一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统的制作方法

1.本发明属于电气控制及智能安全管理技术领域，涉及一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统。

背景技术：

2.随着机械自动化设备的应用日益成熟，新型钻机和修井机中配置了大量自动化设备，钻台区的自动化设备主要包括铁钻工、钻台机械手、泥浆收集盒、缓冲机械手、鹰爪机以及常规游吊设备。上述设备全部由两名司钻人员以及部分钻台面人员远程操控，实现了减轻劳动强度、改善工作环境的基本目标，但同时也出现了新的问题，即设备间交叉作业过程中的意外碰撞问题。
3.针对上述问题目前依靠操作人员观察的方式实现防碰，或仅部分设备之间具有防碰功能。针对多厂商配套的自动化设备暂无系统级防碰保护，存在较大的安全风险。因此，目前还没有一种适用于钻机和修井机钻台面低位区域智能安全管理系统。

技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，解决现有钻机和修井机在钻台面低位区域配套的多种不同厂家自动化设备之间、及其与常规游吊系统之间无系统级防碰保护措施的问题。
5.本发明所采用的技术方案是，一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，包括井口和钻台面，钻台面上绕井口分别设置有钻台机械手、铁钻工、缓冲机械手、泥浆盒，井口上方设置防碰区，防碰区内设置智能安全管理系统，系统包括低位防碰管理系统，低位防碰管理系统包括dc电源、plc控制器和网关，网关互联有人机界面；
6.网关通过以太网还分别互联有铁钻工控制单元、钻台机械手控制单元、泥浆盒控制单元、缓冲机械手控制单元。
7.本发明的特点还在于：
8.其中井口上方绕井口中心线延伸一个三维空间区域即低位防碰区；
9.其中铁钻工控制单元连接有铁钻工位移传感器、铁钻工角度传感器、铁钻工升降传感器，铁钻工位移传感器、铁钻工角度传感器、铁钻工升降传感器均靠近铁钻工设置；
10.其中钻台机械手控制单元连接有钻台机械手位移传感器和钻台机械手角度传感器，钻台机械手位移传感器和钻台机械手角度传感器靠近钻台机械手设置；
11.其中泥浆盒控制单元连接有泥浆盒伸缩传感器和泥浆盒角度传感器，泥浆盒伸缩传感器和泥浆盒角度传感器连接泥浆盒；
12.其中缓冲机械手控制单元连接有缓冲机械手位移传感器，缓冲机械手位移传感器连接缓冲机械手；
13.其中网关通过并行或串行总线互联有人机界面，网关用于与现场设备连接的总线协议转换、数据汇总、网络数据传输管理；低位防碰管理系统的功能区具体包括控制程序运
行、各设备实时数据处理、设定参数处理和程序运算结果对外发送。
14.本发明的有益效果是：
15.本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统实现了钻机和修井机在钻台面低位安装设备之间的防碰；实现钻台面低位安装设备与常规游吊系统之间防碰保护措施；同时可兼容任意厂家配套的设备；每个防碰空间的边界值可根据实际工况调整
附图说明
16.图1是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统中钻台低位区安装设备的现场布局示意图；
17.图2是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统中针对钻台低位防碰区的规划示意图；
18.图3是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统的控制架构框图；
19.图4是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统中采用的空间位置解算原理示意图；
20.图5是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统中控制过程中安全位置与速度控制曲线图；
21.图6是本发明的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统中人机界面实施例采用的控制面板的布局示意图。
22.图中，1.钻台面，2.井口，3.铁钻工，4.钻台机械手，5.泥浆盒，6.缓冲机械手，7.井口中心线，8.低位防碰区，9.人机界面，10.低位防碰管理系统，11.参数设置区，12.状态显示区，13.dc电源，114.plc控制器，15.网关，16.铁钻工控制单元，17.钻台机械手控制单元，18.泥浆盒控制单元，19.缓冲机械手控制单元，20.控制面板，21.铁钻工防碰开关，22.钻台机械手防碰开关，23.泥浆盒防碰开关，24.缓冲手防碰开关，25.铁钻工防碰指示灯，26.钻台机械手防碰指示灯，27.泥浆盒防碰指示灯，28.缓冲手防碰指示灯。
