CN113428792A - 一种石油钻机游车电子防撞控制***及其控制方法 - Google Patents

一种石油钻机游车电子防撞控制***及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种石油钻机游车电子防撞控制***及其控制方法，属于石油钻探技术领域，为了解决现有的石油钻机游车运行速度控制精度差的问题。本发明的电动机通过减速箱与滚筒连接；绝对值编码器对滚筒的旋转圈数进行计数；绝对值编码器与PLC控制器相连；PLC控制器的变频信号输出端与变频器的变频信号输入端相连；变频器的控制信号输出端与电动机的控制信号输入端相连，并且变频器用于实时采集电动机的转速，变频器的反馈信号输出端与PLC控制器的反馈信号输入端相连；PLC控制器的显示信号输出端与触摸屏的显示信号输入端相连，触摸屏的指令信号输出端与PLC控制器的指令信号输入端相连。有益效果为实现了大钩位置、恒速、电子防撞控制。

Description

一种石油钻机游车电子防撞控制***及其控制方法
技术领域
本发明属于石油钻探技术领域。
背景技术
绞车是石油钻井设备中的重要设备之一，绞车主要包括电机、滚筒和钢丝绳，钢丝绳的一端连接在滚筒上，钢丝绳的另一端通过天车连接在游车上；其中，电机驱动滚筒匀速旋转，随着滚筒的匀速旋转实现对钢丝绳的缠绕，进而由钢丝绳牵引游车运行；绞车的安全保护主要采用过圈阀保护和天车防碰阀保护，即在绞车的滚筒处和天车处分别安装传感器，当游车碰触天车防碰阀传感器时，绞车立即刹车制动，整个钻井工作立即停止，但是该种制动方式具有突发性；同时，在钢丝绳缠绕滚筒时，随着钢丝绳圈数增多时，导致滚筒的缠绕半径增大；在滚筒旋转速度不变的前提下，游车的运行速度不断增大，因此，现有的石油钻机游车运行速度控制精度差，在游车运行速度变大时采用刹车的方式进行制动时，容易产生安全事故，造成极大的经济损失。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的石油钻机游车运行速度控制精度差的问题，提出了一种石油钻机游车电子防撞控制***及其控制方法。
本发明所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***，该防撞控制***用于实现对石油钻机的游车运行速度的控制；
所述石油钻机还包括电动机、滚筒、天车、牵引绳、大钩、钻杆、井架和钻台；
钻台设置在石油的待采集地点；井架设置在钻台的正上方；
天车设置在井架的顶端，天车上设有定滑轮，游车上设有动滑轮，牵引绳的一端连接在滚筒上，牵引绳的另一端依次在天车的定滑轮以及游车的动滑轮之间多次穿行后，固定在井架上；
大钩固定在游车的底端，钻杆的顶端安装在大钩上，钻杆的底端穿过钻台；
该防撞控制***包括减速箱、变频器、绝对值编码器、PLC控制器和触摸屏；
电动机通过减速箱与滚筒的主轴连接；
所述绝对值编码器安装在滚筒的主轴上，并通过绝对值编码器对滚筒主轴的旋转圈数进行计数；
绝对值编码器的计数信号输出端与PLC控制器的计数信号输入端相连；
PLC控制器的变频信号输出端与变频器的变频信号输入端相连；变频器的控制信号输出端与电动机的控制信号输入端相连，并且变频器用于实时采集电动机的转速、扭矩、电压以及电流，变频器的反馈信号输出端与PLC控制器的反馈信号输入端相连；
PLC控制器的显示信号输出端与触摸屏的显示信号输入端相连，触摸屏的指令信号输出端与PLC控制器的指令信号输入端相连。
本发明所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，该控制方法包括以下步骤；
步骤一、对PLC控制器进行调试，确定绝对值编码器的第一标准数值、第二标准数值、第三标准数值和第四标准数值；
步骤二、控制游车上升时，使其先匀速上升运动，后减速上升运动，直至停止，并且确定游车匀速上升运动终止点为：绝对值编码器的第一标准数值；确定游车减速上升运动的终止点为：绝对值编码器的第二标准数值；
步骤三、控制游车下降时，使其先匀速下降运动，后减速下降运动，直至停止，并且确定游车匀速下降运动终止点为：绝对值编码器的第三标准数值；确定游车减速下降运动的终止点为：绝对值编码器的第四标准数值。
本发明通过触摸屏向PLC控制器输入指令，PLC控制器通过变频器控制电动机的转速，进而驱动滚筒旋转，在绝对值编码器的作用下，分别控制游车在上升时，先匀速、再减速、最后停止，以及控制游车在下降时，先匀速、再减速、最后停止，达到防止游车与天车碰撞以及防止大钩与钻台的目的。
