本發(fā)明屬于石油機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鉆井絞車一鍵式換擋系統(tǒng)，還涉及到一種鉆井絞車一鍵式換擋方法。

背景技術(shù)：

目前石油鉆井絞車換擋一般采用手動換擋或者操作氣缸進(jìn)行氣動換擋。手動換擋勞動強(qiáng)度大而且操作困難，工作效率低，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；氣動換擋一般由氣控閥和氣缸操縱換擋機(jī)構(gòu)完成換擋，但是換擋成功率低，常常需要操作人員手動干預(yù)，且容易出現(xiàn)故障，甚至發(fā)生檔位虛掛導(dǎo)致的嚴(yán)重鉆井事故。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鉆井絞車一鍵式換擋系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)中的石油鉆機(jī)絞車手動換擋難度大、效率低，自動化程度低，鉆井作業(yè)效率低的問題。

本發(fā)明的另一目的是提供一種鉆井絞車一鍵式換擋方法，完全取消了人工干預(yù)，使得換擋更加智能化，保證換擋的成功率和可靠性。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種鉆井絞車一鍵式換擋系統(tǒng)，包括PLC控制器，PLC控制器與電磁閥島箱中的五個(gè)電磁閥分別控制連接，該五個(gè)電磁閥均為電控氣兩位換向閥，輸入端分別與氣源連接，其中電磁閥Y1輸出端與鎖檔氣缸的氣腔連接；電磁閥Y2輸出端與鎖檔氣缸的桿腔連接；電磁閥Y3輸出端與換擋氣缸的右腔連通；電磁閥Y4輸出端與換擋氣缸的中腔連通；電磁閥Y5輸出端與換擋氣缸的左腔連通；

鎖檔氣缸的活塞桿端頭與換擋氣缸的活塞桿垂直鉸接，換擋氣缸的活塞桿與換擋機(jī)構(gòu)固定連接，換擋機(jī)構(gòu)設(shè)置在減速箱與絞車滾筒的滾筒軸之間。

本發(fā)明所采用的另一種技術(shù)方案是，一種鉆井絞車一鍵式換擋方法，依賴于上述的鉆井絞車一鍵式換擋系統(tǒng)，按照以下步驟實(shí)施：

a)按下盤剎急停開關(guān)，絞車電機(jī)停機(jī)，使得盤剎將絞車滾筒的滾筒軸剎住；

b)在觸摸屏上點(diǎn)擊需要更換的檔位D按鈕，以下步驟中設(shè)置D為高速檔，則D’為低速檔；PLC控制器判斷盤剎已成功剎車且絞車電機(jī)已停機(jī)，則執(zhí)行步驟c)；

如果沒有剎車或者沒有停機(jī)，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，同時(shí)出現(xiàn)剎車故障的文字報(bào)警，提示司鉆人員剎車停機(jī)；

c)PLC控制器檢測合格后觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變藍(lán)色，表示正在執(zhí)行換擋程序；程序延時(shí)T時(shí)間后繼續(xù)執(zhí)行步驟d)；

d)PLC控制器控制相應(yīng)的電磁閥操作鎖檔氣缸解鎖，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器的反饋信號，如果依然有信號，則觸摸屏顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟e)；

e)PLC控制器控制相應(yīng)電磁閥操作換擋氣缸退到空檔，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)檢測高速檔傳感器和低速檔傳感器，采集D檔和D’檔的傳感器反饋信號，如果高速檔傳感器和低速檔傳感器中的一個(gè)或者兩個(gè)依然有信號反饋，則觸摸屏顯示D檔或者D’檔故障，提示檢修，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟f)；

f)PLC控制器控制電磁閥操作鎖檔氣缸掛鎖，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器的反饋信號，如果沒有信號，則觸摸屏顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果有信號則執(zhí)行步驟g)；

g)PLC控制器控制電磁閥操作鎖檔氣缸再次解鎖，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器的信號，如果依然有信號，則觸摸屏顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟h)；

