传感器及压力传感器连接；所述的压力传感器与流量传感器的输出信号经滤波放大和AD转换的电路调理后送入微处理器，微处理器处理后的信息在显示屏上显示，微处理器处理后的信息同时通过通讯接口与上位机连接；所述的液压控制系统的控制信号还可通过键盘输入，经过微处理器处理后在显示屏上显示。

所述的上位机通过通讯接口与微处理器系统连接，上位机提供三维虚拟水平定向钻机软件系统，导入到微处理器系统中，作为虚拟的三维水平定向钻机。

所述的微处理器系统设置有操作箱，参见图3，操作箱的面板上安装有6个开关按钮，8个控制按钮，还有键盘55，显示屏56，节流阀G旋钮57，节流阀F旋钮58；微处理器、通讯接口、伺服电路安装在操作箱中；

操作箱的面板上安装6个开关按钮分别是：钻机开关41、液压马达开关42、卸扣开关43、动力头开关44、钻进角度确定按钮45、钻头角度确定按钮46；

操作箱的面板上安装的8个控制按钮分别是：

电磁阀A按钮47：用于选择液压油进入子系统Ⅰ或子系统Ⅱ；

电磁阀B按钮48：用于控制钻机的整体前进、后退或停止；

电磁阀BB 按钮49：按上位钻机伸出支腿；按下位，钻机收回支腿；按中位，钻机为液压缸杆静止；

电磁阀 C 按钮50：按上位，钻机上钻杆；按下位，钻机下钻杆；按中位，液压缸杆静止；

电磁阀 D 按钮51: 按上位使前夹持器处于夹紧状态；按下位，使前夹持器处于松开状态；按中位，液压缸杆静止；

电磁阀 E 按钮52：按上位使后夹持器处于夹紧状态；按下位，使前夹持器处于松开状态；按中位，液压缸杆静止；

电磁阀F按钮53:按上位，钻杆正转；按下位，钻杆反转；按中位，钻杆停止转动；

电磁阀G 按钮54：按上位，动力头给进；按下位，动力头回拖；按中位，动力头停止运动。

所述的液压控制系统参见图2，含有油箱1、滤油器A2、滤油器B3、液压油泵4、溢流阀5、电磁阀A6及子系统Ⅰ39和子系统Ⅱ40；所述的2个滤油器与油箱连接，滤油器A连接液压油泵后与溢流阀和电磁阀A连接，滤油器B连接溢流阀和所有的电磁阀；

子系统Ⅰ39含有3组电磁阀与液压缸和压力传感器连接，还有2组节流阀分别通过各组的电磁阀与液压马达和流量传感器及压力传感器连接；其中：电磁阀C17与液压缸C16、液压缸C左位压力传感器C15、液压缸C右位压力传感器CC18连接；电磁阀D21与液压缸D20、液压缸D左位压力传感器D19、液压缸D右位压力传感器DD22连接；电磁阀E25与液压缸E24、液压缸E左位压力传感器E23、液压缸E右位压力传感器EE26连接；节流阀F36与电磁阀F37连接，电磁阀F37与液压马达F28、液压马达F左位流量传感器F38和压力传感器F27、液压马达F右位压力传感器FF29连接；节流阀G34与电磁阀G33连接，电磁阀G33与液压马达G31、液压马达G左位流量传感器G35和压力传感器G30、液压马达F右位压力传感器GG32连接。

子系统Ⅱ含有2个电磁阀，其中电磁阀B7与液压马达B9和压力传感器连接，电磁阀B7还通过电磁阀BB14与液压缸B12、液压马达B左位压力传感器8和液压马达B右位压力传感器10连接。

图2中，液压控制系统的子系统Ⅰ39包含有5个电磁阀、2台液压马达，电磁阀C17、电磁阀D21、电磁阀E25、电磁阀F37、电磁阀G33分别与图3中微处理器系统的操作箱的面板上安装的电磁阀C按钮50、电磁阀D按钮51 、电磁阀E按钮52、电磁阀F按钮53 、电磁阀G 按钮54连接；液压控制系统的子系统Ⅱ40包含有液压马达B9、电磁阀B7、电磁阀BB14，所述的电磁阀B7和电磁阀BB14 分别与微处理系统的操作箱的面板上安装电磁阀B按钮48电磁阀BB按钮49连接。

