本發(fā)明主要涉及傳統(tǒng)車載修井機(jī)的半自動(dòng)控制領(lǐng)域，特別涉及應(yīng)用電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的車載修井機(jī)作業(yè)過程中的半自動(dòng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

修井機(jī)是對(duì)油田井下管柱或井體進(jìn)行維修保養(yǎng)的油田機(jī)械設(shè)備，多采用車載的方式實(shí)現(xiàn)方便作業(yè)。目前，國內(nèi)各油田使用的車載修井機(jī)工作方式落后，作業(yè)過程需要操作工人通過實(shí)時(shí)自主觀察判斷，實(shí)現(xiàn)拔管、卸管等過程的速度控制，由于主觀人為因素占主導(dǎo)地位，操控難度大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且存在一定的安全隱患。同時(shí)，剎車過程產(chǎn)生大量的能量浪費(fèi)，加速了剎車盤等零件的磨損，縮短了制動(dòng)與傳動(dòng)部件的壽命。

現(xiàn)有修井機(jī)作業(yè)系統(tǒng)控制均針對(duì)新型電動(dòng)或液壓修井機(jī)設(shè)計(jì)，而目前電動(dòng)或液壓修井機(jī)在國內(nèi)應(yīng)用程度低，大多處于實(shí)驗(yàn)階段或者小規(guī)模試用階段，未投入市場使用。同時(shí)，根據(jù)環(huán)保部發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施國家第三階段非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的公告》，從2016年4月1日起，除農(nóng)用機(jī)械之外，所有制造、進(jìn)口和銷售的非道路移動(dòng)機(jī)械必須裝用符合國三標(biāo)準(zhǔn)的柴油機(jī)，即電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的使用為傳統(tǒng)修井機(jī)作業(yè)自動(dòng)控制提供了可能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種針對(duì)應(yīng)用電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車載修井機(jī)半自動(dòng)控制系統(tǒng)，確定硬件改動(dòng)方案，制定半自動(dòng)控制策略，在盡可能小的改動(dòng)下實(shí)現(xiàn)修井機(jī)作業(yè)過程的半自動(dòng)控制。

本發(fā)明的技術(shù)方案為在傳統(tǒng)車載修井機(jī)基礎(chǔ)上，由剎車安全閥、剎車比例閥、電磁換向閥、雙向轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、控制單元和指令開關(guān)按鈕組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中，電磁換向閥負(fù)責(zé)控制離合器的結(jié)合與分離；剎車比例閥負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)剎車鉗開度，從而控制剎車盤貼合程度，即剎車力度；剎車安全閥保證系統(tǒng)正常工作，當(dāng)其處于開斷狀態(tài)時(shí)，安全鉗夾死，完全剎車，當(dāng)其處于閉合狀態(tài)時(shí)，安全鉗張開，不影響滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。雙向轉(zhuǎn)角傳感器實(shí)時(shí)測量滾筒轉(zhuǎn)角并轉(zhuǎn)換成井管位移，轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)測量滾筒轉(zhuǎn)速；同時(shí)對(duì)修井機(jī)典型作業(yè)工況進(jìn)行劃分，將作業(yè)狀態(tài)分為急停模式、定位模式、拔管模式、卸管模式、調(diào)差模式和待機(jī)模式，制定相應(yīng)控制策略，操作人員通過指令開關(guān)按鈕指定工作模式，控制系統(tǒng)自動(dòng)確定各模式下電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、剎車盤和離合器等動(dòng)力與傳動(dòng)部件的工作狀態(tài)。

在定位模式下，由于各井場作業(yè)實(shí)際情況不同，前期井架布置位置差異，操作人員對(duì)拔管位移l與卸管位移L進(jìn)行手動(dòng)設(shè)定，以此提高應(yīng)用廣泛性，同時(shí)可以在井管多次提升使得累積誤差較大后，重新定位。

在拔管模式下，考慮修井機(jī)作業(yè)過程安全性，對(duì)拔管模式下滾筒轉(zhuǎn)速ω_e進(jìn)行限定，使其不超過拔管最高轉(zhuǎn)速ω_u。當(dāng)提升井管達(dá)到減速位移l₁時(shí)，控制電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使?jié)L筒轉(zhuǎn)速迅速減至ω₀，當(dāng)井管位置達(dá)到拔管位移l時(shí)，離合器斷開，同時(shí)剎車比例閥全開，迅速剎車制動(dòng)。

在卸管模式下，同樣限定卸管最高轉(zhuǎn)速ω_d。由于卸管過程需求功率近似為零，因此電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)怠速，離合器斷開，井管依靠重力下放，采用先減速后剎車的方式，當(dāng)達(dá)到減速位移L₁時(shí)，調(diào)節(jié)剎車比例閥開度迅速減速，直到達(dá)到減速位移L時(shí)，剎車比例閥全開，迅速剎車。

在調(diào)差模式下，考慮到修井機(jī)作業(yè)時(shí)，在完成單次拔管后需將井管排放在一側(cè)空地，拔管與卸管的位移不同，因此在該模式下自動(dòng)調(diào)差，令調(diào)差位移Δ＝L-l，確保工作連續(xù)性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

