CN205151625U - 一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统，包括冗余主从PAC控制器，冗余主从PAC控制器的信号进口端通过信号处理器与信号测量单元连接，冗余主从PAC控制器的一个信号出口端通过网络通讯单元与显示单元连接，冗余主从PAC控制器的另一个信号出口端通过电气传动单元与绞车滚筒主体控制连接，绞车滚筒主体中的各个执行机构均与信号测量单元对应连接。本实用新型的装置，具有开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性以及更高的稳定性和实时性，可以对绞车关键部件进行状态监测和远程的故障诊断。
Description
技术领域
本实用新型属于石油钻井绞车控制技术领域，涉及一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统。
背景技术
绞车是钻机的核心部件，它是集电、气、液控制为一体的机械传动设备。在起下钻具、下套管和上卸扣、驱动转盘、起放井架和底座等方面发挥着重要作用,其工作性能的好坏直接影响钻机的钻井质量。
随着钻井绞车提升系统的安全、可靠性的要求越来越高，对电控系统的人性化设计、智能化操作与显示等都提出了更高的要求。一方面，现有的绞车控制系统及保护系统都靠继电器电控系统来完成，电控系统噪音大、能耗高、电气线路过于复杂化，存在安全隐患。另一方面，绞车电控系统的控制器，逐步采用了PLC可编程控制器，很大程度上提高了绞车的自动化控制水平，但PLC是基于离散-逻辑控制，在复杂算法实现、设备互用和企业数据集成等更高级的工业化应用上，必须借助于单独的处理器、网关或转换器、运行于独立PC的软件中间件以及企业系统级的专用软件进行综合系统集成；同时，目前的绞车监控系统还缺乏绞车关键部件的故障诊断功能。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统，解决了现有技术不能满足对钻井绞车进行实时状态监测和故障诊断的问题。
本实用新型采用的技术方案是，一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统，包括冗余主从PAC控制器，冗余主从PAC控制器的信号进口端通过信号处理器与信号测量单元连接，冗余主从PAC控制器的一个信号出口端通过网络通讯单元与显示单元连接，冗余主从PAC控制器的另一个信号出口端通过电气传动单元与绞车滚筒主体控制连接，绞车滚筒主体中的各个执行机构均与信号测量单元对应连接。
本实用新型的钻井绞车状态监测与故障诊断系统，其特征还在于：
信号测量单元包括旋转编码器、位移传感器、刹车毂磨损开关及压力传感器，其中的旋转编码器通过弹簧片直接安装在绞车滚筒主体的滚筒轴上；位移传感器垂直于滚筒轴的轴承座表面设置，左右对称各安装一对；刹车毂磨损开关通过支架垂直于刹车毂表面固定安装，左右对称各设置一个；压力传感器与缠绕于滚筒上的钢丝绳连接。
电气传动单元包括两个变频器，每个变频器分别对应控制连接一个交流变频电动机，每个交流变频电动机分别传动连接一个齿轮减速箱，两个齿轮减速箱分别位于绞车滚筒主体的两端，每个齿轮减速箱分别通过一个联轴器与绞车滚筒主体的滚筒轴连接。
本实用新型的有益效果是，体现在以下几个方面：
1)冗余主从PAC控制器，正常工作时为主从控制器同时工作，如果一台发生故障，剩余的控制器仍然可以正常工作；
2)PAC克服了PLC难以进行复杂算法实现、难以进行设备互操作和关键设备数据集成的缺点，充分利用其开放的体系结构和优秀的互操作性、灵活性以及更高的稳定性和实时性。同时可以将该监控系统拓展，完成对陆地、以致海洋钻井绞车、升降平台等关键设备的监控。
3)该实用新型可以对绞车滚筒轴两端的轴承(这种关键部件)进行状态监测，并及时对可能发生的轴承磨损、滚筒轴弯曲、轴承座定位松动等远程的故障识别和报警。
4)通过WIFI无线模块实现了数据和视频远传，无线WIFI模块，将部分关键数据和视频，在合适的通信距离内发送给显示单元，减少了通信电缆的使用，降低了成本。
附图说明
图1是本实用新型系统的结构示意图；
图2是本实用新型系统的原理示意图。
图中，1.信号测量单元，2.信号处理器，3.冗余主从PAC控制器，4.网络通讯单元，5.显示单元，6.电气传动单元，7.旋转编码器，8.位移传感器，9.刹车毂磨损开关，10.压力传感器，11.变频器，12.交流变频电动机，13.绞车滚筒主体，14.齿轮减速箱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
参照图1、图2，本实用新型的结构是，包括冗余主从PAC控制器3，冗余主从PAC控制器3的信号进口端通过信号处理器2与信号测量单元1连接，冗余主从PAC控制器3的一个信号出口端通过网络通讯单元4与显示单元5连接，冗余主从PAC控制器3的另一个信号出口端通过电气传动单元6与绞车滚筒主体13控制连接，绞车滚筒主体13中的各个执行机构均与信号测量单元1对应连接；
