一種石油鉆機雙檔絞車電子差速控制系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種石油鉆機雙檔位絞車的控制系統(tǒng)及其控制方法。其中，控制系統(tǒng)包括電機輸入軸，第一增量式編碼器，滾筒，第二增量式編碼器，絞車換擋開關、換擋開關輔助觸點，邏輯控制單元，以及設置在邏輯控制單元內(nèi)的計數(shù)器模塊和CPU模塊，其中，計數(shù)器模塊運算和分析第一增量式編碼器和第二增量式編碼器輸出的轉速信息，CPU模塊處理和運算輔助觸點輸出的開關信號；液壓盤剎系統(tǒng)，圖像顯示屏，本發(fā)明的有益效果是：通過顯示屏可以有效判斷出操作人員肉眼無法判斷出的絞車內(nèi)部發(fā)生的打滑、壓力不足等傳動系統(tǒng)故障，并能及時采取限制措施預防事故發(fā)生，整體結構體積小，便于安裝，閉環(huán)控制，可靠性高。
【專利說明】一種石油鉆機雙檔絞車電子差速控制系統(tǒng)及控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及到一種石油鉆機雙檔位絞車的控制系統(tǒng)，尤其涉及到一種石油鉆機雙檔位絞車差速控制系統(tǒng)，以及通過差速控制系統(tǒng)控制絞車轉速和防止故障的控制方法。

【背景技術】
[0002]在石油鉆井領域，絞車是鉆機核心部件，其性能的優(yōu)劣直接關系到整臺鉆機的使用效果，是保證石油鉆機滿足鉆井工藝要求、實現(xiàn)快速鉆采、獲得良好經(jīng)濟效益的極為重要的關鍵性因素之一。鉆井絞車一般由動力、變速機構、滾筒、離合器、剎車等部件組成。絞車在鉆井過程中具有起下鉆具、下套管、控制鉆進過程鉆壓和整體起立井架等功用，它工作特點是操作使用頻繁，變速范圍寬、載荷變化大。由于許多無法避免的因素的影響有時絞車傳動設備會出現(xiàn)打滑等各種故障使?jié)L筒速度與電機速度比發(fā)生偏差以致降低其預定的功能甚至造成嚴重的災難性事故而造成巨大的經(jīng)濟損失。因此保證設備的安全運行，預防、消除事故是十分迫切。電子差速控制系統(tǒng)在保證設備的安全可靠運行以及獲取很大的經(jīng)濟效益和社會效益上其意義是十分明顯的。
[0003]中國專利號CN201310510072.6公開了一種高效智能安全石油鉆井絞車系統(tǒng)及其控制方法，該方法通過PLC、渦流剎車，高度系統(tǒng)是否正常來達到控制絞車系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了一種絞車系統(tǒng)的控制方法，但本專利技術沒有公開差速系統(tǒng)的控制方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術中絞車傳動設備出現(xiàn)打滑事故使?jié)L筒速度與電機速度比發(fā)生偏差以致降低石油鉆機的功能或使鉆機發(fā)生故障的技術缺陷。
[0005]為了解決上述的技術問題，本發(fā)明要解決的問題是提供一種雙檔絞車石油鉆機電子差速控制系統(tǒng)，及利用所述差速控制系統(tǒng)控制絞車轉速和防止故障的控制方法，其中，電子差速控制系統(tǒng)包括:
電機，電機輸入軸，安裝在電機輸入軸上的第一增量式編碼器，其中，第一增量式編碼器用于采集電機輸入軸上的轉速信息V1;
滾筒，安裝在滾筒上的第二增量式編碼器，其中，第二增量式編碼器用于采集滾筒上的轉速信息V2;
絞車換擋開關，其中，絞車換擋開關用于改變絞車的檔位；
輔助觸點，其中，輔助觸點設置在絞車換擋開關處，所述輔助觸點輸出換擋開關信號；邏輯控制單元，其中，邏輯控制單元為絞車中央處理控制系統(tǒng)，所述邏輯控制單元內(nèi)設有計數(shù)器模塊，所述計數(shù)器模塊用于運算第一增量式編碼器和第二增量式編碼器輸出的轉速信息(Vp V2);所述邏輯控制單元內(nèi)設有CPU模塊，所述CPU模塊用于處理和運算輔助觸點輸出的開關信號；
液壓盤剎系統(tǒng)，液壓盤剎系統(tǒng)用于控制絞車的運轉；
圖像顯示屏，所述圖像顯示屏用于顯示絞車的運轉狀態(tài)。
[0006]本發(fā)明還實施另一種優(yōu)選的技術方案，其中，選用的計數(shù)器模塊為西門子FM350計數(shù)器。
[0007]本發(fā)明還實施另一種優(yōu)選的技術方案，其中，開關信號通過CPU模塊數(shù)字量輸入端口輸入到CPU模塊。
[0008]本發(fā)明的檔位分為低速檔和高速檔，其中，低速檔的傳動比η設定值為9.667.高速檔的傳動比η設定值為4.862。