本发明的有益效果是：该防撞控制***结构简单，稳定性高，成本低，对滚筒控制精度高，能够可靠的实现大钩位置、恒速、电子防撞控制。
附图说明
图1为具体实施方法一所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的原理结构图；
图2为具体实施方式一中滚筒的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***，该防撞控制***用于实现对石油钻机的游车4运行速度的控制；
所述石油钻机还包括电动机1、滚筒2、天车3、牵引绳5、大钩6、钻杆7、井架8和钻台9；
钻台9设置在石油的待采集地点；井架8设置在钻台9的正上方；
天车3设置在井架8的顶端，天车3上设有定滑轮，游车4上设有动滑轮，牵引绳5的一端连接在滚筒2上，牵引绳5的另一端依次在天车3的定滑轮以及游车4的动滑轮之间多次穿行后，固定在井架8上；
大钩6固定在游车4的底端，钻杆7的顶端安装在大钩6上，钻杆7的底端穿过钻台9；
该防撞控制***包括减速箱10、变频器11、绝对值编码器12、PLC控制器13和触摸屏14；
电动机1通过减速箱10与滚筒2的主轴连接；减速箱10用于实现换挡功能；滚筒2主轴的旋转速度与电动机1的转速通过减速箱10后具有一定传动比；
所述绝对值编码器12安装在滚筒2的主轴上，并通过绝对值编码器12对滚筒2主轴的旋转圈数进行计数；
绝对值编码器12的计数信号输出端与PLC控制器13的计数信号输入端相连；
PLC控制器13的变频信号输出端与变频器11的变频信号输入端相连；变频器11的控制信号输出端与电动机1的控制信号输入端相连，并且变频器11用于实时采集电动机1的转速、扭矩、电压以及电流，变频器11的反馈信号输出端与PLC控制器13的反馈信号输入端相连；
PLC控制器13的显示信号输出端与触摸屏14的显示信号输入端相连，触摸屏14的指令信号输出端与PLC控制器13的指令信号输入端相连。
在本实施方式中，绝对值编码器12为防爆型绝对值编码器；PLC控制器13的型号为：1515-2PN；PLC控制器13与变频器11以及触摸屏14分别通过总线通讯进行连接。
在本实施方式中，处于滚筒2上的同一层的牵引绳5速度相同，滚筒2上每层牵引绳5按照一定规律进行缠绕，每层牵引绳5的圈数相同。
在本实施方式中，根据绝对值编码器12的计数信号，能够实现对游车4的速度以及位置进行控制，具体控制的工作原理为：由于滚筒2上缠绕的牵引绳5是按照固定模式排列的，滚筒2上的每层牵引绳5排列M圈后达到上限，其中，M为大于3的正整数，如图2所示M＝8，当绝对值编码器12的真实计数小于或等于M时，此时，滚筒2上的牵引绳5只排列一层，第一层牵引绳5的牵引速度＝滚筒2的角速度×(滚筒2的半径+牵引绳5的半径)；当绝对值编码器12的真实计数大于M，并小于等于2M时，此时，滚筒2上的牵引绳5排列二层，
Figure BDA0003171430940000031
Figure BDA0003171430940000041
因此，为了保证牵引绳5的牵引速度不变，必须对应减小电动机的速度；依此类推；对于位置的控制，根据绝对值编码器12的真实计数，能够得出滚筒2上缠绕的牵引绳5的长度，进而确定出游车4的位置；
具体的公式为：
NR＝NM*i；(单位r/s)
其中，NR为滚筒2的转速(线速度)，NM为电动机1的转速(线速度)，i为减速箱10的传动比；
Figure BDA0003171430940000042
单位(m)
其中，L2为第二层牵引绳5长度，DL为牵引绳5的直径；DR为滚筒2的直径，n为单层钢丝绳圈数；
Figure BDA0003171430940000043
单位(m)
其中，L3第三层牵引绳5长度；
Figure BDA0003171430940000044
单位(m/s)
其中，Vf2为第二层牵引绳5的牵引速度；
Figure BDA0003171430940000045
单位(m/s)
其中，Vf3为第三层牵引绳5的牵引速度；
V2＝Vf2/z；单位(m/s)
其中，V2为牵引绳5处于第二层时大钩6的运行速度，z为牵引绳5的有效绳数；
V3＝Vf3/z；单位(m/s)
其中，V3为牵引绳5处于第三层时大钩6的运行速度。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***进一步限定，在本实施方式中，电动机1为三相交流电动机。
