CN210214593U - 一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公布一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，该系统由多传感器数据采集单元、PLC数据处理和控制单元、人机交互界面单元和系统执行单元组成，井架起放时，井架的倾角、井架起放速度、井架与支腿之间距离、缓冲缸压力、大绳拉力等数据实时采集并传输到PLC数据处理和控制单元，PLC处理单元根据系统控制程序，实时监测测量数据的变化，控制井架的起放状态，当超出报警设定值范围时，系统会自动输出相应的报警信号，提示操作人员注意；当测量值超过上限保护值时，系统会立即输出控制元件执行信号并报警，执行元件动作，强制执行设备停机保护。

Description

一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统

技术领域

本实用新型涉及石油钻机装备、信号采集与控制领域，尤其涉及石油钻机设备信号采集与控制系统。

背景技术

钻机井架是石油钻机设备的基础，在石油钻机设备中具有重要的作用。常规钻机在井架起放过程中，需要多人配合操作，容易出现配合失误和判断失误，引发井架起放时速度过快或大绳对井架的拉力过大，出现事故，严重的甚至会引起井架倒塌，造成重大人身伤害等事故。随着钻机自动化技术的发展，更加安全、可靠的钻机井架起放自动控制技术成为现场施工作业的一项重要需求。

目前，国内针对钻机井架起放安全方面的研究主要集中在井架起放状态的检测与分析的方法等方面，例如，通过多传感器数据采集单元、PLC数据处理和控制单元、人机交互界面单元和系统执行单元组成，对钻机井架在起升和下放过程中关键点的应力变化过程进行监测，对数据进行连续采集，通过对比井架起升和下放不同的工况，计算和分析得出井架在起升和下放过程中的各个阶段的应力分布与变化规律，再结合实际施工过程，判断得出井架起升和下放过程中需要特别注意的危险阶段，对实际井架起放作业进行安全指导。由于上述系统仅仅侧重应力分布和变化，而对于现场实际工程中井架的起放控制和保护领域的工程技术未进行实际研发和应用。因此，需要进行石油钻机井架起放安全保护控制技术研究，从根本上消除由于起放井架过载、过速、配合和操作失误带来的井架变形，倒塌等安全隐患，提升钻机井架起放的安全行和可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有钻机井架起放过程中存在的问题，提供一种能够对钻机井架起放作业状态进行监测和控制的钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，用于保正钻机井架安全起放。

本实用新型的技术方案为：

一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，包括多传感器数据采集单元、PLC数据处理和控制单元、人机交互界面单元和系统执行单元组成，其中：所述的多传感器数据采集单元包括大绳编码器8、大绳死绳端拉力传感器10、缓冲缸压力传感器11、测距传感器13和井架倾角传感器15，各个传感器分别安装于井架及设备相关位置，采集包括井架的倾角、井架起放速度、井架与支腿之间距离、缓冲缸压力和大绳拉力实时数据传输到PLC数据处理和控制单元3；所述的PLC数据处理和控制单元3用于处理输入的多路传感器采集的数据，人机交互界面数据交换和发出执行元件工作指令，为司钻集成控制系统的一个独立单元模块，该单元根据控制程序，对传感器采集的数据进行实时监测并与设定的保护参数进行对比分析，当测量数据超出设定保护值时，控制系统会立即输出执行指令，报警或控制执行元件动作；所述人机交互界面5是PLC数据处理和控制单元和操作人员之间进行交互和数据交换的媒介，它实现PLC数据处理和控制单元的内部数据与操作人员之间的沟通，是用来显示测量数据、设定参数及井架运行状态；所述系统执行单元包括声光报警器、电机控制柜2、电机 6和绞车刹车控制元件。

上述方案进一步包括：

所述井架倾角传感器15安装在钻机井架14支腿底部，用于井架起放角度的测量。大绳死绳端拉力传感器10安装在钻机井架14的大绳死绳端，用于绞车大绳负荷拉力的测量。大绳编码器8安装在钻机井架14顶部天车9上或绞车7输出轴上，用于绞车大绳绳速的测量。测距传感器13安装在钻机井架14或人字支腿16上，用于人字支腿与井架本体之间距离的测量。缓冲缸压力传感器11 安装在缓冲缸12上，用于缓冲缸工作压力的测量。

