顶驱智能防碰控制系统的研制

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摘要：在钻井施工作业中安全生产是至关重要的。尤其是安装使用具有钻井作业优势的顶驱装置时，在除去顶驱的工作行程后，安全距离（顶驱上部距天车底部的距离）已不足5米，其中7000米井架上部可用安全空间距离约仅为3.9米，这显然不足以确保顶驱的安全使用。针对这种使用中的缺陷，本文介绍了一种新型智能控制系统，从本质上提高顶驱设备使用中的安全。

关键词：顶驱、智能防碰、盘刹、油门控制；

中图分类号：C35文献标识码： A

Design of top drive equipment control system

Yongmingzheng1 luohui1 yuping1zengxiangbin2 liujingchen2 gaolingyun2

(1.CcdcChuanxiDrillingCompany2. Chongqing Instrument Factory of Logging Company of Chuanqing Drilling Company Ltd)

Abstract: safety production of the drilling operation is very important. In the use of the top drive drilling, t he distance from the top of derrick to the top drive equipment is very small. Now , introduces a kind of intelligent control system for you. In essence, improve the safe of using the top drive equipment. equipment.

Keyword: top drive 、Anti-collision、 Dsic brake 、throttle control；

一、引言

在解决钻机天车防碰安全问题方面，国内外钻机主要采用数码式、重锤式和过卷阀等三种方式来达到防碰功能。这些防碰系统在安装使用顶驱的钻机中使用，存在一定局限或缺陷：如司钻按常规操作习惯在顶驱本体到达其工作高度（距转盘面约40.7米的位置）时开始刹车，尽管数码防碰、过卷阀、重锤式防碰挡绳的限高位置都处在此时发生作用，但若防碰反应滞后（人为或设备因素），或是司钻没有把游车上行的速度控制好（小于0.6米/秒），由于惯性力的作用，即会出现游车连同顶驱设备直接撞上天车的恶性事故。为了防止由于操作的判断失误，导致顶驱超越上下端的工作限制范围，伤及人和损坏顶驱设备等其它钻井设备，顶驱智能防碰系统需主动进行防护的控制。本系统采用一种可靠的监测和精确控制方式，精确测算出顶驱在各个位置高度上的实时速度及具置，并能根据运算结果，做出在不同的位置进行速度限制的控制，保证在有效地刹车空间里，在到达极限位置（上碰、下砸点）前刹住车。既避免上碰与下砸，又克服急促刹车带来的不利影响，最终实现游车连同顶驱设备，在上行下放过程中的智能化控制。

二、系统结构

整套控制系统如图1所示，由悬重传感器、方位传感器、倾角传感器、高度传感器、主处理系统、气压比例调节阀、液压比例调节阀、气控电磁阀、后台计算机等组成。该控制系统的工作原理是：悬重传感器将压力信号转换成电信号传递给主处理系统。主处理系统经过A/D转换并计算后可得出当前的悬重重量。方位传感器将吊环方位转换成数字量直接传递给主处理系统，通过计算得出吊环方位。倾角传感器将吊环的倾斜角度转换成电信号传递给主控系统，计算处理后得出吊环倾斜量。高度传感器将顶驱的高度信号转换成数字信号传递给主处理系统，计算处理后得出顶驱高度值。主处理系统将各个传感的信号进行采集，并计算处理后显示出来。并根据计算处理结果判断是否对气压比例调节阀、液压比例调节阀进行比例控制输出或对电磁阀进行通断控制。同时将处理的结果以总线通讯方式传递给后台计算机。由后台计算机将数据进行存储，并实现历史回放和曲线打印，以便分析数据之用。

