一种陆地钻机安装操作模拟系统的前端司钻操作台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钻机模拟系统，具体来说，涉及一种陆地钻机安装操作模拟系统。
【背景技术】
[0002] 钻机属于工程机械，工程机械的安全生产不仅直接影响机械的使用寿命，而且关 系到人民生命财产的安全。因此必须贯彻"安全第一，以人为本"和"安全第一，预防为主" 的方针。由于技术水平的限制，井场设备安装、拆卸过程中的问题非常突出。如何提高设备 使用者技能水平，避免因操作不当造成的设备损坏，减少事故发生，是公司目前必须解决的 紧迫问题。
[0003] 在钻井完成后，需要将井场设备如底座、井架、泥浆泵、防喷器组等进行拆卸，搬运 到其他钻井现场，并进行安装，以便开始新的钻井作业。在设备安装和拆卸过程中，必须遵 循一定的操作规程和技术要领，才能保证设备的正确安装、正确拆卸和安全使用。
[0004] 然而，目前设备使用者的操作规程和技术要领主要是通过厂家提供的说明书和培 训获取，而操作技能则是靠经验的积累和师傅的传授，这些方式往往存在以下问题：实践机 会有限，难以提高技术水平：由于钻井作业的特殊性，钻井设备的拆卸和安装等工作往往要 几个月，甚至一年才进行一次，操作人员很难通过实际操作积累各种经验。另外，在设备安 装、拆卸过程中，事故发生的几率相对较小，个体对事故的处理经验极为有限，对事故的判 断、处理能力很难在实际的生产活动中积累和提高。一旦突发事故，往往由于缺乏经验和处 理能力，造成重大生命和财广损失。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有钻机模型的不足，提供一种陆地钻机安装操作模拟系 统。
[0006] 本发明的发明目的是通过以下技术方案来实现：一种陆地钻机安装操作模拟系 统，它包括钻机模型、前端操作台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统。其中前端 操作台中包括参数计算机，其中该参数计算机作为分布式的上位机完成整个系统的数据采 集与控制，主控计算机和图形计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处理和显示，各 台计算机通过TCP/IP协议互联。前端操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由 SIEMENSS7-200PLC完成，并连接构成西门子PPI网络。PLC与参数计算机数据通信采用 RS232协议。
[0007] 其中前端操作台包括机箱和内部控制板，所述的机箱的正面设有司钻台正面控制 面板，机箱的一个侧面设有司钻台侧面控制面板，机箱的另一个侧面设有顶驱机械控制面 板以及缓冲液缸的控制面板。其中在司钻台正面控制面板上设置有电源按钮、开机按钮、气 喇叭开关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立管压力阻尼器、捞 刹滚筒离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋扣控制开关、滚 筒高低速开关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动开关；还包括显 示表组，其中所述显示表组包括气源压力表、冷却水压表、绞车油压表、转盘油压表、转盘扭 矩表、泵压表、大钳扭矩表、左钳扭矩表、右钳扭矩表、安全钳压力表、猫头压力表、钻井扭矩 表、转速表、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表；司钻台侧面控制面板上设置指配开 关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路开关、电磁涡流刹车开关、转 盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2号泥浆泵开关、3号泥浆泵开 关、低压报警器开关；
[0008] 前段操作台的内部控制板包括前端操作台第一可编程控制器PLC1和第二可编程 控制器PLC2,上述可编程控制器PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议进行通信，其 中第一可编程控制器PLC1的CPU模块通过A/D模块分别与电源按钮、开机按钮、气喇叭开 关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚筒 离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋扣控制开关、滚筒高低速 开关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动开关连接，通过PLC的开 关量输入端口分别与指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路 开关、电磁涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2 号泥浆泵开关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关进行连接；通过PLC采集司钻操作台上的 各个开关，旋钮状态以模拟绞车的升降控制，转盘的转速控制，泥浆泵的调速控制；同时采 集绞车离合器位置、绞车档位、转盘离合器位置、转盘档位、泵调节器位置、柴油机功率调节 器位置；监测悬重、钻压、钻机气源压力、泥浆密度、泥浆黏度以及泥浆失水这些参数，通过 PLC的控制使得司钻操作台实现对井架/底座的起升控制、对钻盘的转速控制以及对泥浆 泵的调速控制。