所述井架倾角传感器15为2个，分别安装在钻机井架14左右支腿底部；测距传感器13为2个，分别安装在钻机井架14左右支腿或左右人字支腿16上；缓冲缸压力传感器11为2个，分别安装在左右缓冲缸12上。

人机交互界面5安装在司钻控制房4内。

电机控制柜2和PLC数据处理和控制单元3安装在电控房1内。

本实用新型的系统包括用于测量井架起放状态角度、大绳拉力、井架本体与支座距离，缓冲缸压力等多传感器数据采集系统和井架起放控制系统，主要优点体现在两个方面，一是该系统是一套闭环控制系统，可以对钻机井架起放过程中井架的起放速度、起放角度和大绳对井架的拉力、大绳绳速、缓冲缸工作压力等进行全程实时监测和精确控制，可以实现钻机井架的一键起放；另一方面，由于最大限度的减少了人为因素的干扰，是能够及时发现钻机井架起放过程中的异常情况并立即处理，从而使钻机井架起放的更加安全、可靠。

附图说明

图1为本实用新型的一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统主视图；

图2为本实用新型的一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统局部左视图。

其中：1.电控房；2.电机控制柜；3.PLC数据处理和控制柜；4.司钻控制房； 5.人机交互界面；6.电机；7.绞车；8.大绳编码器；9.天车；10.大绳死绳端拉力传感器；11.缓冲缸压力传感器；12.缓冲缸；13.测距传感器；14.钻机井架；15.井架倾角传感器；16.人字支腿。

具体实施方式

下面结合说明书附图对该钻机井架起放安全保护控制系统进行详细说明。

实施例1

一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，包括多传感器数据采集单元、PLC数据处理和控制单元、人机交互界面单元和系统执行单元组成，其中：所述的多传感器数据采集单元包括大绳编码器8、大绳死绳端拉力传感器10、缓冲缸压力传感器11、测距传感器13和井架倾角传感器15，各个传感器分别安装于井架及设备相关位置，采集包括井架的倾角、井架起放速度、井架与支腿之间距离、缓冲缸压力和大绳拉力实时数据传输到PLC数据处理和控制单元3；所述的PLC数据处理和控制单元3用于处理输入的多路传感器采集的数据，人机交互界面数据交换和发出执行元件工作指令，为司钻集成控制系统的一个独立单元模块，该单元根据控制程序，对传感器采集的数据进行实时监测并与设定的保护参数进行对比分析，当测量数据超出设定保护值时，控制系统会立即输出执行指令，报警或控制执行元件动作；所述人机交互界面5是PLC数据处理和控制单元和操作人员之间进行交互和数据交换的媒介，它实现PLC数据处理和控制单元的内部数据与操作人员之间的沟通，是用来显示测量数据、设定参数及井架运行状态；所述系统执行单元包括声光报警器、电机控制柜2、电机 6和绞车刹车控制元件。

上述实施例进一步包括：

所述井架倾角传感器15安装在钻机井架14支腿底部，用于井架起放角度的测量。大绳死绳端拉力传感器10安装在钻机井架14的大绳死绳端，用于绞车大绳负荷拉力的测量。大绳编码器8安装在钻机井架14顶部天车9上或绞车7输出轴上，用于绞车大绳绳速的测量。测距传感器13安装在钻机井架14或人字支腿16上，用于人字支腿与井架本体之间距离的测量。缓冲缸压力传感器11 安装在缓冲缸12上，用于缓冲缸工作压力的测量。

所述井架倾角传感器15为2个，分别安装在钻机井架14左右支腿底部；测距传感器13为2个，分别安装在钻机井架14左右支腿或左右人字支腿16上；缓冲缸压力传感器11为2个，分别安装在左右缓冲缸12上。

人机交互界面5安装在司钻控制房4内。

电机控制柜2和PLC数据处理和控制单元3安装在电控房1内。

典型实施例

参照附图1和2，一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统由大绳编码器8、大绳死绳端拉力传感器10、缓冲缸压力传感器11、测距传感器13、井架倾角传感器15组成的数据采集单元和PLC数据处理和控制单元3、人机交互界面单元5、系统执行单元组成。