具体实施方式
23.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.如图1所示，为现有钻机和修井机钻台面自动化设备的现场安装布局，图1中箭头所指的“前”和“后”是指常规钻机和修井机的前向和后向。在钻台面1上，围绕井口2分别设置有钻台机械手3、铁钻工4、缓冲机械手5、泥浆盒6(该四组设备又合称为自动化设备)；在钻台面1的低位区域设备碰撞风险主要来自于井口区域的自动化设备交叉作业；游吊系统沿井口中心线7下降至接近钻台井口区域时与钻台面上述自动化设备的碰撞风险；针对上述碰撞风险，亟需一种钻台面低位区域智能安全管理系统进行自动化设备运动轨迹安全管理，彻底规避碰撞风险。
25.如图2所示，基于上述碰撞风险按空间区域进行划分，构建本发明的钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，即为本发明的低位防碰区规划，图2中箭头所指“前”与“后”分别表示钻台面1的前向和后向，在钻台面1之上划出低位防碰区8，即在井口2的上方围绕井口中心线7向外延伸一个三维空间区域，该三维空间区域称为低位防碰区8，ld表示低位防碰区8的长度，lw表示低位防碰区8的宽度，lh表示低位防碰区8的高度。
26.本发明提供了一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，如图3所示，本发明系统的结构是，包括以低位防碰管理系统10为核心，低位防碰管理系统10的内部包括24v的dc电源13、plc控制器14和网关15，低位防碰管理系统10中的网关15与人机界面9通过并行或串行总线互联；低位防碰管理系统10的功能是三维空间区域中控制程序运行、各设备实时数据处理、设定参数处理、程序运算结果对外发送；网关15的功能是与现场设备连接的总线协议转换、数据汇总、网络数据传输管理；人机界面9的功能是用于显示各设备的当前状态、提示消息以及发送操作指令、设定参数；
27.其中，图3中1s1表示铁钻工位移传感器，1s2表示铁钻工角度传感器，1s3表示铁钻工升降传感器；2s1表示钻台机械手位移传感器，2s2表示钻台机械手角度传感器；3s1表示泥浆盒伸缩传感器，3s2表示泥浆盒角度传感器；4s1表示缓冲机械手位移传感器；
28.dc电源13通过两根供电线缆与plc控制器14和网关15供电端连接，plc控制器14与网关15之间采用以太网电缆连接；
29.低位防碰管理系统10的网关15还分别与铁钻工控制单元(irc)16、钻台机械手控制单元(lac)17、泥浆盒控制单元(mbc)18、缓冲机械手控制单元(bac)19通过以太网电缆互联；
30.铁钻工控制单元16同时连接有铁钻工位移传感器1s1、铁钻工角度传感器1s2、铁钻工升降传感器1s3，铁钻工控制单元16通过该三个传感器(1s1/1s2/1s3)数据计算铁钻工3的姿态和空间位置；
31.钻台机械手控制单元17同时连接有钻台机械手位移传感器2s1和钻台机械手角度传感器2s2，钻台机械手控制单元17通过该两个传感器(2s1/2s2)数据计算钻台机械手4的姿态和空间位置；
32.泥浆盒控制单元18连接有泥浆盒伸缩传感器3s1和泥浆盒角度传感器3s2，泥浆盒控制单元18通过该两个传感器(3s1/3s2)数据计算泥浆盒5的姿态和空间位置；
33.缓冲机械手控制单元19连接有缓冲机械手位移传感器4s1，缓冲机械手控制单元19通过该传感器4s1数据计算缓冲机械手6的当前位置；
34.铁钻工控制单元16、钻台机械手控制单元17、泥浆盒控制单元18、缓冲机械手控制单元19分别将各自设备状态通过通讯线路输入网关15，由网关15发送至plc控制器14，低位防碰管理系统10进行系统级防碰管理的数据运算，并将计算结果发送至上位机的人机界面9，用于向操作人员发出提示，同时将操作指令发送至相关设备的控制单元，用于危险情况立即停止相应设备的动作，规避危险；
35.各个传感器根据功能相应的选用位移传感器、旋转编码器、接近式传感器、触碰式传感器、波反射/对射式传感器、图像识别传感器中的一种型式，每个传感器与所属控制单元之间的信号传输方式选用有线/无线总线型式、电压/电流信号型式、二进制编码或正余弦波之一；
36.该低位防碰管理系统10的控制方式主要针对以下两种工况：一)第一种工况，针对两个运动设备均位于设定的低位防碰区8之外的工况，该低位防碰管理系统10实时读取两个运动设备的当前坐标值，确保在设定的最小相对位置时两者速度均为0；二)第二种工况，针对一个设备位于低位防碰区8内，同时另一个设备接近低位防碰区8运动的工况，该低位防碰管理系统10实时读取运动设备的坐标值，当该坐标的任一方向(x、y或z)接近于低位防
