司鉆操 作臺(tái)正面控制面板，機(jī)箱的一個(gè)側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺(tái)側(cè)面控制面板，機(jī)箱的另一個(gè)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(tái)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(dòng)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(dòng)開關(guān)以及 緊急制動(dòng)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、栗壓表、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(tái)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(cè)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(hào)泥漿栗開關(guān)、2 號(hào)泥漿栗開關(guān)、3號(hào)泥漿栗開關(guān)、低壓報(bào)警器開關(guān)；
[0025] 司鉆操作臺(tái)的內(nèi)部控制板包括司鉆操作臺(tái)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(dòng)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(dòng)開關(guān)以及緊急制動(dòng)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(cè)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(hào)泥漿栗開關(guān)、2號(hào) 泥漿栗開關(guān)、3號(hào)泥漿栗開關(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(tái)上的各 個(gè)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，泥漿栗的調(diào)速控制；同時(shí)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、栗調(diào)節(jié)器位置、柴油機(jī)功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測(cè)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(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)井架/底座的起升控制、對(duì)鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對(duì)泥漿栗的 調(diào)速控制。
[0026] 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)、液壓栗開關(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(tái)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)、液壓栗開關(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(duì)頂驅(qū)進(jìn)行控制。
[0027] 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(tái)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(duì)緩沖液缸進(jìn)行控制。
[0028] 參數(shù)計(jì)算機(jī)作為分布式的上位機(jī)完成整個(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺(tái)和鉆機(jī)模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由SIEMENS S7-200PLC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。
[0029] 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(tái)、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(gè)前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個(gè)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(tái)面絞車的動(dòng)力，通過 快繩、大鉤拉動(dòng)起升大繩，實(shí)現(xiàn)井架起升，井架起升時(shí)為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時(shí)下放井架時(shí)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)。
[0030] 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(tái)上的 操作按鈕對(duì)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(duì)絞車控制臺(tái)及前端各 PLC模塊進(jìn)行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺(tái)之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0031] 底座模型包括底座和底座核心控制機(jī)，其中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(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，從而實(shí)現(xiàn)了高臺(tái)面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動(dòng)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(tái)面部分，用來安裝鉆臺(tái)面的設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部 分，由左如基座與左后基座、右如基座與右后基座分別用銷子連接成左、右兩個(gè)部分。