数据采集部分由大绳编码器8、大绳死绳端拉力传感器10、缓冲缸压力传感器11、测距传感器13和井架倾角传感器15组成。井架倾角传感器15安装在钻机井架14支腿底部，左右2个支腿各安装一个，用于井架起放倾角的测量。大绳死绳端拉力传感器10安装在钻机井架14的大绳死绳端，用于绞车大绳拉力的测量。大绳编码器8安装在钻机井架14顶部天车9上或绞车7输出轴上，用于绞车大绳绳速的测量。测量钻机井架14与人字支腿16距离的测距传感器 13，安装在人字支腿16上，左右各1个，用于起放井架时，人字支腿14与钻机井架15之间距离的测量。缓冲缸压力传感器11安装在缓冲缸12上，左右各 1个，用于缓冲缸12工作压力的测量。

电机控制柜2和PLC数据处理和控制单元3安装在电控房1内。

人机交互界面5安装在司钻控制房4内，PLC数据处理和控制单元3连接，用于实时显示各传感器的测量数据、井架起放状态，以及设定系统各项参数。

PLC数据处理和控制单元3和电机控制柜2、大绳编码器8、大绳死绳端拉力传感器10、缓冲缸压力传感器11、测距传感器13、井架倾角传感器15连接、执行单元连接，PLC数据处理和控制单元3主要作用是接收各传感器测量数据，根据系统控制程序，输出各项执行指令。

电机控制柜2和电机6连接，用于接收来自PLC数据处理和控制单元3的执行指令，驱动电机6转动。

电机6和绞车7连接，用于驱动绞车转动。

钻机井架起放作业时，操作人员在司钻控制房4内，根据实时采集的数据，结合作业指导规范中的要求，对钻机井架14起放参数在进行人机交互界面5上设置，完成后，根据起放作业操作规程开始作业。整个作业过程，PLC数据处理和控制系统3将根据预先设定的参数和设计的程序自动运行。起放作业结束后，关闭该系统后就恢复到司钻房原先的控制状态。

Claims (5)

1.一种钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，包括多传感器数据采集单元、PLC数据处理和控制单元、人机交互界面单元和系统执行单元，其特征在于：所述的多传感器数据采集单元包括大绳编码器(8)、大绳死绳端拉力传感器(10)、缓冲缸压力传感器(11)、测距传感器(13)和井架倾角传感器(15)，各个传感器分别安装于井架及设备相关位置，采集包括井架的倾角、井架起放速度、井架与支腿之间距离、缓冲缸压力和大绳拉力实时数据传输到PLC数据处理和控制单元(3)；所述的PLC数据处理和控制单元(3)为司钻集成控制系统的一个独立单元模块，该单元根据控制程序，对传感器采集的数据进行实时监测并与设定的保护参数进行对比分析，当测量数据超出设定保护值时，控制系统会立即输出执行指令，报警或控制执行元件动作；所述人机交互界面(5)是用来显示测量数据、设定参数及井架运行状态；所述系统执行单元包括声光报警器、电机控制柜(2)、电机(6)和绞车刹车控制元件。

2.根据权利要求1所述的钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，其特征是：所述井架倾角传感器(15)安装在钻机井架(14)支腿底部，大绳死绳端拉力传感器(10)安装在钻机井架(14)的大绳死绳端，大绳编码器(8)安装在钻机井架(14)顶部天车(9)上或绞车(7)输出轴上，测距传感器(13)安装在钻机井架(14)或人字支腿(16)上，缓冲缸压力传感器(11)安装在缓冲缸(12)上。

3.根据权利要求2所述的钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，其特征是：所述井架倾角传感器(15)为2个，分别安装在钻机井架(14)左右支腿底部；测距传感器(13)为2个，分别安装在人字支腿(16)上或者安装在钻机井架(14)的左右支腿上；缓冲缸压力传感器(11)为2个，分别安装在左右缓冲缸(12)上。

4.根据权利要求1或2、3所述的钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，其特征是：人机交互界面(5)安装在司钻控制房(4)内。

5.根据权利要求1或2、3所述的钻机井架起放状态监测和安全保护控制系统，其特征是：电机控制柜(2)和PLC数据处理和控制单元(3)安装在电控房(1)内。

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