碰区8边界值时，低位防碰管理系统10设有两种减速斜坡曲线(作为参照线)，确保运动设备不得超越该两种减速斜坡曲线，确保在设定的安全距离之前运动部件的速度为0。
37.以下分别具体描述：
38.一)、第一种工况的安全机制是，参照图4，针对铁钻工3、钻台机械手4、泥浆盒5和缓冲手6均处于低位防碰区8之外的工况。图4中所示坐标为低位防碰管理系统10的唯一参考坐标，图4中箭头所指“前”和“后”分别为钻台面1前向和后向，井口2的井口中心线7(即图中wc处)作为低位防碰管理系统10的坐标原点，x轴与管柱排列的行平行，以图4的左侧为正向、以图4的右侧为负向；y轴与管柱排列的列平行，以图4的前为正向，以图4的后为负向，z轴即井口2的井口中心线7，向上为正向；
39.以铁钻工3和钻台机械手4为例对低位防碰管理系统10原理进行说明：铁钻工3的当前位置通过irc以总线型式发送至网关，网关将数据转换排序后发送至plc控制器14，在plc控制器14内部根据1s1、1s2和1s3的位置数据转换为坐标a(xa,ya,za)，钻台机械手4的当前位置以同样的方式转换为坐标b(xb,yb,zb)；在plc控制器14的控制程序中将坐标a和坐标b之间的距离计算为d
ab
，即铁钻工3与钻台机械手4之间的最小距离。当计算出的d
ab
小于设定值时向可能存在碰撞风险的移动设备发送相应的指令，该指令由plc控制器14通过网关15处理后发送至irc和lac，由irc或lac根据该指令自行判断所需执行的动作，铁钻工3由irc内的程序控制，钻台机械手4由lac内的程序控制。
40.如图5所示，是低位防碰区8之外的设备在减速和强制停止时的运动曲线，t表示设备运动时间；d1表示两防碰设备之间的减速距离；d2表示两防碰设备之间的强制停机距离；d
ab
表示两防碰设备之间的当前直线距离；
41.1)当d
ab
》d1时，设备自由运动，速度由各设备的操作者控制；
42.2)当d1≥d
ab
》d2时，为设备碰撞前的缓冲区域，plc控制器14向正在运动中的设备发送强制减速控制指令，此时该设备的运动速度不可高于预先设定的最大速度，在该区域内，各个irc、lac、mbc、bac中程序处理方式如下：若设备的运动速度低于预设限定速度则以实际速度运动；若设备的运动速度高于预设限定速度则以该限定值运动，同时随着d
ab
的减小该限定速度值也会随之减小。当d
ab
≤d2时plc控制器14将向运动设备控制单元发送强制停止指令。
43.低位防碰管理系统10能够实时计算该三维空间区域内涉及的所有设备的位置关系，任意两个或多个设备被监测到存在碰撞风险时都会受该速度和位置调整曲线的控制，保证所有交叉作业的设备之间的操作安全。
44.二)、其中一个设备已经位于低位防碰区8之内，同时另一个设备向该低位防碰区8运动时，本发明装置将采用第二种工况的安全机制。
45.当plc控制器14检测到低位防碰区8内已有一个设备时，为确保该设备安全，低位防碰管理系统10会标记相应防碰区域边界的8个坐标位置(总共24个边界坐标值)，当运动设备向接近低位防碰区8的方向移动时，该运动设备的控制单元通过通讯总线实时向网关15发送位置信息，plc控制器14通过网关15读取该运动设备在x、y、z三个方向的坐标值，并实时与人机界面9设定的防碰边界的坐标值进行比较；当发现任意一个或多个运动设备的任一坐标值接近边界坐标值时，低位防碰管理系统10会按照该安全管理机制对运动设备的控制单元发送运动速度限制值甚至强制停止的指令，确保低位防碰区8内的设备的通道畅
通。
46.如图6所示，是本发明系统中的人机界面9的布局示意图，分为参数设置区11和状态显示区12两个区域，
47.其中，参数设置区11包含四个设置开关，即铁钻工防碰开关21、钻台机械手防碰开关22、泥浆盒防碰开关23、缓冲手防碰开关24，当开关位于“开”位置时表示本设备与其它设备的防碰功能有效，当开关位于“关”位置时表示本设备与其它设备的防碰功能无效；
48.状态显示区12包含四个指示灯，即铁钻工防碰指示灯25、钻台机械手防碰指示灯26、泥浆盒防碰指示灯27、缓冲手防碰指示灯28，指示灯状态为“亮”表示当前设备与其它设备防碰，指示灯状态为“灭”表示当前设备与其它设备未防碰。
49.本发明的智能安全管理系统，避免了多个设备交叉作业过程中出现的碰撞风险，无需操作人员直接干预，自动判断规划区域内可能出现的所有碰撞风险，解决了自动化钻机无法实现多设备、多位置系统级防碰撞管控的问题，同时实现了按相对位置的分区防碰管理机制、人机界面动态消息提示功能、防碰区域主动管理功能、防碰设备按需规划功能等。