h)PLC控制器控制電磁閥操作換擋氣缸掛到D檔，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)同時(shí)檢測高速檔傳感器和低速檔傳感器，采集D檔和D’檔的傳感器信號，如果D檔無信號或者D’檔有信號，則觸摸屏均顯示掛檔不成功，程序啟動微擺模式轉(zhuǎn)入步驟j)；如果D檔有信號且D’檔無信號，則執(zhí)行步驟i)；

i)PLC控制器控制電磁閥操作鎖檔氣缸掛鎖，PLC控制器在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器的反饋信號，如果沒有信號，觸摸屏顯示鎖檔不成功，程序啟動微擺模式轉(zhuǎn)入步驟j)；如果有信號則在觸摸屏上顯示檔位D按鈕為綠顏色表示換擋成功，程序結(jié)束，換擋完成；

J)微擺模式：PLC控制器通過旁路控制啟動絞車電機(jī)并保持零速，PLC控制器控制絞車電機(jī)帶動輸入軸微動旋轉(zhuǎn)，同時(shí)換擋氣缸繼續(xù)執(zhí)行掛檔；PLC控制器實(shí)時(shí)檢測所有傳感器的信號，如果D檔無反饋或者D’檔有反饋，則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行微擺；如果D檔有反饋且D’檔無反饋，則說明檔位已掛上，進(jìn)一步啟動鎖檔氣缸鎖住檔位，檢測鎖檔傳感器有反饋則在觸摸屏上顯示檔位D按鈕為綠顏色表示換擋成功，程序結(jié)束、換擋完成；微擺循環(huán)設(shè)置有計(jì)時(shí)功能，如果實(shí)際循環(huán)時(shí)間T超過預(yù)設(shè)的時(shí)間t’還沒有掛檔鎖住，則微擺失敗，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始。

本發(fā)明的有益效果是，包括以下幾點(diǎn)：

1)采用PLC程序指令控制電磁閥驅(qū)動換擋氣缸，氣缸帶動換擋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)絞車的自動換擋。通過觸摸屏控制操作更加簡單，人性化。

2)每個(gè)檔位設(shè)有傳感器，通過信號反饋形成閉環(huán)控制，實(shí)時(shí)判斷換擋程序的執(zhí)行情況并指導(dǎo)程序運(yùn)行，通過程序反饋很容易排除故障，控制系統(tǒng)更加簡潔、維護(hù)簡單。

3)當(dāng)出現(xiàn)變速箱齒輪錯(cuò)位導(dǎo)致檔位無法掛合時(shí)，PLC控制器自動啟用微擺掛檔程序，微轉(zhuǎn)動電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動對檔，大大提高了換擋的成功率、減少了掛檔時(shí)人為干預(yù)，降低了勞動強(qiáng)度，操作更加智能化。

附圖說明

圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)及原理圖；

圖2是本發(fā)明方法的控制流程示意圖。

圖中，1.PLC控制器，2.電磁閥島箱，3.換擋氣缸，4.鎖檔氣缸，5.高速檔傳感器，6.低速檔傳感器，7.鎖檔傳感器，8.換擋機(jī)構(gòu)，9.觸摸屏，10.減速箱，11.絞車滾筒。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

參照圖1，本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)是，包括PLC控制器1，PLC控制器1與電磁閥島箱2中的五個(gè)電磁閥(圖1中的Y1、Y2、Y3、Y4及Y5)分別控制連接，該五個(gè)電磁閥均為電控氣兩位換向閥，輸入端分別與氣源連接，其中電磁閥Y1輸出端與鎖檔氣缸4的氣腔連接，用于輸出鎖檔釋放控制氣；電磁閥Y2輸出端與鎖檔氣缸4的桿腔連接，用于輸出鎖檔控制氣；電磁閥Y3輸出端與換擋氣缸3的右腔連通，用于輸出高速檔控制氣；電磁閥Y4輸出端與換擋氣缸3的中腔連通，用于輸出空檔控制氣；電磁閥Y5輸出端與換擋氣缸3的左腔連通，用于輸出低速檔控制氣；