图1整体系统框图

三、硬件设计

整个系统硬件系统如图2所示，主要由电源转换电路、信号处理电路、ARM单片机、液晶驱动电路、看门狗复位电路、键盘、比例调节电路、RS485通讯电路等组成。

图2硬件电路系统图

1.信号处理电路

由于本仪器有三类传感器的信号，因此处理电路分为数字信号处理、模拟信号处理、倾斜量信号处理电路等三种信号处理电路。以下分别对这三种信号处理电路做详细的介绍。

数字信号处理电路

由于本仪器要采用电子方位传感器和高度传感器，而方位传感器安装在顶驱的旋转头齿轮处。顶驱装置在钻井井架中上下来回移动，因此传感器的接线不能太多，所以该传感器定为RS485信号输出的绝对值光电编码器。由于考虑到同一套仪器中的零部件通用性，因此高度传感器也定为RS485输出的绝对值光电编码器。其处理电路如图3所示。编码器输出的RS485信号经过SP3082电平转换芯片处理后，由两个光隔6N137进行隔离后将数据传递给单片机。

图3数字信号处理电路

模拟信号处理电路

模拟信号如图4所示，压力传感器的电流信号经过Rc滤波处理后传递给运算放大器OP2337【3】，由运算放大器将信号放大处理后送给单片机进行A/D转换。

图4模拟信号处理电路

倾斜量信号处理电路

倾斜量处理电路，从顶驱控制开关上取出，开关控制信号，由光电隔离将信号隔离后将电平传递给单片机，由单片机中的定时器对其进行计时计算，由计算出来的时间测算出吊环的倾斜量。

2.ARM单片机

ARM单片机采用飞利浦公司推出的LPC2440【1】处理器，并对该处理器进行扩展。扩展后的核心处理板含有资源64MB SDRAM、256MB NANDFLASH、2MB NORFLASH 。该处理器使用JLINK7调试器，在UcLinux操作系统下进行开发。

3.比例调节电路

本仪器采取的是4至20mA电流控制的液压比例调节阀和气压比例调节阀。因此，本仪器只要输出20mA以内的电流就可以对比例调节阀进行控制。其具体电路如图5所示。由单片机控制DAC0832【2】【4】芯片输出电流信号。

图5比例调节电路

四、软件设计

本仪器的软件主要由两部分组成即嵌入式软件设计和后台计算机软件设计。嵌入式软件采用UcLinux操作系统和C语言【5】进行软件开发，后台计算机采用WindowsXp操作系统和VB语言进行软件开发。下面就两部分软件做详细的介绍。

1.嵌入式软件设计

由于本仪器是使用在安全控制方面的设备，因此对仪器反应的实时性非常高。鉴于这个原因本软件在嵌入式操作系统中采用多线程多任务处理，以提高整套软件计算速度。整个软件的流程图如图6所示。系统开始后，建立任务，在任务建立后分别对任务进行管理。

图6嵌入式软件流程图

2.后台计算机软件设计

后台计算机软件的主要功能是将前端仪表处理后的数据进行显示、存储以及历史查询，以方便分析数据和处理事故之用。其软件采用Vb语言编程，应用多线程、多任务处理技术，采用模块化设计。人机界面清楚、直观，符合井队作业操作习惯。该软件的具体设计流程图如图7所示。该软件主要由通信模块、显示模块、存储模块、查询模块、显示设置模块等模块组成。

图7后台计算几软件模块图

五、结束语

通过对顶驱智能防碰系统的研究，完成新的高度测量和刹车控制技术方面的理论研究。以此为基础，结合现在工业上应用比较成熟的ARM单片机和UcLinux嵌入式操作系统，设计出可靠性高的控制仪表。实现对顶驱上提下放过程中的速度及位置进行实时监测和显示，对在不同位置上超越动能限定值的速度进行限制，对到达极限位置的游车进行平稳刹车，避免急促刹车的不利影响，最终实现提升系统工作过程中的精确测控和控制系统智能化的柔性刹车。同时，也为物联网远程控制钻井现场做了一部分基础研究。为下步实现远程控制打下部分基础。

参考文献

[1]周立功，深入潜出ARM7-LPC2300[M].广州：广州致远电子有限公司，2008

[2]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京：高等教育出版社，2002

[3]谢佳奎.电子线路非线性部分[M].北京：高等教育出版社，2001

[4]澎介华.电子技术课程设计指导[M].北京：高等教育出版社，2001

[5]陈汝权，林水生，夏利.微机与单片机控制技术[M].成都电子科技大学出版社，1999