具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***进一步限定，在本实施方式中，所述石油钻机还包括台架15；
所述台架15水平设置在井架8的中上部。
具体实施方式四：基于具体实施方式一所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，在本实施方式中，该控制方法包括以下步骤；
步骤一、对PLC控制器13进行调试，确定绝对值编码器12的第一标准数值、第二标准数值、第三标准数值和第四标准数值；
步骤二、控制游车4上升时，使其先匀速上升运动，后减速上升运动，直至停止，并且确定游车4匀速上升运动终止点为：绝对值编码器12的第一标准数值；确定游车4减速上升运动的终止点为：绝对值编码器12的第二标准数值；
步骤三、控制游车4下降时，使其先匀速下降运动，后减速下降运动，直至停止，并且确定游车4匀速下降运动终止点为：绝对值编码器12的第三标准数值；确定游车4减速下降运动的终止点为：绝对值编码器12的第四标准数值。
在本实施方式中，在大钩6下降至钻台9过程和游车4上升至天车3过程时，设定第一标准数值(上撞减速)位置，第二标准数值(上撞刹车)位置，第三标准数值(下砸减速)位置，第四标准数值(下砸刹车)位置；在该四个位置记录绝对值编码器12的数值，当PLC控制器13读取到上述四个位置时，绝对值编码器12显示相应的数值时进行相对应的控制，完成电子防撞功能。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中对PLC控制器13进行调试时，确定绝对值编码器12的第一标准数值的具体方法为：
步骤一一、通过触摸屏14输入下降指令，控制游车4下降，使得大钩6的底端与钻台9的上表面接触；
步骤一二、通过触摸屏14输入清零指令，将绝对值编码器12计数清零；
步骤一三、在井架8上设置上撞减速传感器16，并通过触摸屏14输入上升指令，控制游车4上升，当游车4上升碰触上撞减速传感器16时，触摸屏14上显示的绝对值编码器数值作为第一标准数值。
具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式五所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中对PLC控制器13进行调试时，确定绝对值编码器12的第二标准数值的具体方法为：
在井架8上设置上撞刹车传感器17，并通过触摸屏14输入减速指令，当游车4上升碰触到上撞刹车传感器17时，触摸屏14上显示的绝对值编码器数值作为第二标准数值。
具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式六所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中对PLC控制器13进行调试时，确定绝对值编码器12的第三标准数值的具体方法为：
在井架8上设置下砸减速传感器18，并通过触摸屏14输入下降指令，控制游车4下降，当游车4下降碰触到下砸减速传感器18时，触摸屏14上显示的绝对值编码器数值作为第三标准数值。
具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式七所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法进一步限定，在本实施方式中，步骤一中对PLC控制器13进行调试时，确定绝对值编码器12的第四标准数值的具体方法为：
在井架8上设置下砸刹车传感器19，并通过触摸屏14输入减速指令，当游车4下降碰触到下砸刹车传感器19时，触摸屏14上显示的绝对值编码器数值作为第四标准数值。

Claims (8)

1.一种石油钻机游车电子防撞控制***，该防撞控制***用于实现对石油钻机的游车(4)运行速度的控制；
所述石油钻机还包括电动机(1)、滚筒(2)、天车(3)、牵引绳(5)、大钩(6)、钻杆(7)、井架(8)和钻台(9)；
钻台(9)设置在石油的待采集地点；井架(8)设置在钻台(9)的正上方；
天车(3)设置在井架(8)的顶端，天车(3)上设有定滑轮，游车(4)上设有动滑轮，牵引绳(5)的一端连接在滚筒(2)上，牵引绳(5)的另一端依次在天车(3)的定滑轮以及游车(4)的动滑轮之间多次穿行后，固定在井架(8)上；
大钩(6)固定在游车(4)的底端，钻杆(7)的顶端安装在大钩(6)上，钻杆(7)的底端穿过钻台(9)；