鎖檔氣缸4的活塞桿端頭與換擋氣缸3的活塞桿垂直鉸接，換擋氣缸3的活塞桿與換擋機(jī)構(gòu)8固定連接(直接實(shí)現(xiàn)傳動或驅(qū)動)，換擋機(jī)構(gòu)8設(shè)置在減速箱10與絞車滾筒11的滾筒軸之間，用于兩者之間的離合掛檔；減速箱10采用雙電機(jī)設(shè)置，電機(jī)M1和電機(jī)M2根據(jù)需要同時(shí)工作或互為備份；

換擋氣缸3為三位氣缸，鎖檔氣缸4為兩位氣缸；鎖檔氣缸4的活塞桿上設(shè)置有鎖檔傳感器7，換擋氣缸3的活塞桿上設(shè)置有高速檔傳感器5和低速檔傳感器6，高速檔傳感器5、低速檔傳感器6、鎖檔傳感器7的信號輸出端接回PLC控制器1，PLC控制器1連接有觸摸屏9，觸摸屏9設(shè)置有換擋操作按鈕和狀態(tài)及故障等文字信息顯示功能，按鈕的顏色根據(jù)工作狀態(tài)不同隨動變化。

PLC控制器1連接并控制電磁閥島箱2，電磁閥島箱2分別操縱換擋氣缸3和鎖檔氣缸4；換擋氣缸3通過連桿推動換擋機(jī)構(gòu)8執(zhí)行換擋；鎖檔氣缸4上的活塞桿(相當(dāng)于檔桿)可以對換擋氣缸3的檔位鎖行程執(zhí)行鎖定和解除；高速檔傳感器5、低速檔傳感器6、鎖檔傳感器7分別安裝在換擋氣缸3和鎖檔氣缸4的檔位點(diǎn)上，通過氣缸的活塞桿標(biāo)志點(diǎn)觸碰而獲取氣缸的位置信息，實(shí)時(shí)傳遞檔位信號給PLC控制器1；觸摸屏9與PLC控制器1相連接，傳遞換擋動作指令并顯示換擋情況。

本發(fā)明裝置的工作原理是，

PLC控制器1通過控制五個(gè)電磁閥的通斷來操作換擋氣缸3和鎖檔氣缸4動作，換擋氣缸3通過連桿推動換擋機(jī)構(gòu)8實(shí)現(xiàn)絞車檔位置換，同時(shí)各個(gè)傳感器反饋的檔位狀態(tài)顯示在觸摸屏9上。PLC控制器1預(yù)設(shè)了絞車自動換擋的程序，司鉆只要在觸摸屏9上點(diǎn)擊換擋按鈕，PLC控制器1即可自動完成換擋操作。

舉例，當(dāng)司鉆在觸摸屏9上點(diǎn)擊從高速檔換到低速檔時(shí)，PLC控制器1檢測各個(gè)傳感器信號正常后控制電磁閥島箱2中的相應(yīng)電磁閥動作，操作鎖檔氣缸4解鎖，延時(shí)數(shù)秒之后換擋氣缸3換位到低速位置，換擋機(jī)構(gòu)8再推動減速箱10換到低速檔。在換擋過程中，PLC控制器1檢測所有傳感器的信號反饋，與預(yù)設(shè)的程序?qū)Ρ?，確保各個(gè)氣缸及換擋機(jī)構(gòu)8動作到位，依次輸出指令，逐步完成絞車換擋。

觸摸屏9上的燈光設(shè)置及閃爍情況是，觸摸屏9上的觸摸按鈕可以設(shè)計(jì)顏色屬性，按鈕可以實(shí)現(xiàn)紅、綠、藍(lán)三種顏色變化。當(dāng)檔位在使用中時(shí)顯示綠色，當(dāng)檔位正在更換過程中時(shí)顯示藍(lán)色，換擋過程中出現(xiàn)故障則顯示紅色。