[0009]本發(fā)明還提供一種石油鉆機雙檔絞車差速控制方法，其中，所述控制方法包含的步驟有:
a、第一增量式編碼器采集電機輸入軸上的轉速信息V1，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
b、第二增量式編碼器采集滾筒上的轉速信息\，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
c、CPU模塊讀取輔助觸點給出的換擋開關信號，通過所述換擋開關信號判斷絞車處于高速檔或低速檔狀態(tài)，然后通過CPU模塊計算出絞車處于高速檔或低速檔的傳動比η。
[0010]d、CPU模塊對轉速信息V1,轉速信息V2,傳動比η進行運算，若:
I)、電機輸入軸轉速Vl除以滾筒轉速V2的取值范圍為Jn1JKn-OJiiVl/η +0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉正常，并輸出到圖像顯示屏，顯示絞車運轉正常；
II)、電機輸入軸轉速Vl除以滾筒轉速V2的取值大于【η + 0.3】(V1/ V2 > η + 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)，通過液壓盤剎系統(tǒng)進行剎車，然后進行停機。
[0011]III)、電機輸入軸轉速Vl除以滾筒轉速V2的取值小于【n-0.3】(VI/ V2 < η—0.3),則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)，通過液壓盤剎系統(tǒng)進行剎車，然后進行停機。
[0012]本發(fā)明還實施另一種優(yōu)選的技術方案，當判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，停機后，維修人員對絞車進行維修。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:通過顯示屏可以有效判斷出操作人員肉眼無法判斷出的絞車內(nèi)部發(fā)生的打滑、壓力不足等傳動系統(tǒng)故障，并能及時采取限制措施預防事故發(fā)生，整體結構體積小，便于安裝，閉環(huán)控制，可靠性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是電子差速系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖。
[0015]圖2是絞車編碼器安裝位置結構示意圖。
[0016]圖3是差速控制系統(tǒng)故障報警畫面(正常)。
[0017]圖4是差速控制系統(tǒng)故障報警畫面(故障)。
[0018]圖5是差速控制系統(tǒng)流程圖。
[0019]在圖中，1-可編程邏輯控制器；(2、2’ )-電機；3_液壓盤剎系統(tǒng)；4_換擋開關；4’ -輔助觸點；(5、5’)-編碼器；7_顯示屏；(12、12’)-第一增量式編碼器；(13，13’)-第一增量式編碼器。

【具體實施方式】
[0020]為了更清楚的敘述本發(fā)明的實施例，下面結合附圖對本發(fā)明做進一步的說明。
[0021]圖1為本發(fā)明的結構示意圖，參照圖1所示，通過第一增量式編碼器(5，5’)采集到的電機輸入軸(12，12’ )轉速信息V1發(fā)送給邏輯控制單元(PLC) 1，通過第二增量式編碼器(5，5’)采集到的滾筒(6，6’)轉速信息V2發(fā)送給邏輯控制單元(PLC)l，電機可以通過邏輯控制單元(PLC)I進行控制，邏輯控制單元(PLC)I與顯示屏7連接，通過顯示屏7顯示鉆機的運轉/非正常運轉狀態(tài)。邏輯控制單元(PLC) I通過發(fā)送指令信息給剎車系統(tǒng)3，通過剎車系統(tǒng)3促使絞車停止運動，其中，剎車系統(tǒng)3為盤剎系統(tǒng)3。換擋開關4上設有輔助觸點4’，通過輔助觸點4’反饋的信息給邏輯控制單元(PLC)l，判斷絞車處于高速運轉狀態(tài)還是低速運轉狀態(tài)。
[0022]圖2為絞車編碼器安裝位置結構示意圖，參照圖2所示，在絞車電機輸入軸(12，12’)上安裝第一增量式編碼器(5，5’)，通過第一增量式編碼器(5，5’)檢測和采集電機輸入軸(12，12’)的轉速信息V1,絞車電機(2，2’)用于帶動電機輸入軸(12，12’)和滾筒(6，6’)旋轉，第一增量式編碼器(5，5’)把采集到的電機輸入軸(12，12’)轉速信息V1輸入邏輯控制單元(PLC)l，并通過邏輯控制單元I運算和進行數(shù)據(jù)分析。在滾筒出，6’)上安裝有第二增量式編碼器(13，13’)，通過第二增量式編碼器(13，13’)檢測和采集滾筒(6，6’)的轉速信息V2，第二增量式編碼器(13，13’)把采集到的滾筒(6，6’)轉速信息％輸入到邏輯控制單元(PLC)，并通過邏輯控制單元I進行運算和數(shù)據(jù)分析。在換擋開關4上還設有輔助觸點4’，輔助觸點4’采集換擋開關4信息，換擋開關4信息通過輔助觸點4’發(fā)送給邏輯控制單元(PLC)，并通過邏輯控制單元I判斷換擋開關4是處于高速檔位還是處于低速檔位。