[0009] 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮、吊环 回转选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、吊环倾斜选择开 关、刹车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择开关、旋转方向 选择开关；缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸 伸出/缩回控制手柄；其中前端操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模块 通过A/D模块分别与急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮连接，通过PLC的开关量输 入端口分别与吊环回转选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、 吊环倾斜选择开关、刹车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择 开关、旋转方向选择开关进行连接以实现对顶驱进行控制。
[0010] 其中缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液 缸伸出/缩回控制手柄；其中前端操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模 块通过A/D模块分别与左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/缩回控制手 柄连接以对缓冲液缸进行控制。
[0011] 钻机模型包括钻机井架和底座模拟器，其中井架为前开口型，由主体、人字架及附 件组成，附件主要有二层台、死绳稳定器、笼梯。井架主体由左上段、右上段、左中上段、右中 上段、左下段和右下段及背横梁、斜拉杆、连接架组成一个前开口型钢架结构，主体的调整 固定是由两个卡销完成。人字架是由左、右前腿，左、右后腿及横梁等组成的门形结构，用来 起放和支靠井架。起升装置由起升大绳、高支架、低支架和游车大钩支架组成。井架采用人 字架起升方式，依靠钻台面绞车的动力，通过快绳、大钩拉动起升大绳，实现井架起升，井架 起升时为了能够使井架平稳的靠放在人字架上，同时下放井架时又能使井架重心前移，从 而依靠井架本身自重下落，在人字架上设有缓冲装置，通过缓冲装置的伸缩来实现。
[0012] 底座主要由底座主体、起升装置、液压缓冲装置组成，底座采用平行四边形机构的 运动原理，从而实现了高台面设备的低位安装。采用绞车动力，利用游车大钩使底座从低位 整体起升到工作位置。底座主体分为上、中、下三层：上层为钻台面部分，用来安装钻台面的 设备，通过销子连接组成，下层为底座基座部分，由左前基座与左后基座、右前基座与右后 基座分别用销子连接成左、右两个部分。左、右两个部分之间的连接构件有连接梁、连接架 和斜撑。中间层为支撑部分，位于上、下层之间，起支撑钻台面和起放底座作用。分别由人 字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱组成，用销子与上、下层连接。人字架由前腿 及后腿两部分组成，起升大绳的一端固定在人字架后腿上，人字架在整个底座起升的过程 中起到支撑的作用。起升大绳两端装有套环，另有参与起升的1组滑轮固定在人字架后腿 上。所述钻井模型还包括防护装置组，其中防护装置组包括实现钻机井架天车防碰功能的 钻机井架天车防碰装置、实现防钻机井架过度起升功能的防钻机井架过度起升装置、实现 防钻机井架过度下放功能的防钻机井架过度下放装置、实现防钻机底座过度起升功能的防 钻机底座过度起升装置、实现防钻机底座过度下放功能的防钻机底座过度下放装置、实现 防钻机大钩过度下放功能的防钻机大钩过度下放装置。
[0013] 就本申请而言，钻机井架/底座模拟器的核心控制机选用西门子S7-200系列可编 程控制器，由S7-200直接控制操作台上的各个物理量，以参数机作为上位机，由教师控制 机对绞车控制台及前端各PL2000模拟机进行统一管理。整个系统构成一个资源共享、任务 分担的分布式控制系统。各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
[0014] 钻机井架/底座模拟器中的S7-200CPU模块通过检查井架天车防碰装置、防钻机 井架过度起升装置、防钻机井架过度下放装置、防钻机底座过度起升装置、防钻机底座过度 下放装置、防钻机大钩过度下放装置的状态来实现相应的功能，以防止学员误操作时损坏 钻机井架/底座模拟器。