左、右 兩個(gè)部分之間的連接構(gòu)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(tái)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(gè)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(huán)，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(hù)裝置組，其中防護(hù)裝 置組包括實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)井架天車防碰功能的鉆機(jī)井架天車防碰裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過度起升 功能的防鉆機(jī)井架過度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)井架過度下放功能的防鉆機(jī)井架過度下放 裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過度起升功能的防鉆機(jī)底座過度起升裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)底座過度下 放功能的防鉆機(jī)底座過度下放裝置、實(shí)現(xiàn)防鉆機(jī)大鉤過度下放功能的防鉆機(jī)大鉤過度下放 裝置。
[0032] 底座核心控制機(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(tái)上的 各個(gè)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(duì)絞車控制臺(tái)及前端各PLC模塊進(jìn) 行統(tǒng)一管理。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)資源共享、任務(wù)分擔(dān)的分布式控制系統(tǒng)。各控制臺(tái)之間的 通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0033] 為實(shí)現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機(jī)井架底座模型安裝的一定的保護(hù)裝置，包 括鉆機(jī)井架天車防碰裝置、防鉆機(jī)井架過度起升裝置、防鉆機(jī)井架過度下放裝置、防鉆機(jī)底 座過度起升裝置、防鉆機(jī)底座過度下放裝置、防鉆機(jī)大鉤過度下放裝置。為實(shí)現(xiàn)井架底座的 起升和下放并受控于司鉆操作臺(tái)，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)絞車功能。
[0034] 陸地鉆機(jī)安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)必須持續(xù)不斷的與前端硬件進(jìn)行 通信，以獲取前端的設(shè)備狀態(tài)，也就是獲取培訓(xùn)學(xué)員的操作過程；實(shí)時(shí)獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過主控計(jì)算機(jī)處理，驅(qū)動(dòng)圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動(dòng)畫過程；同時(shí)， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對(duì)如旋鈕，手柄，腳油門等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進(jìn)行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場(chǎng)操作觸感。
[0035] 在模型中，所有數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定，都基于以下假設(shè)：
[0036] 1)、鉆井液環(huán)空攜巖能力Lc彡0. 5 ;環(huán)空鉆肩濃度Ca < 0. 09 ;環(huán)空流態(tài)穩(wěn)定參數(shù) 值Z <井眼穩(wěn)定值Z值。
[0037] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計(jì)可鉆性的基礎(chǔ)上的，它反映了不均質(zhì)地 層可鉆性的宏觀規(guī)律。同時(shí)假設(shè)影響鉆速的鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水力參數(shù)、鉆井液密度差 與地層宏觀性等這些單因素是互不影響的獨(dú)立變量的基礎(chǔ)上建立起來的函數(shù)關(guān)系。
[0038] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入環(huán)空的泥漿和氣體形成的混氣泥漿是均 勻混合的。在這種假設(shè)下，我們可以將單位體積的混和泥漿中的氣體含量看成是相等的。
[0039] 4)、發(fā)現(xiàn)溢流后，應(yīng)及時(shí)停栗關(guān)井。在井內(nèi)壓力平衡前，地層氣體仍然會(huì)不斷地進(jìn) 入井內(nèi)。因此，假設(shè)從停栗關(guān)井到關(guān)井穩(wěn)定這段時(shí)間內(nèi)，井內(nèi)形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
[0040] 5)、氣體從地層中進(jìn)入井筒符合達(dá)西定律。
[0041] 6)、若進(jìn)入井內(nèi)的溢流為氣體，則假設(shè)氣體溢流在環(huán)空內(nèi)上升時(shí)要膨脹，其膨脹過 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。
[0042] 7)、假設(shè)井內(nèi)的地溫梯度為一常數(shù)，則：
[0043] 井底溫度=地溫梯度X井深+井口溫度。
[0044] 由于本模型主要用于模擬培訓(xùn)，因此，在計(jì)算時(shí)間、計(jì)算精度和和準(zhǔn)確度發(fā)生沖突 時(shí)，原則上以保時(shí)間為主，而將過分復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化，但保證定性方面的準(zhǔn) 確性。
