一種陸地鉆機安裝操作模擬系統的鉆機模型的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種鉆機模擬系統，具體來說，涉及一種陸地鉆機安裝操作模擬 系統。
【背景技術】
[0002] 鉆機屬于工程機械，工程機械的安全生產不僅直接影響機械的使用壽命，而且關 系到人民生命財產的安全。因此必須貫徹"安全第一，以人為本"和"安全第一，預防為主" 的方針。由于技術水平的限制，井場設備安裝、拆卸過程中的問題非常突出。如何提高設備 使用者技能水平，避免因操作不當造成的設備損壞，減少事故發生，是公司目前必須解決的 緊迫問題。
[0003] 在鉆井完成后，需要將井場設備如底座、井架、泥漿泵、防噴器組等進行拆卸，搬運 到其他鉆井現場，并進行安裝，以便開始新的鉆井作業。在設備安裝和拆卸過程中，必須遵 循一定的操作規程和技術要領，才能保證設備的正確安裝、正確拆卸和安全使用。
[0004] 然而，目前設備使用者的操作規程和技術要領主要是通過廠家提供的說明書和培 訓獲取，而操作技能則是靠經驗的積累和師傅的傳授，這些方式往往存在以下問題：實踐機 會有限，難以提高技術水平：由于鉆井作業的特殊性，鉆井設備的拆卸和安裝等工作往往要 幾個月，甚至一年才進行一次，操作人員很難通過實際操作積累各種經驗。另外，在設備安 裝、拆卸過程中，事故發生的幾率相對較小，個體對事故的處理經驗極為有限，對事故的判 斷、處理能力很難在實際的生產活動中積累和提高。一旦突發事故，往往由于缺乏經驗和處 理能力，造成重大生命和財廣損失。
【發明內容】
[0005] 本實用新型的目的在于克服現有鉆機模型鉆機模型的不足，提供一種陸地鉆機安 裝操作模擬系統。
[0006] 本實用新型的發明目的是通過以下技術方案來實現：一種陸地鉆機安裝操作模擬 系統，它包括鉆機模型、前端操作臺、教師操作臺、以及三通道環幕投影顯示系統。其中前 端操作臺中包括參數計算機，其中該參數計算機作為分布式的上位機完成整個系統的數據 采集與控制，主控計算機和圖形計算機完成系統主程序的執行和環幕圖形的處理和顯示， 各臺計算機通過TCP/IP協議互聯。前端操作臺和鉆機模型之間的前端數據采集及控制由 SIEMENS S7-200 PLC完成，并連接構成西門子PPI網絡。PLC與參數計算機數據通信采用 RS232協議。
[0007] 其中前端操作臺包括機箱和內部控制板，所述的機箱的正面設有司鉆臺正面控制 面板，機箱的一個側面設有司鉆臺側面控制面板，機箱的另一個側面設有頂驅機械控制面 板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆臺正面控制面板上設置有電源按鈕、開機按鈕、 氣喇叭開關、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、 撈剎滾筒離合、輸入軸慣剎控制開關、換檔控制開關、貓頭控制開關、風動旋扣控制開關、滾 筒高低速開關、油缸選擇開關、底座液壓開關、駐車制動開關以及緊急制動開關；還包括顯 示表組，其中所述顯示表組包括氣源壓力表、冷卻水壓表、絞車油壓表、轉盤油壓表、轉盤扭 矩表、泵壓表、大鉗扭矩表、左鉗扭矩表、右鉗扭矩表、安全鉗壓力表、貓頭壓力表、鉆井扭矩 表、轉速表、轉盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表；司鉆臺側面控制面板上設置指配開 關、發電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路開關、電磁渦流剎車開關、轉 盤正反轉選擇開關、絞車正反轉選擇開關、1號泥漿泵開關、2號泥漿泵開關、3號泥漿泵開 關、低壓報警器開關；
