一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统技术方案

本发明专利技术涉及石油行业钻井作业培训技术领域，具体涉及到一种基于钻机设备与钻柱排管一体化钻井技术的模拟培训系统。其包括：钻机一体化智能排管虚拟模块、硬件设置和软件包，硬件设置包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；软件包包括：建模单元、交互单元、调试单元。它可在现场与实际设备进行无缝连接，安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空间限制，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，减小失误操作的可能性，提高培训的效果，减少现场培训的经济成本和安全风险。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油行业钻井作业培训
，具体涉及到一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统。
技术介绍
目前，国内还没有针对钻机管柱一体化钻井技术的模拟培训系统。为了提高软件系统的稳定性、可修改性和重用性，人们提出了一种新的分析问题的方法——面向对象方法。面向对象的出发点和基本原则进行软件包的开发。利用C#语言在VisualStudio2010开发平台下，嵌入虚拟显示开发平台Unity3D的控件，设置好观看路径，对钻机的整体机构和局部细节进行认知学习。也可以通过界面上的按钮，选择观看钻机局部的某个部件，对其结构参数及电气参数进行学习。但是由于现有的模拟的工艺流程没有包含钻机排管系统，拟培训的司钻操作人员培训操作不够系统全面，因此培训效果不能达到全面高效的要求，并且现有模拟培训如专利CN201510080931.1一种塔式起重机模拟培训系统，模拟设备没有与实际设备进行同步，无法使受训人员沉浸在高仿真的作业环境中。
技术实现思路
本专利技术旨在解决上述问题，提供了一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，它可在现场与实际设备进行无缝连接，安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空间限制，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，以大屏幕投影方式展示现场场景，结合高仿真的现场音效，让学员对现场设备更加熟悉，减小失误操作的可能性，提高培训的效果，减少现场培训的经济成本和安全风险，能进行常规操作训练，又能进行提高应变能力处理各种事故的训练，其采用的技术方案如下：一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，包括：钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；软件包，其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查联合调试的调试单元。在上述技术方案基础上，所述软件包的实施包括以下步骤：a)采用三维建模软件，完成钻机一体化智能排管装备机械零部件的三维建模，使用数值分析软件求解钻机动态参数，指导可视化系统的运动建模；b)根据工艺流程对井场设备的动作设计及脚本编写，采用.NET架构C/S客户端方式作为三维仿真程序开发平台，完成钻机自动化处理虚拟现实软件包；c)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示系统技术实现模拟真实操作环境的钻机自动化处理虚拟仿真修井平台场景；d)由winform将数据采集板卡的DI数字输入量采集记录，再由winform传递给Unitywebplayer，从而控制unity中gameobject的动作，再将gameobject参数实时返回至winform中，实现虚拟设备的状态显示。在上述技术方案基础上，所述的钻机钻台面机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆编码器进行SSI通信，与液压比例阀、液压电磁阀进行数字量模拟量通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机钻台面机械手3D虚拟模型数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。在上述技术方案基础上，所述的钻机二层台智能排管机械手模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与夹爪上的接近开关进行通信，并通过可编程逻辑控制器约束防爆编码器与气动马达正转、反转的对应关系，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的钻机二层台智能排管机械手3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。在上述技术方案基础上，所述的动力猫道机模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆电机、翻管液压缸电磁阀进行通信，并实时反馈编码器和接近开关的信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的动力猫道机3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。