一種鉆機(jī)安裝模擬系統(tǒng)的軟件總體構(gòu)造
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種鉆機(jī)安裝模擬系統(tǒng)的軟件總體構(gòu)造。
【背景技術(shù)】
[0002] GB2295480公開了一種井控模擬系統(tǒng)，其包括主計(jì)算機(jī)，主計(jì)算機(jī)能夠運(yùn)行鉆點(diǎn)模 擬的計(jì)算機(jī)模塊和多個能夠連接計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)輸出輸出裝置的數(shù)據(jù)接口。該系統(tǒng)適于安裝 和利用于真實(shí)鉆點(diǎn)，至少一些所述接口適于連接到數(shù)據(jù)輸出和輸入裝置，這些數(shù)據(jù)輸出輸 入裝置組成部分井控系統(tǒng)，而該模擬系統(tǒng)便安裝在其中。
[0003] 國內(nèi)電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文《新型鉆井工程培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn)》，從現(xiàn)代過程培訓(xùn)模擬其研制的現(xiàn)狀出發(fā)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，分析了 利用高技術(shù)的發(fā)展建立過程培訓(xùn)模擬系統(tǒng)的必要性和重要性，闡述了過程培訓(xùn)模型設(shè)計(jì)中 遇到的問題和解決方法，給出了新型鉆井工程培訓(xùn)考核模擬系統(tǒng)從可行性分析、硬件涉及 到主控臺設(shè)計(jì)，場景模擬等部分的解決方案，重點(diǎn)介紹了主控臺軟件部分的實(shí)現(xiàn)方法。
[0004] 鉆井模擬產(chǎn)品方面，以美國鉆井模擬機(jī)DS-200最具代表性，包括大慶石油管理局 研制的DS-100鉆井模型，但是無論是DS-200還是DS-100，其都只是針對鉆井操作進(jìn)彳丁模 擬，而不能對其他操作例如鉆機(jī)安裝進(jìn)行模擬，然而目前鉆機(jī)安裝者的操作規(guī)程和技術(shù)要 領(lǐng)主要是通過廠家提供的說明書和培訓(xùn)獲取，而操作技能則是靠經(jīng)驗(yàn)的積累和師傅的傳 授，這些方式往往存在以下問題：實(shí)踐機(jī)會有限，難以提高技術(shù)水平：由于鉆井作業(yè)的特殊 性，鉆井設(shè)備的拆卸和安裝等工作往往要幾個月，甚至一年才進(jìn)行一次，操作人員很難通過 實(shí)際操作積累各種經(jīng)驗(yàn)。另外，在設(shè)備安裝、拆卸過程中，事故發(fā)生的幾率相對較小，個體對 事故的處理經(jīng)驗(yàn)極為有限，對事故的判斷、處理能力很難在實(shí)際的生產(chǎn)活動中積累和提高。 一旦突發(fā)事故，往往由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和處理能力，造成重大生命和財(cái)產(chǎn)損失。
[0005] 因此完整有效的培訓(xùn)系統(tǒng)是急需的，并且有必要針對鉆機(jī)安裝開發(fā)響應(yīng)的模擬系 統(tǒng)，另一方面，以DS-100為代表的鉆井模型均采用分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一臺主控計(jì)算 機(jī)實(shí)現(xiàn)模擬解算，三臺過程控制計(jì)算機(jī)分別控制司鉆操作及儀表顯示臺，井控操作臺及遠(yuǎn) 程節(jié)流控制臺等裝置。主從計(jì)算機(jī)之間采用串行中斷方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。主控計(jì)算機(jī)采 用Borland C++fer Windows編程，圖形機(jī)采用Borland C++編程，過程計(jì)算機(jī)采用ASM-96 匯編語言編程，現(xiàn)有的系統(tǒng)復(fù)雜，并且缺乏完整性，無法滿足培訓(xùn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明旨在克服上述問題，提供一種鉆機(jī)安裝模擬操作的系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)模擬仿 真陸地鉆機(jī)的安裝，以及陸地鉆機(jī)的操作過程。
[0007] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種鉆機(jī)安裝模擬操作系統(tǒng)，包括前端硬件，前 端硬件由鉆機(jī)模型、前端操作臺、教師操作臺、以及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)組成，其中前 端操作臺中包括參數(shù)計(jì)算機(jī)，其中該參數(shù)計(jì)算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù) 采集與控制，主控計(jì)算機(jī)和圖形計(jì)算機(jī)完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示； 所述操作系統(tǒng)還包括通信軟件系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)，圖形軟件系統(tǒng)，主控軟件系統(tǒng)包括操作 培訓(xùn)子系統(tǒng)，系統(tǒng)管理子系統(tǒng)，硬件自檢子系統(tǒng)，所述圖形軟件系統(tǒng)包括場景初始化子系 統(tǒng)、工藝動畫控制子系統(tǒng)、碰撞處理子系統(tǒng)、渲染特效子系統(tǒng)；其中所述前端硬件與通信軟 件系統(tǒng)之間通過RS-232通信，所述通信軟件系統(tǒng)與主控軟件系統(tǒng)之間通過TCP/IP通信，主 控軟件系統(tǒng)與圖形軟件系統(tǒng)之間也通過TCP/IP通信。
[0008] 優(yōu)選地，操作培訓(xùn)模塊提供陸地鉆機(jī)安裝過程中的安裝過程的培訓(xùn)，以及陸地鉆 機(jī)操作過程中的主要工藝的培訓(xùn)，系統(tǒng)設(shè)置模塊完成對軟件系統(tǒng)的管理和配置功能，硬件 自檢校正對前段硬件進(jìn)行檢測，以方便用戶能隨時獲知前段硬件是否運(yùn)行正常的信息，通 信軟件系統(tǒng)主要完成從PLC獲取前端硬件信息后，發(fā)送給主控機(jī)；并將主控機(jī)發(fā)送過來的 信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示，參數(shù)機(jī)還負(fù)責(zé)重要參數(shù)的實(shí)時顯示，以及報(bào)警設(shè) 置，人工操作功能。
[0009] 圖形軟件系統(tǒng)采用全三維動畫，構(gòu)造一個逼真的，虛擬的陸地鉆機(jī)安裝操作環(huán)境， 使受訓(xùn)人員完全具有身臨其境的感覺，提高學(xué)員對事故處理時的心理承受能力，獲得更好 的培訓(xùn)效果。
[0010] 主控軟件系統(tǒng)與通信程序通信，實(shí)時獲得硬件設(shè)備狀態(tài)，在內(nèi)部通過相關(guān)數(shù)學(xué)模 型，模擬陸地鉆機(jī)安裝操作的若干典型過程，進(jìn)而完成：①通過TCP/IP協(xié)議同前段的參數(shù) 程序通信，獲取前段硬件數(shù)據(jù)。②利用數(shù)學(xué)模型，對獲取的前段硬件數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析和處 理。③將分析后的數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議向圖形軟件發(fā)送控制命令，控制圖形的動作。④ 將分析后的數(shù)據(jù)，通過TCP/IP協(xié)議傳遞給參數(shù)機(jī)，進(jìn)而控制硬件設(shè)備的實(shí)時顯示。該子系 統(tǒng)分成操作培訓(xùn)、系統(tǒng)設(shè)置、硬件自檢校正等模塊。
[0011] 與此同時，本發(fā)明還公開了一種陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)包括：司鉆操作臺、鉆 機(jī)模型、教師操作臺及三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)。