[0008] 前段操作臺的內部控制板包括前端操作臺第一可編程控制器PLCl和第二可編程 控制器PLC2,上述可編程控制器PLC與參數計算機數據通信采用RS232協議進行通信，其 中第一可編程控制器PLCl的CPU模塊通過A/D模塊分別與電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開 關、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒 離合、輸入軸慣剎控制開關、換檔控制開關、貓頭控制開關、風動旋扣控制開關、滾筒高低速 開關、油缸選擇開關、底座液壓開關、駐車制動開關以及緊急制動開關連接，通過PLC的開 關量輸入端口分別與指配開關、發電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路 開關、電磁渦流剎車開關、轉盤正反轉選擇開關、絞車正反轉選擇開關、1號泥漿泵開關、2 號泥漿泵開關、3號泥漿泵開關、低壓報警器開關進行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上的 各個開關，旋鈕狀態以模擬絞車的升降控制，轉盤的轉速控制，泥漿泵的調速控制；同時采 集絞車離合器位置、絞車檔位、轉盤離合器位置、轉盤檔位、泵調節器位置、柴油機功率調節 器位置；監測懸重、鉆壓、鉆機氣源壓力、泥漿密度、泥漿黏度以及泥漿失水這些參數，通過 PLC的控制使得司鉆操作臺實現對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉速控制以及對泥漿 泵的調速控制。
[0009] 其中頂驅機械控制面板上設置有急停按鈕、吊環中位按鈕、復位/靜音按鈕、吊環 回轉選擇開關、內防噴器開關、液壓泵開關、鎖緊銷開關、背鉗選擇開關、吊環傾斜選擇開 關、剎車選擇開關、輔助操作開關、風機選擇開關、電機選擇開關、操作選擇開關、旋轉方向 選擇開關；緩沖液缸的控制面板上設置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸 伸出/縮回控制手柄；其中前端操作臺的內部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過A/D模塊分別與急停按鈕、吊環中位按鈕、復位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關量輸 入端口分別與吊環回轉選擇開關、內防噴器開關、液壓泵開關、鎖緊銷開關、背鉗選擇開關、 吊環傾斜選擇開關、剎車選擇開關、輔助操作開關、風機選擇開關、電機選擇開關、操作選擇 開關、旋轉方向選擇開關進行連接以實現對頂驅進行控制。
[0010] 其中緩沖液缸的控制面板上設置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液 缸伸出/縮回控制手柄；其中前端操作臺的內部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過A/D模塊分別與左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸伸出/縮回控制手 柄連接以對緩沖液缸進行控制。
[0011] 鉆機模型包括鉆機井架和底座模擬器，其中井架為前開口型，由主體、人字架及附 件組成，附件主要有二層臺、死繩穩定器、籠梯。井架主體由左上段、右上段、左中上段、右中 上段、左下段和右下段及背橫梁、斜拉桿、連接架組成一個前開口型鋼架結構，主體的調整 固定是由兩個卡銷完成。人字架是由左、右前腿，左、右后腿及橫梁等組成的門形結構，用來 起放和支靠井架。起升裝置由起升大繩、高支架、低支架和游車大鉤支架組成。井架采用人 字架起升方式，依靠鉆臺面絞車的動力，通過快繩、大鉤拉動起升大繩，實現井架起升，井架 起升時為了能夠使井架平穩的靠放在人字架上，同時下放井架時又能使井架重心前移，從 而依靠井架本身自重下落，在人字架上設有緩沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實現。