信号测量单元1包括旋转编码器7、位移传感器8、刹车毂磨损开关9及压力传感器10。其中的旋转编码器7通过弹簧片直接安装在绞车滚筒主体13的滚筒轴上，但不随轴一起旋转，用以测量钻井绞车的工作转速，并向冗余主从PAC控制器3反馈信号以进行精确的速度控制。位移传感器8采用电磁涡流位移传感器，垂直于滚筒轴的轴承座表面设置，传感器探头通过轴承座上的孔与轴间隔一定的距离，左右对称各安装一对，(共四个，分成两组)，每侧的一对互呈90°夹角，以采集绞车工作过程中的轴承座振动位移信号；刹车毂磨损开关9通过支架垂直于刹车毂表面固定安装，左右对称各设置一个，用于检测刹车毂磨损是否达到极限，如果达到极限则该侧的刹车毂磨损开关9接通，向冗余主从PAC控制器3发出信号；压力传感器10与缠绕于滚筒上的钢丝绳连接，用于实时采集滚筒钢丝绳悬吊重物时钢丝绳的拉力变化。
电气传动单元6包括两个变频器11，每个变频器11分别对应控制连接一个交流变频电动机12，每个交流变频电动机12分别传动连接一个齿轮减速箱14，两个齿轮减速箱14分别位于绞车滚筒主体13的两端，每个齿轮减速箱14分别通过一个联轴器与绞车滚筒主体13的滚筒轴连接，共同控制绞车滚筒主体13的工作状态。
信号测量单元1采集到的相关信息输入信号处理器2，信号处理器2为具有四个串口的工业级嵌入式处理器，完成对这些信息的隔离、滤波、放大等处理过程。
冗余主从PAC控制器3包括同时工作的两台PAC控制器，互为主副，对信号处理器2处理后的输入数据进行分析、处理，根据处理的结果，实时控制变频器11的输入转速，进而控制交流变频电机12的转速，完成对绞车滚筒主体13滚筒轴的转速控制。因为绞车正常工作时为两台电动机同时工作，故需要两台变频器控制交流变频电动机12。具体是该控制器在软件程序上对信号处理器2输入的数据进行钢丝绳拉力报警判断、刹车毂磨损极限报警判断、绞车滚筒转速换算，绞车关键部件——轴承的故障报警判断，借此对钢丝绳拉力、刹车毂、滚筒轴转速，滚筒轴承等关键设备进行状态监测。
网络通讯单元4为无线wifi模块，双天线设置，300兆最大带宽，能够满足现场恶劣条件，达到300米覆盖范围。网络通讯单元4用于将部分关键数据和视频，在合适的通信距离内发送给显示单元5。
显示单元5通过Modbus协议与PAC程序实现数据交互，实现实时监控、速度显示、紧急停车、警示等功能，方便安全地实现绞车自动化控制，比如刹车毂磨损达到极限，刹车毂磨损开关打开，该单元相应的报警灯响起，警示用户更换刹车毂。
本实用新型对绞车滚筒主体13中的关键部件——轴承进行故障识别和报警的方式是：冗余主从PAC控制器3利用信号傅里叶变换、小波分析、全息谱等信号处理手段，对位移传感器8采集到的滚筒轴两端的轴承位移信息进行处理，对可能发生的轴承磨损、滚动轴弯曲、轴承座定位松动等故障进行识别和报警。最终，一旦上述任一个报警信息出现，冗余主从PAC控制器3即发出指令，实现变频器11输入转速清零、进而控制交流变频电动机12实现紧急停车，保证绞车滚筒主体13和人员的安全。
综上所述，本实用新型集控制、保护、监控于一体，通过PAC控制器和相关网络通讯单元的通信功能，实时监控绞车运行状态、报警状态，实时监控、速度显示、紧急停车等功能，方便安全地现绞车自动化控制。借助该PAC控制器开放的架构可以将该系统拓展，有利于后期的技术改造。
Claims (3)
1.一种钻井绞车状态监测与故障诊断系统，其特征在于：包括冗余主从PAC控制器(3)，冗余主从PAC控制器(3)的信号进口端通过信号处理器(2)与信号测量单元(1)连接，冗余主从PAC控制器(3)的一个信号出口端通过网络通讯单元(4)与显示单元(5)连接，冗余主从PAC控制器(3)的另一个信号出口端通过电气传动单元(6)与绞车滚筒主体(13)控制连接，绞车滚筒主体(13)中的各个执行机构均与信号测量单元(1)对应连接。
2.根据权利要求1所述的钻井绞车状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的信号测量单元(1)包括旋转编码器(7)、位移传感器(8)、刹车毂磨损开关(9)及压力传感器(10)，其中的旋转编码器(7)通过弹簧片直接安装在绞车滚筒主体(13)的滚筒轴上；位移传感器(8)垂直于滚筒轴的轴承座表面设置，左右对称各安装一对；刹车毂磨损开关(9)通过支架垂直于刹车毂表面固定安装，左右对称各设置一个；压力传感器(10)与缠绕于滚筒上的钢丝绳连接。
3.根据权利要求1所述的钻井绞车状态监测与故障诊断系统，其特征在于：所述的电气传动单元(6)包括两个变频器(11)，每个变频器(11)分别对应控制连接一个交流变频电动机(12)，每个交流变频电动机(12)分别传动连接一个齿轮减速箱(14)，两个齿轮减速箱(14)分别位于绞车滚筒主体(13)的两端，每个齿轮减速箱(14)分别通过一个联轴器与绞车滚筒主体(13)的滚筒轴连接。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN110526149A (zh) * | 2019-10-12 | 2019-12-03 | 郑州机械研究所有限公司 | 用于铸造起重机主起升的传动系的监测系统 |
| CN113353829A (zh) * | 2021-07-13 | 2021-09-07 | 宝石电气设备有限责任公司 | 石油钻机绞车故障边缘计算系统 |
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