CN2047302U - 微机控制钻井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种8035(8039)单片微型计算机控制安全钻井装置，该装置采用MCS-48系列单片微型计算机Cmos大规模逻辑集成电路功能选择开关逻辑电路、声光报警电路、打印机及电动气动执行机构，能在单片微型机内部运行程序调度下，自动不断地采集现场信息，对钻井中出现卡钻、下钻遇阻，钻进中溜钻及加压不足的事故进行逻辑分析和自动化处理，以控制事故的进一步恶化，具有灵敏度高，抗干扰能力强，体积小，耗电量小及安装简单的特点。

Description

本实用新型涉及一种控制钻井事故恶化的装置。

在钻井过程中经常会出现钻具上提遇卡，下放遇阻、溜钻及钻具加压不足的事故现象，目前公知的由晶体管、电阻电容组成的电子电路装置对上述事故进行报警，但其缺点是灵敏度、可靠性差，对钻机的振动、现场电源波动和环境气温、湿度变化等外界干扰无法克服而不能正常工作，而且功能单一、体积大、耗电量大以及调试安装困难。

本实用新型的目的是针对上述几种钻井事故提供一种改进的8035（8039）单片微型计算机控制安全钻井装置，它能在该机内部运行程序的调度下，自动不断地采集现场信息，对上述出现的钻井事故进行逻辑分析和自动化处理，以控制事故进一步恶化，具有灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、耗电量小及安装简单的特点。

本实用新型主要由1.中央处理器采用MCS－48系列8035／8039单片微型计算机。2.存贮器2716和锁存器₁74LS373构成外部程序存贮器。3.锁存器₂74LS377和BG₁－HG₁₁等构成声光报警器和电磁阀驱动电路。4.锁存器₃74LS373及开关逻辑选择电路和触发器D等构成现场信号的采样输入电路。5.打印机TP_up16A。6.电接点压力表组成钻机悬重压力传感器。7.四通电磁阀构成气动执行机构。8.两组三端稳压器构成＋5V，＋12V电源。对钻探过程中出现的钻具上提遇卡，下放遇阻，钻进中溜钻，加压不足等事故现象，都是靠并联在钻机压力系统上的电接点压力表的上下限触点来采样，电接点压力表作为钻机悬重压力传感器由开关逻辑选择电路所共用，在钻探过程中需要对哪一种事故现象进行功能监测，由共用压力传感器提供现象和现场悬重信号，而由开关K₁－K₄，与门Y₁－Y₄来进行功能上的区别和选择，与门Y₁－Y₄采用Cmos电路，两输入端静态时都通过电阻R₁－R₈接地呈低电平而无输出，当需要对卡钻、遇阻、溜钻，加压不足进行监测时，就按下所选中的功能开关，使对应的与门Y在其输入端上被加上＋5V高电平作为开门信号，当处于被监测的事故出现，由接在钻机压力系统上的电接点压力表上或下限触点输出高电平信号，比高电平信号经过斯密特触发器F_1－4或F_5－8、电阻R_1－4，电容C_1－4组成的积分延迟整形电路，消除钻探现场的各种干扰信号和电接点压力表上下限触点指针的抖动信号，然后输出高电压加在与门Y₁－Y₄的另一输入端，使与门Y中的任一个输出为高电平，与门Y_1－4的输出信号将送到锁存器₃74L373的D₀－D₅端并锁存在输出端Q₀－Q₅以便单片微型机随时读取，同时与门Y_1－4的高电平输出信号送径或非门HF输出低电平使触发器D的Q端输出低电平作为向单片微型机申请中断的INT信号，单片微型机响应中断信号后发出读信号RD加到锁存器₃的C允许端开启锁存器₃将存在输出端Q₀－Q₅的现场信号经Bus总线读入单片微型机，同时RD信号使D触发器复位，以备第二次采集现场信号时间单片微型机发中断申请信号。