[0023]邏輯控制單元(PLC) I包括CPU模塊和計數(shù)器模塊，其中，第一增量式編碼器(5，5’)把采集到的電機輸入軸(12，12’ )轉速信息V1和第二增量式編碼器(13，13’)把采集到的滾筒出，6’)轉速信息％輸入計數(shù)器模塊，在本發(fā)明中，計數(shù)器模塊優(yōu)先選擇西門子FM350計數(shù)器模塊，通過西門子FM350計數(shù)器模塊對電機輸入軸(2，2’)轉速信息V1和滾筒(6，6’)轉速信息V2進行數(shù)字信號處理，開關信號輸入到CPU模塊，通過CPU模塊對開關信息進行處理，并判斷絞車是處于高速檔還是處于低速檔，再根據(jù)開關信號傳遞出的高速檔位或低速檔位計算出它的傳動比n，在本發(fā)明中，高速檔的優(yōu)先選擇傳動比選擇值為4.862，低速檔的傳動比為9.667。
[0024]圖2還涉及到編碼器的安裝位置圖，如圖2所示，在第一電機2和第二電機2’的輸入軸(12，12’ )的后端均安裝有第一增量式編碼器(5，5’)，通過第一增量式編碼器(5，5’ )采集電機輸入軸(2，2’ )的轉速信息\在滾筒(6，6’ )的末端安裝有第二增量式編碼器(13，13’)，通過第二增量式編碼器(13，13’)采集滾筒(6，6’ )的轉速信息V2。
[0025]本發(fā)明控制方法的原理是，當絞車處于高速檔位時，其工作步驟為:
a、第一增量式編碼器采集電機輸入軸上的轉速信息V1，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
b、第二增量式編碼器采集滾筒上的轉速信息\，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
c、CPU模塊讀取輔助觸點給出的高速檔位的換擋開關信號，通過所述高速檔位的換擋開關信號判斷絞車處于高速檔狀態(tài)，然后通過CPU模塊計算出絞車處于高速檔或低速檔的傳動比η ；
d、CPU模塊對轉速信息V1,轉速信息V2，傳動比η進行運算，若電機輸入軸轉速VJ*以滾筒轉速V2的取值范圍為:
檔位開關4指示的輔助觸點4’在高速檔位時，傳動比η的取值范圍為【4.862±0.3】(η - 0.3 ^ Vl/ V2 ^ η + 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉正常，并輸出到圖像顯示屏，顯示絞車運轉正常；液壓盤剎系統(tǒng)不啟動。
[0026]當傳動比η的取值范圍不在【4.862±0.3】(η — 0.3彡Vl/ V2彡η + 0.3)范圍時，則CPU模塊判斷絞車非正常運轉，邏輯控制單元I啟動報警系統(tǒng)，并發(fā)送指示信息給液壓盤剎系統(tǒng)3，啟動盤剎系統(tǒng)3，絞車停車，維修人員檢修。
[0027]當絞車處于低速檔位時，其工作步驟為:
a、第一增量式編碼器采集電機輸入軸上的轉速信息V1，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
b、第二增量式編碼器采集滾筒上的轉速信息\，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊；
c、CPU模塊讀取輔助觸點給出的高速檔位的換擋開關信號，通過所述高速檔位的換擋開關信號判斷絞車處于高速檔狀態(tài)，然后通過CPU模塊計算出絞車處于高速檔或低速檔的傳動比η ；
d、CPU模塊對轉速信息V1,轉速信息V2，傳動比η進行運算，若電機輸入軸轉速VJ*以滾筒轉速V2的取值范圍為:
檔位開關4指示的輔助觸點4’在低速檔位時，傳動比η的取值范圍為【9.667±0.3】(η - 0.3 ^ Vl/ V2 ^ η + 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉正常，并輸出到圖像顯示屏，顯示絞車運轉正常；液壓盤剎系統(tǒng)不啟動。
[0028]當傳動比η的取值范圍不在【9.667±0.3】(η — 0.3彡Vl/ V2彡η + 0.3)范圍時，則CPU模塊判斷絞車非正常運轉，邏輯控制單元I啟動報警系統(tǒng)，并發(fā)送指示信息給液壓盤剎系統(tǒng)3，啟動盤剎系統(tǒng)3，絞車停車，維修人員檢修。