在上述技术方案基础上，所述的自行走液压大钳模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与液压马达、液压缸的比例阀进行通信，并实时反馈扭矩传感器值和接近开关的状态信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的自行走液压大钳3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际机械设备保持动作一致。在上述技术方案基础上，所述的液压吊卡模块通过Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并实时接收持管状态检测的接近开关信号，以及发送吊卡开合液压缸控制信号、吊卡翻转液压缸控制信号；通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约束的液压吊卡3D虚拟模型进行数据交互，使在显示系统上的虚拟模型与实际液压吊卡保持动作一致。在上述技术方案基础上，所述的控制台仪器仪表模块包括大钩悬重表、钻进钻压表、立管压力表、大钳扭矩表、钻台手位置指针、二层台排管系统的位置指针、二层台指梁管柱分布图、吊卡开合状态指示灯、吊卡前后翻转角度指示表和卡瓦开合指示灯，所述的钻台手位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示灯，所述的二层台排管系统位置指针包括夹爪开合指示灯和夹爪的接近开关指示。在上述技术方案基础上，所述软件包包括5种学习模式：道机送钻学习模式、猫道机甩钻学习模式、起钻排立柱学习模式、取立柱下钻学习模式、井场漫游学习模式。在上述技术方案基础上，所述井场漫游模式包括手动漫游和自动漫游，手动漫游可以通过操作键盘以第一视角在井场漫游，包括攀爬钻台面、井架、二层台；自动漫游可以按照程序预先设定好的路径进行漫游。本专利技术具有如下优点：本专利技术所搭建的钻机一体化装备的仿真平台，既满足理论学习要求，又提供实践动手的仿真实践操作，以大屏幕投影方式展示现场场景，结合高仿真的现场音效，让学员对现场设备更加熟悉，减小失误操作的可能性，提高培训本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，包括：钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显示系统；软件包，其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查联合调试的调试单元。

【技术特征摘要】
1.一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统，其特征在于，
包括：
钻机一体化智能排管虚拟模块，其主要由各独立的钻机钻台面机
械手模块、钻机二层台智能排管机械手模块、动力猫道机模块、自行
走液压大钳模块、钻机绞车模块、钻机泥浆泵模块、钻井转盘控制模
块、液压吊卡模块、气动卡瓦模块和控制台仪器仪表模块组成；
用于控制、显示各模块运行参数的硬件设置，其包括：司钻控制
台操作面板、电气控制柜、可编程逻辑控制器、工业控制计算机及显
示系统；
软件包，其包括：用于对钻机一体化智能排管装备的机械零部件
及真实操作环境进行三维建模并求解各模块动态参数的建模单元、通
过工业控制计算机实现建模单元与钻机一体化智能排管装备数据交
互的交互单元、对各独立模块进行单独调试并最终进行碰撞干涉检查
联合调试的调试单元。
2.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训
系统，其特征在于，所述软件包的实施包括以下步骤：
a)采用三维数字建模软件，完成钻机一体化智能排管装备机械
零部件的三维建模，使用数值计算软件求解钻机动态参数，指导可视
化系统的运动建模；
b)根据工艺流程对井场设备的动作设计及脚本编写，采用.NET
架构C/S客户端方式作为三维仿真程序开发平台，完成钻机自动化处
理虚拟现实软件包；
c)基于虚拟现实软件包，利用图形生成与立体投影显示系统技
术实现模拟真实操作环境的钻机自动化处理虚拟仿真修井平台场景；
d)由winform将数据采集板卡的DI数字输入量采集记录，再由
winform传递给Unitywebplayer，从而控制unity中gameobject的动
作，再将gameobject参数实时返回至winform中，实现虚拟设备的
状态显示。
3.根据权利要求1所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训
系统，其特征在于：所述的钻机钻台面机械手模块通过Profibus-DP
总线与可编程逻辑控制器传输连接并与防爆编码器进行SSI通信，与
液压比例阀、液压电磁阀进行数字量模拟量通信，并实时反馈编码器
和接近开关的信号，通过工业控制计算机的数据采集板卡与已添加约
束的钻机钻台面机械手3D虚拟模型数据交互，使在显示系统上的虚
拟模型与实际机械设备保持动作一致。
4.根据权利要求3所述一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训
系统，其特征在于：所述的钻机二层台智能排管机械手模块通过
Profibus-DP总线与可编程逻辑控制器传输连接并与夹爪上的接近开
关进行通信，并通过可编程逻辑控制器约束防爆编码器与气动马达正
转、反转的对应关系，通过工业控制计算机的...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鹏，刘洪刚，孙吉磊，崔海朋，潘树鹏，张坤，王绘忠，贺保卫，张超，王勇，吴洪晓，
申请(专利权)人：青岛杰瑞工控技术有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37