1.設(shè)計(jì)基于電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)車載修井機(jī)半自動(dòng)控制系統(tǒng)，取代操作人員自主判斷作業(yè)過程，提高修井機(jī)作業(yè)自動(dòng)化程度和作業(yè)效率，降低操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)安全性。

2.整體控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)車載修井機(jī)上進(jìn)行改造，開發(fā)成本低，硬件改動(dòng)少，控制程序簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

3.通過對(duì)電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度控制，降低功率浪費(fèi)，節(jié)能減排；同時(shí)減小剎車行程與剎車時(shí)間，可延長剎車盤等零件的使用壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖；

圖2為本發(fā)明的液壓剎車原理圖；

圖3為本發(fā)明的控制模式選擇流程圖；

圖4為本發(fā)明的定位模式流程圖；

圖5為本發(fā)明的拔管模式流程圖；

圖6為本發(fā)明的卸管模式流程圖；

圖7為本發(fā)明的調(diào)差模式流程圖。

其中，1—電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)；2—分動(dòng)箱；3—傳動(dòng)系統(tǒng)；4—絞車，41—?jiǎng)x車盤，42—離合器，43—滾筒；5—雙向轉(zhuǎn)角傳感器；6—轉(zhuǎn)速傳感器；7—控制單元；8—電磁換向閥；9—?jiǎng)x車比例閥；10—?jiǎng)x車安全閥；11—工作泵；12—安全鉗；13—?jiǎng)x車鉗；14—指令開關(guān)按鈕，14A—啟停按鈕，14B—定位按鈕，14B1—拔管定位按鈕，14B2—卸管定位按鈕，14C—拔管按鈕，14D—卸管按鈕，14E—調(diào)差按鈕，14F—急停模式。

其中，為機(jī)械連接，為液壓/氣動(dòng)管路連接，---為控制線路連接。

具體實(shí)施方案

參見圖1，電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1、分動(dòng)箱2、傳動(dòng)系統(tǒng)3、絞車4和工作泵11為傳統(tǒng)修井機(jī)作業(yè)系統(tǒng)，機(jī)械連接關(guān)系不做改動(dòng)；在工作泵11與剎車盤41的連接回路中，串入剎車比例閥9和剎車安全閥10，二者并聯(lián)，通過調(diào)控剎車比例閥9實(shí)現(xiàn)剎車鉗13動(dòng)作，剎車盤41制動(dòng)；在工作泵11與離合器42的連接回路中，串入電磁換向閥8，控制離合器42的結(jié)合與斷開；雙向轉(zhuǎn)角傳感器5和轉(zhuǎn)速傳感器6用螺栓固定在絞車4上，實(shí)時(shí)測量井管位移與滾筒43的轉(zhuǎn)速，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制單元7；控制單元7對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行控制，指令開關(guān)按鈕14接受操作人員指令，劃分工作模式，并決定各設(shè)備工作狀態(tài)。

參見圖2，電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1通過分動(dòng)箱2驅(qū)動(dòng)工作泵11，為剎車裝置提供動(dòng)力，工作泵11經(jīng)剎車安全閥10與安全鉗12連接，同時(shí)經(jīng)剎車比例閥9和剎車鉗13連接。當(dāng)作業(yè)系統(tǒng)正常工作時(shí)，控制單元7使剎車安全閥10處于右位，安全鉗12張開，剎車比例閥9依據(jù)各模式狀態(tài)下要求動(dòng)作；當(dāng)作業(yè)系統(tǒng)異?；蛲Ｖ构ぷ鲿r(shí)，剎車安全閥10在彈簧力作用下恢復(fù)左位，安全閥12夾死剎車盤41，剎車比例閥9在彈簧力作用下恢復(fù)右位，剎車鉗13張開。

參見圖3，當(dāng)操作人員按下啟停按鈕14A后，作業(yè)系統(tǒng)開始工作。首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，確保系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備和控制部分無異常情況，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)異常，作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入急停模式，向控制單元7發(fā)送系統(tǒng)異常原因并停止作業(yè)；系統(tǒng)正常啟動(dòng)后，操作人員通過指令開關(guān)按鈕14向控制單元7發(fā)送指令，控制系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)模式，如在作業(yè)過程中遇到緊急情況需要停止作業(yè)，則按下急停按鈕14F，如果未收到任何指令，則進(jìn)入待機(jī)模式。

參見圖4，當(dāng)操作人員按下定位按鈕14B后，作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入定位模式。首先將控制系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清零，并將操作方式由自動(dòng)控制改為操作人員手動(dòng)控制。操作人員確定內(nèi)繃?yán)K伸直但未拔管時(shí)為初始狀態(tài)，按下拔管定位按鈕14B1后，手動(dòng)完成單根井管提升，記錄雙向轉(zhuǎn)角傳感器5的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為拔管位移l；操作人員按下卸管定位按鈕14B2后，手動(dòng)完成單根井管下放，記錄雙向轉(zhuǎn)角傳感器5的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為卸管位移L。