[0015] 为实现井架/底座的起升和下放并受控于司钻台，系统采用步进电机来实现绞车 功能，PLC系统内设计了以高速受控的步进脉冲。在S7-200中设计了两个PT0/PWM发生 器，可以产生一个高速脉冲串或者一个脉宽调制波形。一个发生器是数字输出点Q0. 0,另一 个发生器是数字输出点Q0. 1。一个指定的特殊寄存器（SM)位置为每个发生器存储下列数 据：一个控制字节（8位），一个计数值（32位无符号数）和一个周期或脉宽值（16位无符号 数）。PT0/PWM发生器与过程映像寄存器共用Q0. 0和Q0. 1。当在Q0. 0或Q0. 1上激活PT0 或PWM功能时，PT0/PWM发生器对输出拥有控制权，同时普通输出点功能被禁止。输出波形 不受过程映象区状态、输出点强制值或者立即输出指令执行的影响。当不使用PT0/PWM发 生器功能时，对输出点的控制权交回到过程映象寄存器。过程映象寄存器决定输出波形的 起始和结束状态，以高低电平产生波形的启动和结束。脉冲串PT0操作按照给定的PT0脉冲 个数和周期输出一串方波（占空比50% )。PT0可以产生单段脉冲串或者多段脉冲串（使 用脉冲包络），可以指定脉冲数和周期。PT0功能允许脉冲串"链接"或者"排队"，当前脉冲 串输出完成时，会立即开始输出一个新的脉冲串，以保证多个输出脉冲串之间的连续性。
[0016] 前端操作台中还具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬 件信息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还将主控机发送过来的信息通 过PLC传输给前端硬件加以显示。
[0017] 教师工作台具有主控计算机和图形计算机，其中该主控计算机具有主控模块，该 主控模块用于与通信模块进行通信，实时获得硬件设备状态；所述主控计算机还包括如下 多个钻机模型的模拟装置：钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型溢流模拟装置、钻机模型 气体膨胀模拟装置、钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻具提升模拟装置以及钻 机模型的钻机井架/底座的起升/下放模拟装置，其中主控模块还包括有如下多个模拟系 统：用于模拟陆地钻机井架/底座的起升/下放操作的装置、用于模拟陆地钻机起钻和下钻 操作的装置、用于模拟陆地钻机钻进操作的装置、用于模拟陆地钻机事故应急操作的装置。
[0018] 教师操作台主要用于教师对学员操作情况进行监控，对操作结果进行自动评判， 打分。其中主控计算机用于完成上述系统主程序的执行，其包括用于存储和设置模拟参数 的模块、用于模拟工艺程序的模块、用于控制图形、计算并绘制压井曲线的模块、用于成绩 评定及学员管理的模块、采集前端设备参数的模块、控制前端控制台上显示仪表的模块以 及执行机构。图形计算机用于环幕图形的处理和显示，两者间通过该TCP/IP协议互联。
[0019] 工作时：首先使前端工作台、钻机模型、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系 统均上电，使得陆地钻机安装操作模拟系统启动工作，在参数计算机启动后，自动运行设置 其中的"陆地钻机安装操作模拟系统参数程序"，上述参数程序负责接收前端硬件的状态， 进行处理后通过网络传输给主控程序，在参数程序中实现优选包括"钻压"、"悬重"、"排量" 等钻进实时参数的外显，并可由程序进入到操作设置运行界面以实现模拟作业的设备初始 化工作以及操作设置。在图形计算机启动完成后，运行其中的图形程序，分别进入以下培训 项目进行选择：钻机安装动画、井架起升模拟、虚拟装配操作、钻进模拟操作以及电子图册， 通过操作员在图形计算机上进行选择，可进入不同的培训项目模块进行培训。
[0020] 在进行钻机安装动画、虚拟装配操作或者电子图册演示时、由教师操作台中的主 控计算机完成主程序的执行，将处理后的图形数据以及模块动作数据通过预订的数据传输 协议传送给用于环幕图形的处理和显示的图形计算机，图形计算机中的数据被传输给三通 道环幕投影显示系统中的图像融合机，图像融合机再将图形计算机产生的图像信息分配给 三台投影仪，并进行边沿融合，经过几何校正和颜色校正后，将上述主程序处理后的图形 数据以及模块动作数据投影到工程环形投影幕上，以声音，图像等易于与操作员进行人机 交互的方式向工程技术人员展示钻机使用，安装和拆卸过程中的关键操作流程及技术要点 以及整个钻机部件组成。该系统采用虚拟显示技术构建一个真实感极强的视觉环境，让学 员有身临其境的感觉，以直观的方式向工程技术人员展示钻机安装，拆卸过程中的关键操 作流程及技术要点，从而解决现有传统纸质说明书存在的理解难和理解歧义等问题，使说 明书的阅读更加简单，更加形象生动，杜绝因个体理解差异造成对说明书的误读而导致事 故的发生。
[0021] 在进行井架起升模拟以及钻进模拟操作时，在系统上电后，先对绞车、泥浆泵和转 盘进行初始化操作、将司钻台操作台上各阀件恢复到初始位置，并将司钻台操作与井架模 型进行联动。实际使用时，一方面通过PLC上的模拟和数字输入端口采集接收司钻台上操 作员操作所产生的模拟量和数字量信号，将上述信号发送给参数计算机，参数计算机通过 主控计算机的通信模块将信息输入给主控计算机中的各种模拟装置中以处理得出适于外 显的信号，上述信号通过数据传输协议传送给用于环幕图形的处理和显示的图形计算机， 图形计算机中的数据被传输给三通道环幕投影显示系统中的图像融合机，图像融合机再将 图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边沿融合，经过几何校正和颜色校 正后，将上述主程序处理后的图形数据以及模块动作数据投影到工程环形投影幕上，从而 完成对井架起升过程以及钻进操作的模拟。另一方面，以参数计算机为上位机，通过PLC上 的模拟和数字数出端口所输出的高速脉冲信号对步进电机进行控制，进而实现司钻台对钻 机模型的起升和下