8035（8039）单片微型机对钻井中出现的卡钻、遇阻、溜钻及加压不足现象，都在该机内部通过运行本系统的监控程序发出指令信号作出处理，8035／8039单片微型机有一个8位的Bus总线接口，两个8位的I／C接口P₁口P₂口中断申请输入口INT，两个定时／计数输入口T₀T₁及各种输入输出控制信号，Bus总线DB₀－DB₇上连接了外部ROM只读存贮器，声光报警和执行机构的驱动电路，现场信号的开关采样逻辑输入电路，在I／Q接口P₁口P₂口上连接有打印机电路，由8035（8039）单片微型机内部运行监控程序在不同时刻根据扫描现场信号有无中断请求INT发出读选通信号RD，使采样开关逻辑输入电路的现场信息输入到DB₀－DB₇总线读入单片微型机，根据运行监控程序发出程序选通信号PSEN使外部存贮器716与Bus总线DE₀－DE₇之间交换指令信息，根据运行监控程序发出选通信号WD使DB₀－DB₇总线输出信息到锁存器₂驱动声光报警电路工作和使执行机构的驱动电路动作。

驱动、报警、显示外围电路通过锁存器₂74LS377与单片微型机Bus总线相连，锁存器₂作为8305（8309）单片微型机的扩展输出口，其输入端D₀－D₇接在单片微型机的Bus总线上，输出端O₀－O₇接各驱动、报警显示外围电路，锁存器₂将该外围电路与单片微型机Bus总线隔离开，使两者异步工作，锁存器₂是带允许端的8D触发器构成的锁存器，其中G为锁存器的允许端，当G＝1时，不论单片微型机Bus总线上的信号是什么变化状态，触发器的输出端Q₀－Q₇均保持前一次存贮的内容不变，只有当G＝0时，触端CLK才能起作用，CLK才能起作用，CLK由0变1时，锁存器₂输入端D₀－D₇的信号被接收并锁存到输出端，将单片微型机的写信号WD作为锁存器控制信号接在锁存器₂的CLK端，将存器₂的允许端G接地，使G＝0以保持选通状态，这样单片微型机在内部运行程序的控制调度下，每执行一项相当于外接RAM的WD写操作时，单片微型机内部累加器的内容就送到锁存器₂的输入端D₀－D₇被接收并锁存在输出口O₀－O₇供外设电路识别选用，在本系统中锁存在锁存器₂输出口Q₀－Q₇的驱动信号中包括卡钻、遇阻、溜钻及加压不足事故种类的声光报警信号和电磁阀动信号，锁存器₂的8位输出端C₀－C₇输出高电平有效，其中O₀－O₃驱动指示灯显示电路BG₇－BG₁₁，O₄－O₅驱动报警电路BG₁－BG₆。

本系统中只读存贮器ROM2716作为扩充2K程序存贮器，用于存放本系统运行的监控程序由8035（8039）单片微型机的Bus总线DB₀－DB₇和I／O接口P₂口的P₂₀－P₂₂共同对所扩充的程序存贮器进行2K地址空间的存取，Bus总线输出低8位A₀－A₇，P₂₀－P₂₂输出高3位地址接2716存贮器地址线的高位A₈－A₁₀，8035（8039）单片微机的Bus总线DB₀－DB₇一方面接地址锁存器₁74LS373的数据输入端D₀－D₇，另方面接只读存贮器2716的输出端Q₀－Q₇，用以在同一Bus总线上双向传送地址和指令，单片微型机是分时利用总线，在取数操作时，低8位地址和8位数据指令都是通过总线进行传送，故在硬件电路中接入地址锁存器₁，用以锁存地址信号，将锁存器₁74LS373的C端接地使之处于输出状态，单片微型机的地址选通允许信号ALE与锁存器₁的允许端G相连，这样在单片微型机的每一个机器周期使锁存器₁输出低8位地址信号，P₂₀－P₂₂输出高3位地址信号，从而一步步地读取出存放在只读存贮器2716中的监控程序中每条指令，单片微型机的程序选通允许端PSEN与只读存贮器2716的片选端OE相连，用以选通并控制将被选中的存贮器地址中内容的读出。