其特征在于，该防撞控制***包括减速箱(10)、变频器(11)、绝对值编码器(12)、PLC控制器(13)和触摸屏(14)；
电动机(1)通过减速箱(10)与滚筒(2)的主轴连接；
所述绝对值编码器(12)安装在滚筒(2)的主轴上，并通过绝对值编码器(12)对滚筒(2)主轴的旋转圈数进行计数；
绝对值编码器(12)的计数信号输出端与PLC控制器(13)的计数信号输入端相连；
PLC控制器(13)的变频信号输出端与变频器(11)的变频信号输入端相连；变频器(11)的控制信号输出端与电动机(1)的控制信号输入端相连，并且变频器(11)用于实时采集电动机(1)的转速、扭矩、电压以及电流，变频器(11)的反馈信号输出端与PLC控制器(13)的反馈信号输入端相连；
PLC控制器(13)的显示信号输出端与触摸屏(14)的显示信号输入端相连，触摸屏(14)的指令信号输出端与PLC控制器(13)的指令信号输入端相连。
2.根据权利要求1所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***，其特征在于，电动机(1)为三相交流电动机。
3.根据权利要求1所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***，其特征在于，所述石油钻机还包括二层台(15)；
所述二层台(15)水平设置在井架(8)的中上部。
4.基于权利要求1所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，其特征在于，该控制方法包括以下步骤；
步骤一、对PLC控制器(13)进行调试，确定绝对值编码器(12)的第一标准数值、第二标准数值、第三标准数值和第四标准数值；
步骤二、控制游车(4)上升时，使其先匀速上升运动，后减速上升运动，直至停止，并且确定游车(4)匀速上升运动终止点为：绝对值编码器(12)的第一标准数值；确定游车(4)减速上升运动的终止点为：绝对值编码器(12)的第二标准数值；
步骤三、控制游车(4)下降时，使其先匀速下降运动，后减速下降运动，直至停止，并且确定游车(4)匀速下降运动终止点为：绝对值编码器(12)的第三标准数值；确定游车(4)减速下降运动的终止点为：绝对值编码器(12)的第四标准数值。
5.根据权利要求4所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，其特征在于，步骤一中对PLC控制器(13)进行调试时，确定绝对值编码器(12)的第一标准数值的具体方法为：
步骤一一、通过触摸屏(14)输入下降指令，控制游车(4)下降，使得大钩(6)的底端与钻台(9)的上表面接触；
步骤一二、通过触摸屏(14)输入清零指令，将绝对值编码器(12)计数清零；
步骤一三、在井架(8)上设置上撞减速传感器(16)，并通过触摸屏(14)输入上升指令，控制游车(4)上升，当游车(4)上升碰触上撞减速传感器(16)时，触摸屏(14)上显示的绝对值编码器数值作为第一标准数值。
6.根据权利要求5所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，其特征在于，步骤一中对PLC控制器(13)进行调试时，确定绝对值编码器(12)的第二标准数值的具体方法为：
在井架(8)上设置上撞刹车传感器(17)，并通过触摸屏(14)输入减速指令，当游车(4)上升碰触到上撞刹车传感器(17)时，触摸屏(14)上显示的绝对值编码器数值作为第二标准数值。
7.根据权利要求6所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，其特征在于，步骤一中对PLC控制器(13)进行调试时，确定绝对值编码器(12)的第三标准数值的具体方法为：
在井架(8)上设置下砸减速传感器(18)，并通过触摸屏(14)输入下降指令，控制游车(4)下降，当游车(4)下降碰触到下砸减速传感器(18)时，触摸屏(14)上显示的绝对值编码器数值作为第三标准数值。
8.根据权利要求7所述的一种石油钻机游车电子防撞控制***的控制方法，其特征在于，步骤一中对PLC控制器(13)进行调试时，确定绝对值编码器(12)的第四标准数值的具体方法为：
在井架(8)上设置下砸刹车传感器(19)，并通过触摸屏(14)输入减速指令，当游车(4)下降碰触到下砸刹车传感器(19)时，触摸屏(14)上显示的绝对值编码器数值作为第四标准数值。
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