进入虚拟操控系统模拟现实实训操控时，先打开在上位机上安装好的三维虚拟水平定向钻机软件系统；面对操作面板，按下虚拟钻机开关41，将三维虚拟水平定向钻机导入到系统中；按下电磁阀A按钮47下位，电磁阀A6左位得电，液压油进入子系统Ⅱ40：按下电磁阀BB按钮49上位，电磁阀BB14右位得电，液压缸B12工作，液压缸B左位压力传感器11相对应检测电路输出低电平，液压缸B右位压力传感器13相对应检测电路输出高电平，微处理器判断为液压缸杆伸出，向串口发送相应数据控制软件指令,使水平定向钻机伸出支腿；按下电磁阀BB按钮49下位，电磁阀B7左位得电，液压缸B12工作，液压缸B左位压力传感器11相对应检测电路输出高电平，液压缸B右位压力传感器13相对应检测电路输出低电平，微处理器判断液压缸杆回缩，向串口发送相应数据控制软件指令,水平定向钻机收回支腿；按下电磁阀BB按钮49中位，电磁阀BB14不得电，液压缸B12不工作，液压缸B左位压力传感器11相对应检测电路输出低电平，液压缸B右位压力传感器13相对应检测电路输出低电平，微处理器判断为液压缸杆静止，不向串口发送数据；按下电磁阀B按钮48上下位和中位，控制液压马达B9的正反转和停转，实现钻机前进后退和停止。

液压控制系统通过微处理器、串行通讯接口与上位机的三维水平定向钻进进行通讯，从而控制钻机整体移动和停止、支腿伸出或缩回、钻机工作角度确定、钻杆正反转及其速度调节、钻头角度确定、动力头进给与回拖、夹紧器夹紧与松开、卸扣、上或下钻杆、开机和退出。参加模拟实训操控人员通过操作各个按钮、控制液压系统，利用压力传感器、流量传感器采集液压系统实时变化的数据来控制上位机的三维虚拟水平定向钻机，进而模拟水平定向钻机的各种运动；帮助水平定向钻机操作人员提高液压控制系统的操作熟练程度，深入了解钻机的工作规律。

实施例2：应用本实用新型虚拟操控系统模拟现实操作训练,参见图2、图3，先打开上位机，面对操作面板，按下虚拟钻机开关41，将三维虚拟水平定向钻机导入到系统中；按下电磁阀A按钮47上位，电磁阀A6右位得电，液压油进入子系统Ⅰ39：按下电磁阀G按钮54上位，电磁阀G 33右位得电，液压马达G 31工作，压力传感器G30相对应检测电路输出低电平，压力传感器GG 32相对应检测电路输出高电平，微处理器处理判断为液压马达G 31反转，向串口发送相应数据控制软件指令水平定向钻机动力头回拖；按下电磁阀G按钮54下位，电磁阀G 33左位得电，液压马达G 31工作，压力传感器G 30相对应检测电路输出高电平，压力传感器GG 32相对应检测电路输出低电平，微处理器处理判断液压马达G 31正转，向串口发送相应数据控制上位机的三维虚拟水平定向钻机动力头给进；按下电磁阀G按钮54中位，电磁阀G 33不得电，液压马达G 31不工作，压力传感器G 30相对应检测电路输出低电平，压力传感器GG 32相对应检测电路输出低电平，微处理器处理判断为液压缸杆静止，向串口发送数据控制上位机的三维虚拟水平定向钻机动力头停止；旋转节流阀G旋钮57，节流阀G34动作，流量传感器G35输出信号经信号滤波放大和AD转换的电路调理后送入微处理器处理后通过通讯接口，向串口发送相应数据控制上位机的三维虚拟水平定向钻机动力头给进与回拖速度。