[0012] 司鉆操作臺包括機(jī)箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計(jì)算機(jī)，所述的機(jī)箱的正面設(shè)有司鉆操 作臺正面控制面板，機(jī)箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺側(cè)面控制面板，機(jī)箱的另一個側(cè)面設(shè) 有頂驅(qū)機(jī)械控制面板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆操作臺正面控制面板上設(shè)置 有電源按鈕、開機(jī)按鈕、氣喇叭開關(guān)、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(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開 關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及 緊急制動開關(guān)；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(zhuǎn)盤油壓表、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表；司鉆操作 臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁 路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、2 號泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開關(guān)、低壓報(bào)警器開關(guān)；
[0013] 司鉆操作臺的內(nèi)部控制板包括司鉆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(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進(jìn)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(jī)按鈕、氣喇叭 開關(guān)、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(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低 速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)連接，通過PLC的 開關(guān)量輸入端口分別與指配開關(guān)、發(fā)電機(jī)急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁 路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、 2號泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開關(guān)、低壓報(bào)警器開關(guān)進(jìn)行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上 的各個開關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制，泥漿泵的調(diào)速控制；同時 采集絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤離合器位置、轉(zhuǎn)盤檔位、泵調(diào)節(jié)器位置、柴油機(jī)功率調(diào) 節(jié)器位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機(jī)氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過 PLC的控制使得司鉆操作臺實(shí)現(xiàn)對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對泥漿 泵的調(diào)速控制。
[0014] 其中頂驅(qū)機(jī)械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕、吊環(huán) 回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開 關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開關(guān)、電機(jī)選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開關(guān)；緩沖液缸的控制面板上設(shè)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；其中司鉆操作臺的內(nèi)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(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機(jī)選擇開關(guān)、電機(jī)選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)對頂驅(qū)進(jìn)行控制。
[0015] 其中緩沖液缸的控制面板上設(shè)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；其中司鉆操作臺的內(nèi)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(jìn)行控制。
[0016] 參數(shù)計(jì)算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計(jì)算機(jī)和 圖形計(jì)算機(jī)完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各臺計(jì)算機(jī)通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺和鉆機(jī)模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由SIEMENS S7-200 PLC完成， 并連接構(gòu)成西門子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計(jì) 算機(jī)具有完成從PLC獲取前端硬件信息后，將信息發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計(jì)算機(jī)發(fā)送過來的信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0017] 鉆機(jī)模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制機(jī)。其中 井架為前開口型井架，由主體、人字架及附件組成，附件主要有二層臺、死繩穩(wěn)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(jié)構(gòu)，主體的調(diào)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(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)井架起升，井架起升時為了能夠使井架平穩(wěn)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(shè)有 緩沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實(shí)現(xiàn)。
[0018] 井架核心控制機(jī)選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 操作按鈕對應(yīng)的物理量，以參數(shù)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，由教師控制機(jī)對絞車控制臺及前端各 PLC模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控