[0029]參照圖3所示，圖3為差速控制系統(tǒng)故障正常運轉畫面示意圖，當絞車低速檔位運轉時，當差速控制系統(tǒng)處于正常時，即滾筒(6，6’ )的轉速與電機(2，2’ )轉速的差距取值范圍為【η±0.3】時(η=9.667)，絞車的CPU模塊判斷絞車處于運轉正常狀態(tài)。
[0030]當絞車高速檔位運轉時，當差速控制系統(tǒng)處于正常時，即滾筒(6，6’ )的轉速與電機(2，2’)轉速的差距取值范圍為【η ± 0.3】時(η=4.862 )，絞車的CPU模塊判斷絞車處于運轉正常狀態(tài)。
[0031]參照圖4所示，圖4為差速控制系統(tǒng)故障報警畫面示意圖，絞車在高檔位運轉過程中，，當差速控制系統(tǒng)處于故障時，即滾筒(6，6’ )的轉速與電機轉速的差距大于或小于【η±0.3】(η=4.862)，若電機輸入軸轉速V1除以滾筒轉速V2的取值大于(η+ 0.3) (VI/V2 > η + 0.3) (η=4.862)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)3，通過液壓盤剎系統(tǒng)3進行剎車，然后進行停機；若電機輸入軸轉速V1除以滾筒轉速V2的取值小于[η - 0.3] (Vl/ V2 < η — 0.3) (η=4.862)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)，通過液壓盤剎系統(tǒng)進行剎車，然后進行停機。當判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，停機后，維修人員對絞車進行維修。
[0032]絞車在低檔位運轉過程中，當差速控制系統(tǒng)處于故障時，即滾筒(6，6’ )的轉速與電機轉速的差距大于或小于【n±0.3】(n=9.667)，若電機輸入軸轉速Vj*以滾筒轉速V 2的取值大于(n+ 0.3) (Vl/ V2 > η + 0.3) (η=9.667)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)3，通過液壓盤剎系統(tǒng)3進行剎車，然后進行停機；若電機輸入軸轉速V1除以滾筒轉速V 2的取值小于[η - 0.3] (Vl/ V2 < η — 0.3)(η=9.667)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)3，通過液壓盤剎系統(tǒng)3進行剎車，然后進行停機。停機后，維修人員對絞車進行維修。
[0033]圖5是差速控制系統(tǒng)流程圖，參照圖5所示，啟動電機2，通過邏輯控制單元I判斷鉆機是處于高速檔還是低速檔，通過第一增量式編碼器(5，5’)采集電機輸入軸轉速V1，通過第二增量式編碼器(13，13’ )采集電機輸入軸轉速V2，再通過邏輯控制單元I計算Ii=V1/V2，如果判斷鉆機處于高速檔時，則電機輸入軸(12，12’)轉速VJ*以滾筒(6，6’)轉速乂2的取值范圍為在【4.362 ( H=V1A2^ 5.162】時，邏輯控制單元I判斷鉆機處于一個正常運轉狀態(tài)，如果判斷鉆機中電機輸入軸((12，12’)轉速VJ*以滾筒(6，6’)轉速V 2的取值范圍不在【4.362 ( H=V1A2^ 5.162】時，邏輯控制單元I判斷鉆機處于一個非正常運轉狀態(tài)，邏輯控制單元I給鉆機發(fā)出停止運轉信號，促使鉆機停止運轉，維修人員進行檢修。如果判斷鉆機處低速檔時，則電機輸入軸(12，12’)轉速VJ*以滾筒(6，6’)轉速V2的取值范圍為在【9.367 ( H=V1A2^ 9.967】時，邏輯控制單元I判斷鉆機處于一個正常運轉狀態(tài)，如果判斷鉆機中電機輸入軸(12，12’)轉速VJ*以滾筒(6，6’)轉速V 2的取值范圍不在【9.367 ( H=V1A2^ 9.967】時，邏輯控制單元I判斷鉆機處于一個非正常運轉狀態(tài)，邏輯控制單元I給盤剎剎車系統(tǒng)3發(fā)出停剎車指示信息，電機(2，2’ )停止運轉，維修人員進行檢修。
[0034]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的實施方式，其描述較為詳細，只要本領域的技術人員在查看到本發(fā)明的實施例后，不脫離本發(fā)明構思的前提下，所做的改變都屬于本發(fā)明的保護范圍。但本文所述的實施例不能理解為對本發(fā)明的保護范圍限制。