參照圖2，本發(fā)明一鍵式換擋方法，按照以下步驟實(shí)施：

a)按下盤剎急停開關(guān)，絞車電機(jī)停機(jī)，使得盤剎將絞車滾筒11的滾筒軸剎住，即在換擋之前必須先操作盤剎剎車，并且停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；

b)在觸摸屏9上點(diǎn)擊需要更換的檔位D按鈕，此處設(shè)置D為高速檔，則D’為低速檔，反之亦然；

PLC控制器1判斷盤剎已成功剎車且絞車電機(jī)已停機(jī)，則執(zhí)行步驟c)；

如果沒有剎車或者沒有停機(jī)，觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變成紅色，同時(shí)出現(xiàn)剎車故障的文字報(bào)警，提示司鉆人員剎車停機(jī)；

c)PLC控制器1檢測合格后觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變藍(lán)色，表示正在執(zhí)行換擋程序；程序延時(shí)T時(shí)間(T是延時(shí)時(shí)間，根據(jù)需要設(shè)為1-5秒，下同)后繼續(xù)執(zhí)行步驟d)；

d)PLC控制器1控制相應(yīng)的電磁閥操作鎖檔氣缸4解鎖，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器7的反饋信號，如果依然有信號，則觸摸屏9顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟e)；

e)PLC控制器1控制相應(yīng)電磁閥操作換擋氣缸3退到空檔，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)檢測高速檔傳感器5和低速檔傳感器6，采集D檔和D’檔的傳感器反饋信號，如果高速檔傳感器5和低速檔傳感器6中的一個(gè)或者兩個(gè)依然有信號反饋，則觸摸屏9顯示D檔或者D’檔故障，提示檢修，觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟f)；

f)PLC控制器1控制電磁閥操作鎖檔氣缸4掛鎖，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器7的反饋信號，如果沒有信號，則觸摸屏9顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果有信號則執(zhí)行步驟g)；

g)PLC控制器1控制電磁閥操作鎖檔氣缸4再次解鎖，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器7的信號，如果依然有信號，則觸摸屏9顯示鎖檔故障，提示檢修，觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始；如果沒有信號則執(zhí)行步驟h)；

h)PLC控制器1控制電磁閥操作換擋氣缸3掛到D檔，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)同時(shí)檢測高速檔傳感器5和低速檔傳感器6，采集D檔和D’檔的傳感器信號，如果D檔無信號或者D’檔有信號，則觸摸屏9均顯示掛檔不成功，程序啟動微擺模式轉(zhuǎn)入步驟j)；如果D檔有信號且D’檔無信號，則執(zhí)行步驟i)；

i)PLC控制器1控制電磁閥操作鎖檔氣缸4掛鎖，PLC控制器1在T時(shí)間內(nèi)檢測鎖檔傳感器7的反饋信號，如果沒有信號，觸摸屏9顯示鎖檔不成功，程序啟動微擺模式轉(zhuǎn)入步驟j)；如果有信號則在觸摸屏9上顯示檔位D按鈕為綠顏色表示換擋成功，程序結(jié)束，換擋完成；

J)微擺模式：PLC控制器1通過旁路控制啟動絞車電機(jī)并保持零速，PLC控制器1控制絞車電機(jī)帶動輸入軸微動旋轉(zhuǎn)，同時(shí)換擋氣缸3繼續(xù)執(zhí)行掛檔；PLC控制器1實(shí)時(shí)檢測所有傳感器的信號，如果D檔無反饋或者D’檔有反饋，則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行微擺；如果D檔有反饋且D’檔無反饋，則說明檔位已掛上，進(jìn)一步啟動鎖檔氣缸4鎖住檔位，檢測鎖檔傳感器7有反饋則在觸摸屏9上顯示檔位D按鈕為綠顏色表示換擋成功，程序結(jié)束、換擋完成；微擺循環(huán)設(shè)置有計(jì)時(shí)功能，如果實(shí)際循環(huán)時(shí)間T超過預(yù)設(shè)的時(shí)間t’還沒有掛檔鎖住，則微擺失敗，觸摸屏9上的檔位D按鈕顏色變成紅色，程序返回開始。