具体的操作流程如下：

1. 打开在上位机上安装好的三维虚拟水平定向钻机软件系统；

2. 按下虚拟钻机开关按钮41，将三维虚拟水平定向钻机导入到系统中；

3. 按下电磁阀A按钮47下位,进入子系统Ⅰ39，按下电磁阀B按钮48控制钻机的整体前进、后退或停止；

4. 待钻机停止移动后，按下电磁阀BB按钮49上位，使钻机伸出支腿；

5. 按下电磁阀A按钮47上位，进入子系统Ⅱ40；

6. 通过键盘55输入钻进角度；按下钻进角度确定按钮45，确定钻进角度；

7. 按下液压马达开关42，启动高速的液压马达F28；按下电磁阀F按钮53，控制钻杆的正反转与停止；

8. 旋转节流阀G旋钮57，调节流经液压马达F28流量，实现钻杆正反转速度控制；

9. 通过键盘55输入钻头角度；按下钻头角度确定按钮46，确定钻头角度；

10. 按下动力头推拉开关44，开启动力头开关；

11. 按下电磁阀G按钮54，使动力头给进回拖与停止（注意此时前、后夹持器均处于松开状态）；

12. 旋转节流阀F旋钮58，调节流经液压马达G31流量，实现动力头进给回拖速度控制；

13. 待动力头回拖完毕，按下电磁阀D按钮51上位和按下电磁阀E按钮52上位，使前夹持器和后夹持器处于夹紧状态；

14. 按下卸扣开关43按钮，完成卸扣动作；

15. 按下电磁阀C按钮50，控制钻机下钻杆和上钻杆；

16. 各个速度值和角度值在液晶显示屏56上显示；

17. 完成操作后，按下按钮开关41，退出系统。

参加模拟实训操控人员通过操作各个按钮控制液压系统，利用压力传感器、流量传感器采集液压系统实时变化的数据来控制上位机的三维虚拟水平定向钻机，进而模拟水平定向钻机的各种运动；帮助水平定向钻机操作人员提高液压控制系统的操作熟练程度，深入了解钻机的工作规律。本实用新型的操控系统，使用方便直观，模拟操作可避免现场培训操作人员时对水平定向钻机可能造成的损坏，培训成本低、安全高效。

Claims

1.一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，包括有上位机、微处理器系统和液压控制系统，其特征是：所述的上位机通过通讯接口与微处理器系统连接；所述的微处理器系统设置有操作箱，操作箱的面板上安装有开关按钮，键盘，液晶显示屏，还有压力传感器、流量传感器、电磁阀及节流阀的控制按钮，操作箱中安装有微处理器、通讯接口和伺服电路，通过微处理器和操作箱面板上安装的开关按钮、旋钮、控制按钮和键盘控制液压控制系统；所述的液压控制系统含有油箱、2个滤油器、液压油泵、溢流阀、电磁阀A及子系统Ⅰ和子系统Ⅱ；所述的2个滤油器与油箱连接，滤油器A连接液压油泵后与溢流阀和电磁阀A连接，滤油器B连接溢流阀和所有的电磁阀；子系统Ⅰ含有3组电磁阀与液压缸和压力传感器连接，有2组节流阀通过电磁阀与液压马达和流量传感器以及压力传感器连接；子系统Ⅱ含有2个电磁阀，其中电磁阀B与液压马达B和压力传感器连接，电磁阀B还通过电磁阀BB与液压缸B和压力传感器连接。

2.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的液压控制系统分别采用电磁阀与液压缸和压力传感器连接；电磁阀与液压马达和压力传感器连接；节流阀连接电磁阀和液压马达后分别与流量传感器及压力传感器连接；所述的压力传感器与流量传感器的输出信号经滤波放大和AD转换的电路调理后送入微处理器，微处理器处理后的信息在显示屏上显示，微处理器处理后的信息同时通过通讯接口与上位机连接；所述的液压控制系统的控制信号还可通过键盘输入，经过微处理器处理后在显示屏上显示。

3.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的液压控制系统的子系统Ⅰ包含有5个电磁阀、2台液压马达，电磁阀C、电磁阀D、电磁阀E、电磁阀F、电磁阀G分别与微处理器系统操作箱的面板上安装的电磁阀C按钮、电磁阀D按钮、电磁阀E按钮、电磁阀F按钮、电磁阀G 按钮连接；按下电磁阀A按钮上位，液压油进入子系统Ⅰ：按下电磁阀F按钮控制钻机动力头正反转和停止，按下电磁阀D按钮上位使前持紧器处于夹紧状态；按下电磁阀E按钮上位使后持紧器处于夹紧状态；按下电磁阀C按钮，控制上钻杆和下钻杆；按下电磁阀G按钮，使动力头给进或回拖。

4.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的液压控制系统的子系统Ⅱ包含有2个电磁阀、1台液压马达，电磁阀B和电磁阀BB 分别与微处理器系统的操作箱的面板上安装电磁阀B按钮、电磁阀BB按钮连接；按下电磁阀A按钮下位，液压油进入子系统Ⅱ；按下电磁阀B按钮，控制钻机整体的前后移动和停止；按下电磁阀BB按钮上位，使钻机伸出支腿；按下电磁阀BB按钮下位，钻机收回支腿；按下电磁阀BB按钮中位，钻机的液压缸杆静止。

5.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的液压控制系统中的电磁阀A和电磁阀B有左位、中位以及右位，通过左中右位不同得失电可以实现虚拟钻机三种状态转换。

6.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的微处理器系统设置的操作箱面板上设有键盘和显示屏，通过键盘输入钻机的钻进角度和钻头角度，经微处理器处理后，其数值显示在显示屏上。

7.根据权利要求1所述的一种液电式水平定向钻机虚拟现实实训操控系统，其特征是：所述的微处理器系统设置的操作箱面板上设有节流阀旋钮，旋转节流阀旋钮实现流量控制，调节动力头转速及动力头推拉速度。