本系统将打印机TP_up16A的数据线D₀－D₇挂在8035（8039）单片微型机的I／O接口P₁₀－P₁₇上，打印机的数据选通输入信号线STB接单片微型机的P₂₇，单片微型机通过P₂₇信号通知打印机在STB接收P₁₀－P₁₇线上的数据，打印机的“忙”信号Bosy接单片微型机的定数／计数输入端T₀，告诉单片微型机当前打印机已打完上次送来的数据，可以送来第二批数据、卡钻、遇阻、溜钻及加压不足发生的次数，都可根据人工启动打印机的信号由定时／计数的T₁端输入，只要T₁端呈现高电平，单片微机将暂停现行程序，转向打印2程序，从上述事故种类专用单元调出内容，送P₁口P₂口打印输出。

本实用新型由于应用单片微型计算机技术和大规模Cmos集成电路，

因而抗振荡，抗环境气温湿度和电压波动等影响能力强，对钻井中遇卡、遇阻、溜钻及加压不足的钻井事故通过单片微型计算机的智能分析处理，可分别发出指令信号，并驱动钻机停止运行以控制事故进一步恶化，这可获得安全钻井的效果。

本实用新型具体结构见图1－图11

图1为开关逻辑选择电路图

图2为中央处理主电路图

图3为电源电路图

图4为电磁阀执行机构原理图

图5为驱动指示电路图

图6为报警器电路图

图7为执行机构管线连接图

编号为：1.接钻机气源输出；2.钻机操作人手动工作台；3.二通手动阀；4.四通电磁阀；5.二通手动阀；6.二通手动阀；7.钻机转盘离合器进气口。

图8为执行机构管线连接图

编号为：1.钻机气源输出口；2.钻机操作人工作台；3.二通手动阀；4.三通换向阀；5.四通电磁阀；6.四通电磁阀常闭接口；7.二通手动阀；8.二通手动阀；9.钻机滚筒离合器气源进气口。

图9为逻辑框图

图10为立体示意图

图11为背盖插孔图

本实用新型下面将结合图1－图11对具体实施作进一步详述：

根据卡钻、遇阻、溜钻及加压不足事故现象作监测监控需要，按下图1功能开关K₁－K₄中所选中的开关，使对应的型号为CD4081的与门Y₁－Y₄在其输入端上加有＋5V高电平作为开门电平，当处于被监测的事故现象出现，由接在钻机压力系统上的电接点压力表上或下限触点就输出高电平信号，此高电平信号经过型号为CD40106的斯密特触发器F₁－F₄或F₅－F₈，电阻R₁－R₄，电容C₁－C₄组成的积分延迟整形电路以消除钻探现场的各种干扰信号和电接点压力表上下限触点指针的抖动信号，然后输出高电平并加在与门Y₁－Y₄的另一输入端，使与门Y₁－Y₄输出为高电平在同一时刻在功能开关K₁－K₄中按下所选中的一个，与门Y₁－Y₄中也只有相应的一个输出高电平，其余的为低电平输出，前者认为是逻辑1，后者认为是逻辑0，这样组成一组8位2进制逻辑代码信号，由与门Y₁－Y₄输出送到图2中锁存器3型号为74LS373的D₀－D₅端并锁存在输出端O₀－O₅以备8035（8039）单片微型计算机随时读取，同时与门Y₁－Y₄输出的2进制逻辑电平信号高电平有效送径型号为OH1002的或非门HF输出低电平使型号为CH1006触发器D的Q端输出低电平作为向单片微型机申请中断的INT信号，单片微型机响应中断后发出读信号RD加到锁存器3的C允许端开启锁存器₃将锁存在输出端O₀－O₅的现场信号经单片机的Bus总线DB₀－DB₇读入单片微型机，同时RD信号使D触发器复位，以备第二次采集现场信号时向单片微型机发中断申请信号。