參見圖5，當(dāng)操作人員按下拔管按鈕14C后，作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入拔管模式。首先檢測是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，則進(jìn)入定位模式；當(dāng)已知時(shí)，給定拔管最高轉(zhuǎn)速ω_u和減速位移l₁，雙向轉(zhuǎn)角傳感器5實(shí)時(shí)測量井管位移，轉(zhuǎn)速傳感器6實(shí)時(shí)測量滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e，若未達(dá)到減速位移l₁，判斷此時(shí)滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e與拔管最高轉(zhuǎn)速ω_u大小，當(dāng)滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e小于拔管最高轉(zhuǎn)速ω_u時(shí)，繼續(xù)加速，當(dāng)其轉(zhuǎn)速ω_e不小于拔管最高轉(zhuǎn)速ω_u時(shí)，控制電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1減速，使?jié)L筒43轉(zhuǎn)速ω_e＝ω_u；若達(dá)到減速位移l₁，則令電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1迅速減速，滾筒43轉(zhuǎn)速降至ω₀，當(dāng)井管位置達(dá)到拔管位移l時(shí)，斷開離合器42，同時(shí)控制剎車比例閥9全開，工作在左位，剎車鉗13動(dòng)作，剎車盤41迅速制動(dòng)，制動(dòng)后控制單元7控制剎車比例閥9工作在中位，拔管模式結(jié)束。

參見圖5，當(dāng)操作人員按下卸管按鈕14D后，作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入卸管模式。首先檢測是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，則進(jìn)入定位模式；當(dāng)已知時(shí)，給定卸管最高轉(zhuǎn)速ω_d和減速位移L₁，令電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1處于怠速狀態(tài)，離合器42斷開，雙向轉(zhuǎn)角傳感器5實(shí)時(shí)測量井管位移，轉(zhuǎn)速傳感器6實(shí)時(shí)測量滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e。若未達(dá)到減速位移L₁，判斷此時(shí)滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e與卸管最高轉(zhuǎn)速ω_d大小，當(dāng)滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e小于卸管最高轉(zhuǎn)速ω_d時(shí)，控制剎車比例閥9工作在右位，井管繼續(xù)加速下落；當(dāng)滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e不小于拔管最高轉(zhuǎn)速ω_d時(shí)，控制剎車比例閥9工作在左位，同時(shí)調(diào)節(jié)其開度，控制剎車鉗13貼合程度，使?jié)L筒43減速至ω_d；當(dāng)滾筒43井管位移達(dá)到減速位移L₁時(shí)，控制剎車比例閥9仍工作在左位，同時(shí)增大開度，滾筒43迅速減速，直到井管位移達(dá)到卸管位移L，剎車比例閥9全開，剎車鉗13動(dòng)作，剎車盤41迅速制動(dòng)，制動(dòng)后控制單元7控制剎車比例閥9工作在中位，拔管模式結(jié)束。

參見圖6，當(dāng)操作人員按下調(diào)差按鈕14E后，作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)差模式。首先檢測是否已知拔管位移l和卸管位移L，如果未知，則進(jìn)入定位模式；當(dāng)已知時(shí)，給定調(diào)差轉(zhuǎn)速ω_f和復(fù)位位移Δ，雙向轉(zhuǎn)角傳感器5實(shí)時(shí)測量井管位移，轉(zhuǎn)速傳感器6實(shí)時(shí)測量滾筒43轉(zhuǎn)速ω_e。調(diào)控電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1轉(zhuǎn)速，使?jié)L筒43轉(zhuǎn)速ω_e等于調(diào)差轉(zhuǎn)速ω_f，當(dāng)達(dá)到調(diào)差位移Δ時(shí)，電控柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1迅速減速，斷開離合器42，控制剎車比例閥9工作在左位且全開，剎車鉗13動(dòng)作，剎車盤41迅速制動(dòng)，制動(dòng)后控制單元7控制剎車比例閥9工作在中位，復(fù)位模式結(jié)束。

本發(fā)明的連續(xù)操作過程如下：首先操作人員按下啟停按鈕14A，整體系統(tǒng)上電并自檢是否異常，如果異常則直接進(jìn)入急停模式；如果無異常則正常工作。首先操作人員按下定位按鈕14B，發(fā)送定位指令，控制系統(tǒng)進(jìn)入定位模式，設(shè)定拔管位移l和卸管位移L；設(shè)定完成后，按動(dòng)拔管按鈕14C，發(fā)送拔管指令，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成拔管過程，工人進(jìn)行井管卸扣；卸扣完成后，按動(dòng)卸管按鈕14D，發(fā)送卸管指令，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成卸管過程，工人將井管排放在一側(cè)；卸管完成后，按動(dòng)調(diào)差按鈕14E，發(fā)送調(diào)差指令，控制系統(tǒng)自動(dòng)完成調(diào)差過程。至此，修井機(jī)單個(gè)作業(yè)周期完成，不斷重復(fù)上述過程，直到修井作業(yè)全部完成。當(dāng)位移誤差逐步累積到不滿足工作要求時(shí)，操作人員按下定位按鈕14B，重新定位，保證修井工作準(zhǔn)確性。