技术特征：

1.一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，包括井口(2)和钻台面(1)，钻台面(1)上绕井口(2)分别设置有钻台机械手(3)、铁钻工(4)、缓冲机械手(5)、泥浆盒(6)，其特征在于，井口(2)上方设置防碰区，防碰区内设置智能安全管理系统，所述系统包括低位防碰管理系统(10)，低位防碰管理系统(10)包括dc电源(13)、plc控制器(14)和网关(15)，网关(15)互联有人机界面(9)；网关(15)通过以太网还分别互联有铁钻工控制单元(16)、钻台机械手控制单元(17)、泥浆盒控制单元(18)、缓冲机械手控制单元(19)。2.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述井口(2)上方绕井口中心线(7)延伸一个三维空间区域即低位防碰区。3.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述铁钻工控制单元(16)连接有铁钻工位移传感器、铁钻工角度传感器、铁钻工升降传感器，铁钻工位移传感器、铁钻工角度传感器、铁钻工升降传感器均靠近铁钻工(4)设置。4.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述钻台机械手控制单元(17)连接有钻台机械手位移传感器和钻台机械手角度传感器，钻台机械手位移传感器和钻台机械手角度传感器靠近钻台机械手(3)设置。5.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述泥浆盒控制单元(18)连接有泥浆盒伸缩传感器和泥浆盒角度传感器，泥浆盒伸缩传感器和泥浆盒角度传感器连接泥浆盒(6)。6.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述缓冲机械手控制单元(19)连接有缓冲机械手位移传感器，缓冲机械手位移传感器连接缓冲机械手(5)。7.根据权利要求1所述的一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，其特征在于，所述网关(15)通过并行或串行总线互联有人机界面(9)，网关(15)用于与现场设备连接的总线协议转换、数据汇总、网络数据传输管理；低位防碰管理系统(10)的功能区具体包括控制程序运行、各设备实时数据处理、设定参数处理和程序运算结果对外发送。

技术总结

本发明公开了一种钻机和修井机低位区域智能安全管理系统，包括低位防碰管理系统，低位防碰管理系统的内部包括DC电源、PLC控制器和网关，低位防碰管理系统中的网关与人机界面通过并行或串行总线互联；低位防碰管理系统的网关还分别与铁钻工控制单元、钻台机械手控制单元、泥浆盒控制单元、缓冲机械手控制单元通过以太网电缆互联。本发明的系统很好的实现了自动化钻机和修井机在钻台面低位安装设备之间的防碰保护。间的防碰保护。间的防碰保护。