[0012] 底座主要由底座主體、起升裝置、液壓緩沖裝置組成，底座采用平行四邊形機構的 運動原理，從而實現了高臺面設備的低位安裝。采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位 整體起升到工作位置。底座主體分為上、中、下三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的 設備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部分，由左前基座與左后基座、右前基座與右后 基座分別用銷子連接成左、右兩個部分。左、右兩個部分之間的連接構件有連接梁、連接架 和斜撐。中間層為支撐部分，位于上、下層之間，起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人 字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱組成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿 及后腿兩部分組成，起升大繩的一端固定在人字架后腿上，人字架在整個底座起升的過程 中起到支撐的作用。起升大繩兩端裝有套環，另有參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿 上。所述鉆井模型還包括防護裝置組，其中防護裝置組包括實現鉆機井架天車防碰功能的 鉆機井架天車防碰裝置、實現防鉆機井架過度起升功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現 防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝置、實現防鉆機底座過度起升功能的防 鉆機底座過度起升裝置、實現防鉆機底座過度下放功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現 防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝置。
[0013] 就本申請而言，鉆機井架/底座模擬器的核心控制機選用西門子S7-200系列可編 程控制器，由S7-200直接控制操作臺上的各個物理量，以參數機作為上位機，由教師控制 機對絞車控制臺及前端各PL2000模擬機進行統一管理。整個系統構成一個資源共享、任務 分擔的分布式控制系統。各控制臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協議。
[0014] 鉆機井架/底座模擬器中的S7-200CPU模塊通過檢查井架天車防碰裝置、防鉆機 井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機底座過度起升裝置、防鉆機底座過度 下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置的狀態來實現相應的功能，以防止學員誤操作時損壞 鉆機井架/底座模擬器。
[0015] 為實現井架/底座的起升和下放并受控于司鉆臺，系統采用步進電機來實現絞車 功能，PLC系統內設計了以高速受控的步進脈沖。在S7-200中設計了兩個PT0/PWM發生 器，可以產生一個高速脈沖串或者一個脈寬調制波形。一個發生器是數字輸出點Q0. 0,另一 個發生器是數字輸出點Q0. 1。一個指定的特殊寄存器（SM)位置為每個發生器存儲下列數 據：一個控制字節（8位），一個計數值（32位無符號數）和一個周期或脈寬值（16位無符號 數）。PT0/PWM發生器與過程映像寄存器共用Q0. 0和Q0. 1。當在Q0. 0或Q0. 1上激活PTO 或PffM功能時，PT0/PWM發生器對輸出擁有控制權，同時普通輸出點功能被禁止。輸出波形 不受過程映象區狀態、輸出點強制值或者立即輸出指令執行的影響。當不使用PT0/PWM發 生器功能時，對輸出點的控制權交回到過程映象寄存器。過程映象寄存器決定輸出波形的 起始和結束狀態，以高低電平產生波形的啟動和結束。脈沖串PTO操作按照給定的PTO脈沖 個數和周期輸出一串方波（占空比50%)。PTO可以產生單段脈沖串或者多段脈沖串（使 用脈沖包絡），可以指定脈沖數和周期。PTO功能允許脈沖串"鏈接"或者"排隊"，當前脈沖 串輸出完成時，會立即開始輸出一個新的脈沖串，以保證多個輸出脈沖串之間的連續性。