[0045] 教師操作臺(tái)具有主控計(jì)算機(jī)和圖形計(jì)算機(jī)，其中該主控計(jì)算機(jī)具有主控模塊，該 主控模塊用于與通信模塊進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)獲得硬件設(shè)備狀態(tài)；所述主控計(jì)算機(jī)還包括如下 多個(gè)鉆機(jī)模型的模擬裝置：鉆機(jī)模型鉆進(jìn)工藝模擬裝置、鉆機(jī)模型溢流模擬裝置、鉆機(jī)模型 氣體膨脹模擬裝置、鉆機(jī)模型循環(huán)壓力計(jì)算模擬裝置、鉆機(jī)模型鉆具提升模擬裝置以及鉆 機(jī)模型的鉆機(jī)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(gè)模擬系 統(tǒng)：用于模擬陸地鉆機(jī)井架/底座的起升/下放操作的裝置、用于模擬陸地鉆機(jī)起鉆和下鉆 操作的裝置、用于模擬陸地鉆機(jī)鉆進(jìn)操作的裝置、用于模擬陸地鉆機(jī)事故應(yīng)急操作的裝置。 [0046] 教師操作臺(tái)主要用于教師對(duì)學(xué)員操作情況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)評(píng)判， 打分。其中主控計(jì)算機(jī)用于完成上述系統(tǒng)主程序的執(zhí)行，其包括用于存儲(chǔ)和設(shè)置模擬參數(shù) 的模塊、用于模擬工藝程序的模塊、用于控制圖形、計(jì)算并繪制壓井曲線的模塊、用于成績(jī) 評(píng)定及學(xué)員管理的模塊、采集前端設(shè)備參數(shù)的模塊、控制前端控制臺(tái)上顯示儀表的模塊以 及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。圖形計(jì)算機(jī)用于環(huán)幕圖形的處理和顯示，兩者間通過TCP/IP協(xié)議互聯(lián)。
[0047] 三通道環(huán)幕投影顯示系統(tǒng)包括：投影機(jī)、工程環(huán)形投影幕和圖像融合機(jī)。其中所述 投影機(jī)為三臺(tái)正投投影機(jī)，所述三臺(tái)投影機(jī)與、工程環(huán)形投影幕和圖像融合機(jī)形成邊緣融 合投影系統(tǒng)。圖像融合機(jī)中包括有幾何矯正模塊、邊緣融合模塊、顏色校正模塊。其中圖像 融合機(jī)將圖形計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的圖像信息分配給三臺(tái)投影儀，并進(jìn)行邊緣融合。所述邊緣融合 技術(shù)是將一組投影機(jī)投射出的畫面進(jìn)行邊緣重疊，并通過融合技術(shù)顯示出一個(gè)沒有縫隙、 更加明亮，超大、超高分辨率的整幅畫面，畫面的效果如同是一臺(tái)投影機(jī)投射的畫面。當(dāng)兩 臺(tái)或多臺(tái)投影機(jī)組合投射一幅畫面時(shí)，會(huì)有一部分影像重疊，邊緣融合的最主要功能就是 把兩臺(tái)投影機(jī)重疊部分的燈光亮度逐漸調(diào)低，使整幅畫面的亮度一致。
[0048] 其中幾何矯正模塊包括：所述幾何矯正模塊用于修正投射圖像的幾何形狀，以保 證邊緣融合控制能適應(yīng)多種屏幕構(gòu)型，優(yōu)選為平面構(gòu)型，柱面構(gòu)型或球面構(gòu)型，使投射到幕 上的畫面無幾何失真。所述幾何矯正模塊包括下述子模塊：利用經(jīng)煒定位模塊和激光陣列 以點(diǎn)陣的方式對(duì)環(huán)形投影幕進(jìn)行空間定位的模塊；通過計(jì)算機(jī)的圖形管理輸出與環(huán)形投影 幕上空間激光點(diǎn)陣形成等間隔的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格的模塊；通過智能相繼采集投影圖像輸入計(jì)算 機(jī)，并通過投影屏幕上的空間激光點(diǎn)陣與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)匹配從而得出投影儀圖像與投 影屏幕對(duì)應(yīng)關(guān)系的模塊；利用上述對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出的圖像進(jìn)行非線性幾何矯正的模 塊。
[0049] 其中邊緣融合模塊包括：用于將圖像分割成若干規(guī)則圖形的圖像分割模塊，以使 若干規(guī)則圖形分別由三個(gè)投影機(jī)進(jìn)行投影，其中分割為若干規(guī)則圖形的相鄰圖形邊緣相互 重疊部分圖形的寬度為對(duì)應(yīng)尺寸的5%以內(nèi)，相鄰圖形邊緣相互重疊圖形同時(shí)出現(xiàn)在分割 后的相鄰圖形的邊緣；用于在整個(gè)圖像上布置縱橫交錯(cuò)的經(jīng)線和煒線的經(jīng)煒定位模塊，其 使在每個(gè)規(guī)則圖形中的經(jīng)線和煒線的顏色互不相同，并利用三個(gè)投影機(jī)將分割后的若干規(guī) 則圖形進(jìn)行投影，調(diào)節(jié)投影機(jī)使相鄰圖形邊緣相互重疊圖形內(nèi)的經(jīng)線，煒線完成重疊；灰度 調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)不同投影機(jī)的亮度Alpha值為100%的白色圖像，通過灰度感光攝像頭對(duì)非 重疊圖形部分進(jìn)行感光信號(hào)采集，設(shè)置其灰度為α，將相鄰圖形邊緣相互重疊圖形的亮度 下調(diào)，直到重疊灰度β和非重疊圖形的灰度相等或誤差小于0.5%，再將不同的投影機(jī)一 并進(jìn)行投影；
[0050] 其中顏色矯正模塊包括：使用智能相機(jī)測(cè)量出不同投影儀在投射相同亮度顏色時(shí) 所產(chǎn)生的實(shí)際亮度的模塊，對(duì)不同亮度下拍攝的照片進(jìn)行處理以得出每臺(tái)投影儀的顏色映 射關(guān)系的模塊；在每臺(tái)投影儀投影顯示前，設(shè)置不同屏幕的顏色表，產(chǎn)生顏色值的映射以使 不同投影儀投射出的同一種顏色盡量相似的模塊。
[0051] 其中，上述投影機(jī)為高分辨率投影機(jī)，上述工程環(huán)形投影幕可以為L(zhǎng)ED/LCD環(huán)形 顯示屏。
[0052] 陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)還可以對(duì)事故及復(fù)雜情況進(jìn)行模擬，主要模擬鉆井過 程中常見的故障及復(fù)雜情況。主控計(jì)算機(jī)產(chǎn)生事故，要求培訓(xùn)學(xué)員通過模型反應(yīng)出的現(xiàn)象 判斷事故類型，并正確處理事故。主要模擬的事故有：粘附卡鉆模擬流程、沉砂卡鉆模擬流 程、泥包卡鉆模擬流程、公錐打撈模擬流程、落物磨銑模擬流程。其工藝流程如下所示。
[0053] 根據(jù)上述陸地鉆機(jī)安裝操作模擬系統(tǒng)的主要部件，其三維動(dòng)畫模型的生成方法如 下：
[0054] 第一步，素材采集，前期在鉆機(jī)安裝工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視屏及照片素材的采集，鉆機(jī)實(shí) 際安裝的每個(gè)步驟都通過攝像機(jī)進(jìn)行全程拍攝；
[0055] 第二步，建模，通過采集到