单片微型机Bus总线DB₀－DB₇送来的8位2进制代码判断出是哪一类事故现象，然后发出地址锁存允许ALE信号和程序选通允许PSEN信号通过Bus总线DB₀－DB₇从外扩充存贮器型号为2716的专用存贮单元内调出处理这类事故的专用子程序，在单片微型机内部运行专用子程序，首先发出WR信号开启锁存器₂型号为74LS377₂，然后从Bus总线DB₀－DB₇输出8位2进制代码由锁存器₂74LS377₂的D₀－D₇输入端接收，由其O₀－O₇输出端输出8位2进制代码，高电平为逻辑1，有效驱动图5中由BG₁－BG₁₁型号为3DG63DG12组成的声光报警和执行机构驱动电路，Q₀信号电平驱动BG₁BG₂使型号为JTX－10继电器J₁吸合，图4中四通电磁阀DF₁型号为ZCLR－1／2动作，控制钻机滚筒离合器刹车，Q₁信号电平驱动BG₃BG₄使继电器J₂型号为JTX－10吸合，图4中四通电磁阀DF₂型号为ZCLR－1／2动作控制钻机转盘离合器的停止与转动，Q₂信号电平驱动BG₅使继电器J₃型号为JRX－3吸合，接通图6中报警振荡器₁型号为FX555的电源，报警器₁工作，Q₃信号电平驱动BG₆使型号为JRX－3继电器J₄吸合，接通图6报警振荡器₂的电源，报警器₂工作，Q₄－Q₇信号电平驱动BG₇－BG₁₁指示灯显示。

需要打印时，按下K₈开关，单片微型机T₁端获高电平跳变信号，单片微型机将存贮在外存贮器2716专用存贮单元中卡钻、遇阻、溜钻及加压不足的事故种类，出现这些事故的次数经Bus总线DB₀－DB₇调入主机并送到P₁输口的P₁₀－P₁₇，通过单片微型机P₂₇T₀与打印机的STB Busy之间的应答联络，启动打印机将P₁₀－P₁₇的内容打印输出。

1.单片微型计算机：MCS－48系列8035／8039。

2.锁存器₁74LS373，锁存器₂74LS377，锁存器₃74LS377。

3.外存贮器ROM：2716

4.D触发器：CH1006

5.或非门：CH1002

6.三端稳压器：7812    7805

7.打印机：TP_up16A

8.晶体管：BG₁－BG₁₁3DG130

9.二极管：D₁－D₅2CK2

10、继电器：J₁－J₂为JTX－10 J₃－J₄为JRX－3

11与门：Y₁－Y₆为CD4081

12斯密特触发器：F₁－F₈为CD40106

13电阻：R₁－R₂10K

R₃－R₄30K

R₅－R₁₀10K

R₁₁－R₁₈6.8K

R₁₉－R₂₂51Ω

R₂₈10K

R₂₄68K

R₂₅5.1K

R₂₆10K

R₂₇100K

R₂₉5.1K

R₃₀－R₃₂10K

14、电容：C₁－C₄100μF

R₃₃－R₄₀100Ω

C₅2200P

C₆1000P

C₇100μF

C₈50μF

C₉220μF

C₁₀470μF

C₁₁－C₁₂1000P

C₁₃220μF

C₁₄470μ

C₁₅－C₁₇1000P

C₁₆220μF

15、电接点压力表：P 60公斤／Cm²

16、四通电磁阀：DF₁DF₂ZCLR－1／2

Claims (5)

1、一种用于控制钻井的微机控制钻井装置，其特征在于由MCS-48系列8035(8039)单片微机、锁存器1、外贮存器、锁存器2、锁存器3、选择开关电路、报警电路、控制执行电路、驱动电路及打印机组成。

2、根据权利要求1所述微机控制钻井装置，其特征在于选择开关电路由复数个开关K₁－K₄电阻R₁－R₈电容C₁－C₄斯密特触发器F₁－F₈与门y₁－y₄组成，与门的一输入端与开关电阻一一对应相连，与门的另一端与斯密特触发器的输出端相连，斯密特触发器的输入端与传感器P的上限和下限相连。

3、根据权利要求1所述的微机控制钻井装置，其特征在于报警电路由时基电路555二极管、三极管、电阻、电容及喇叭组成。

4、根据权利要求1所述的微机控制钻井装置，其特征在于执行机构电路由电碰阀组成，一电碰阀位于钻机高低速滚筒离合器气路中，另一电碰阀位于钻机转盘离合器气路中。

5、根据权利要求1所述的微机控制钻井装置，其特征在于驱动电路由复数个三极管、二极管、继电器组成，继电器、二极管并联电路的一端与三极管集电极相连，另一端与直流电源相连，继电器的触点与执行电路的交流电源相连。

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