[0016] 前端操作臺中還具有參數計算機，其中該參數計算機具有完成從PLC獲取前端硬 件信息后，將信息發送給主控機的通信模塊，其中通信模塊還將主控機發送過來的信息通 過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0017] 教師工作臺具有主控計算機和圖形計算機，其中該主控計算機具有主控模塊，該 主控模塊用于與通信模塊進行通信，實時獲得硬件設備狀態；所述主控計算機還包括如下 多個鉆機模型鉆機模型的模擬裝置：鉆機模型鉆機模型鉆進工藝模擬裝置、鉆機模型鉆機 模型溢流模擬裝置、鉆機模型鉆機模型氣體膨脹模擬裝置、鉆機模型鉆機模型循環壓力計 算模擬裝置、鉆機模型鉆機模型鉆具提升模擬裝置以及鉆機模型鉆機模型的鉆機井架/底 座的起升/下放模擬裝置，其中主控模塊還包括有如下多個模擬系統：用于模擬陸地鉆機 井架/底座的起升/下放操作的裝置、用于模擬陸地鉆機起鉆和下鉆操作的裝置、用于模擬 陸地鉆機鉆進操作的裝置、用于模擬陸地鉆機事故應急操作的裝置。
[0018] 教師操作臺主要用于教師對學員操作情況進行監控，對操作結果進行自動評判， 打分。其中主控計算機用于完成上述系統主程序的執行，其包括用于存儲和設置模擬參數 的模塊、用于模擬工藝程序的模塊、用于控制圖形、計算并繪制壓井曲線的模塊、用于成績 評定及學員管理的模塊、采集前端設備參數的模塊、控制前端控制臺上顯示儀表的模塊以 及執行機構。圖形計算機用于環幕圖形的處理和顯示，兩者間通過該TCP/IP協議互聯。
[0019] 工作時：首先使前端工作臺、鉆機模型、教師操作臺、以及三通道環幕投影顯示系 統均上電，使得陸地鉆機安裝操作模擬系統啟動工作，在參數計算機啟動后，自動運行設置 其中的"陸地鉆機安裝操作模擬系統參數程序"，上述參數程序負責接收前端硬件的狀態， 進行處理后通過網絡傳輸給主控程序，在參數程序中實現優選包括"鉆壓"、"懸重"、"排量" 等鉆進實時參數的外顯，并可由程序進入到操作設置運行界面以實現模擬作業的設備初始 化工作以及操作設置。在圖形計算機啟動完成后，運行其中的圖形程序，分別進入以下培訓 項目進行選擇：鉆機安裝動畫、井架起升模擬、虛擬裝配操作、鉆進模擬操作以及電子圖冊， 通過操作員在圖形計算機上進行選擇，可進入不同的培訓項目模塊進行培訓。
[0020] 在進行鉆機安裝動畫、虛擬裝配操作或者電子圖冊演示時、由教師操作臺中的主 控計算機完成主程序的執行，將處理后的圖形數據以及模塊動作數據通過預訂的數據傳輸 協議傳送給用于環幕圖形的處理和顯示的圖形計算機，圖形計算機中的數據被傳輸給三通 道環幕投影顯示系統中的圖像融合機，圖像融合機再將圖形計算機產生的圖像信息分配給 三臺投影儀，并進行邊沿融合，經過幾何校正和顏色校正后，將上述主程序處理后的圖形數 據以及模塊動作數據投影到工程環形投影幕上，以聲音，圖像等易于與操作員進行人機交 互的方式向工程技術人員展示鉆機使用，安裝和拆卸過程中的關鍵操作流程及技術要點以 及整個鉆機部件組成。該系統采用虛擬顯示技術構建一個真實感極強的視覺環境，讓學員 有身臨其境的感覺，以直觀的方式向工程技術人員展示鉆機安裝，拆卸過程中的關鍵操作 流程及技術要點，從而解決現有傳統紙質說明書存在的理解難和理解歧義等問題，使說明 書的閱讀更加簡單，更加形象生動，杜絕因個體理解差異造成對說明書的誤讀而導致事故 的發生。
[0021] 在進行井架起升模擬以及鉆進模擬操作時，在系統上電后，先對絞車、泥漿泵和轉 盤進行初始化操作、將司鉆臺操作臺上各閥件恢復到初始位置，并將司鉆臺操作與井架模 型進行聯動。實際使用時，一方面通過PLC上的模擬和數字輸入端口采集接收司鉆臺上操 作員操作所產生的模擬量和數字量信號，將上述信號發送給參數計算機，參數計算機通過 主控計算機的通信模塊將信息輸入給主控計算機中的各種模擬裝置中以處理得出適于外 顯的信號，上述信號通過數據傳輸協議傳送給用于環幕圖形的處理和顯示的圖形計算機， 圖形計算機中的數據被傳輸給三通道環幕投影顯示系統中的圖像融合機，圖像融合機再將 圖形計算機產生的圖像信息分配給三臺投影儀，并進行邊沿融合，經過幾何校正和顏色校 正后，將上述主程序處理后的圖形數據以及模塊動作數據投影到工程環形投影幕上，從而 完成對井架起升過程以及鉆進操作的模擬。另一方面，以參數計算機為上位機，通過PLC上 的模擬和數