【權利要求】
1.一種石油鉆機雙檔絞車差速電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述電子控制系統(tǒng)包括: 電機(2，2’)、電機輸入軸(12，12’)，安裝在電機輸入軸(12，12’)上的第一增量式編碼器(5，5’)，所述第一增量式編碼器(5，5’)用于采集電機輸入軸(12，12’)上的轉速信息V1; 滾筒(6、6’)，安裝在滾筒上的第二增量式編碼器(13，13’)，所述第二增量式編碼器(13，13’)用于采集滾筒(6、6’ )上的轉速信息 絞車換擋開關(4)，所述絞車換擋開關(4)用于改變絞車的檔位； 輔助觸點(4’)，所述輔助觸點(4’)設置在絞車換擋開關處(4)，所述輔助觸點(4’)輸出換擋開關信號； 邏輯控制單元(1)，所述邏輯控制單元(1)為絞車中央處理控制系統(tǒng)，所述邏輯控制單元(1)內(nèi)設有計數(shù)器模塊，所述計數(shù)器模塊用于運算和分析第一增量式編碼器(5，5’)和第二增量式編碼器(6，6’)輸出的轉速信息('、ν2);所述邏輯控制單元(1)內(nèi)設有CPU模塊，所述CPU模塊用于處理和運算輔助觸點輸出的開關信號； 液壓盤剎系統(tǒng)(3)，所述液壓盤剎系統(tǒng)(3)用于控制絞車的運轉； 圖像顯示屏(6)，所述圖像顯示屏(6)用于顯示絞車的運轉狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙檔絞車差速電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述計數(shù)器模塊為西門子FM350計數(shù)器。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙檔絞車差速電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述開關信號通過CPU模塊數(shù)字量輸入端口輸入到CPU模塊。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙檔絞車差速電子控制系統(tǒng)，其特征在于，所述絞車換擋開關(4)中的檔位分為低速檔和高速檔兩個檔位。
5.一種石油鉆機雙檔絞車差速控制方法，其特征在于，所述控制方法包含的步驟有: a、第一增量式編碼器(5，5’)采集電機輸入軸(2，2’ )上的轉速信息％，并把所述轉速信息％輸入到計數(shù)器模塊； b、第二增量式編碼器(13，13’)采集滾筒上的轉速信息％，并把所述轉速信息V2輸入到計數(shù)器模塊； c、CPU模塊讀取輔助觸點(4’)給出的換擋開關信號，通過所述換擋開關信號判斷絞車處于高速檔或低速檔狀態(tài)，然后通過CPU模塊從寄存器對應地址取出傳動比η:所述高速檔傳動比η值為4.862，所述低速檔傳動比η值為9.667 ； d、CPU模塊對轉速信息N”轉速信息V2，傳動比η進行運算，若: I)、電機輸入軸轉速VI除以滾筒轉速V2的取值范圍為: 【n±0.3】(η — 0.3彡VI/ V2i； η + 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉正常，并輸出到圖像顯示屏，顯示絞車運轉正常； II)、電機輸入軸(12，12’)轉速VI除以滾筒(6，6’)轉速V2的取值大于【η + 0.3](V1/V2> η + 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)(3)，通過液壓盤剎系統(tǒng)(3)進行剎車，然后進行停機； III)、電機輸入軸轉速VI除以滾筒轉速V2的取值小于【η - 0.3】(V1/ V2< η — 0.3)，則CPU模塊判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，CPU模塊發(fā)出停機指令給液壓盤剎系統(tǒng)(3 )，通過液壓盤剎系統(tǒng)(3)進行剎車，然后進行停機。
6.根據(jù)權利要求5所述的石油鉆機雙檔絞車差速控制方法，其特征在于，當判斷絞車運轉出現(xiàn)故障，停機后，維修人員對絞車進行維修。
【文檔編號】B66D5/28GK104444901SQ201410749730
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月10日 優(yōu)先權日:2014年12月10日
【發(fā)明者】劉心鋼, 李靜 申請人:中曼石油鉆井技術有限公司, 上海中曼石油裝備有限公司