石油钻机液压盘刹智能测试系统及方法

396 编辑：中冶有色技术网来源：天水电气传动研究所有限责任公司

2024-02-19 13:26:02

权利要求书： 1.一种石油钻机液压盘刹智能测试方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）启动盘刹测试功能：用户通过启动可视化人机交互设备（1）上的“测试启动按钮”启动测试功能；

（2）首先判断液压盘刹的状态：判断石油钻机1、2号液压盘刹的抱闸状态，如果两液压盘刹为费抱闸状态即释放状态，则激活液压盘刹，使其抱闸；如果不是释放状态进行判断绞车滚筒使能状态；

（3）判断绞车滚筒使能状态：判断绞车滚筒释放已经使能，如其处于待机状态即无使能；如果没有处于待机状态则在可视化人机交互设备（1）的“设定测定扭矩输入域”中输入测试目标转矩值Tn；

（4）开始测试：输入测试目标转矩值Tn完成确认后，系统正式开始测试；

（5）绞车滚筒控制切换为转矩模式：绞车滚筒控制原为速度控制模式，正式启动测试后系统自动切换为转矩控制模式，形成转矩闭环控制；

（6）绞车给定值增加5%Tn（107）：绞车滚筒给定每个循环增加5%Tn，直到100%Tn为止；

（7）绞车滚筒角位移（108）：可编程控制器（2）通过绞车滚筒编码器反馈的信号来判断绞车是否有角位移，如果绞车滚筒有角位移，证明盘刹转矩没达到当前设定值，跳转至出具失败测试报告（121），如果绞车滚筒没有角位移，证明盘刹转矩达到当前设定值，跳转至转矩达到Tn（109），继续运行测试程序判断实际转矩是否达到测试目标转矩值Tn，如果已经达到Tn，则跳转至保持一分钟（111），如果还没达到Tn，则跳转至给定达到Tn（110）；

（8）给定达到Tn（110）：判断转矩是否已经达到测试目标转矩值Tn，如果达到Tn，则保持一分钟（111），否则跳转至绞车给定值增加5%Tn（107）；

（9）保持一分钟（111）：液压盘刹智能测试系统检查到转矩达到测试目标转矩值Tn后保持该转矩下静态平衡一分钟；

（10）绞车滚筒有角位移：此时再次判断绞车滚筒是否有角位移，根据测试报告判断，有则跳转至出具失败测试报告（121），否则跳转至出具成功测试报告（113）；

（11）出具成功测试报告：根据之前程序执行的结果，出具成功测试报告，内容包括测试时间，测试转矩值参数信息；

（12）复位测试功能：当液压盘刹智能测试系统完成测试报告后自动复位测试功能，准备进入正常待机状态；

（13）重新测试：复位测试功能后系统会提示用户是否重新测试液压盘刹，用户选择否，则测试程序跳转至结束（116），如果用户选择是，则跳转至启动盘刹测试功能（101）重新测试盘刹；结束整个盘刹测试功能，系统进入待机状态；

上述方法基于以下系统实现，该系统包括可视化人机交互设备（1）、可编程控制器（2）、变频器（3）、电机（4）、绞车滚筒（5）、1、2号液压盘刹（6）及绞车滚筒编码器（7）；可视化人机交互设备（1）分别通过总线与可编程控制器（2）、变频器（3）电连接，变频器（3）与电机（4）之间通过动力电缆连接，电机（4）的输出轴上安装所述绞车滚筒（5）给其提供动力，1、2号液压盘刹（6）设于绞车滚筒（5）前、后端，所述绞车滚筒编码器（7）安装在绞车滚筒（5）上；1、2号液压盘刹（6）、绞车滚筒编码器（7）与可编程控制器（2）间通过信号电缆连接来传输状态信号；

可视化人机交互设备（1）上设有1、2号液压盘刹压力的输出域，1、2号液压盘刹状态指示灯、测试启动按钮、阀值配置按钮、测试取消按钮、设定测定扭矩输入域、及实际扭矩显示域；

可视化人机交互设备（1）用于接收传输操作人员的操作指令并同时显示绞车滚筒测试扭矩和实际扭矩值、盘刹压力值；变频器（3）按照可编程控制器（2）输送的指令去驱动电机（4）来满足当前工况所需的指标值，同时通过电机上安装的速度编码器监测电机的转矩，规格化后传输给可编程控制器（2），电机（4）驱动绞车滚筒（5）将电机转矩传输给绞车滚筒（5）；液压盘刹（6）处于抱闸状态，克服绞车滚筒（5）的转矩，同时将其状态传输给可编程控制器（2），绞车滚筒编码器（7）将绞车滚筒的旋转情况传送给可编程控制器（2）；可编程控制器（2）综合判断操作指令、液压盘刹状态、及绞车滚筒旋转情况，经过高速运算后给变频器（3）发控制指令，综合判断石油钻机液压盘刹性能；

可编程控制器（2）包括接受指令单元（60）、综合判断单元（61）、高速运算单元（62）和发出指令单元（63）；变频器（3）包括指令单元（68）、指令处理单元（67）、输出执行单元（66）；由可视化人机交互设备（1）输入操作指令，可编程控制器（2）的接收指令单元（60）接收到指令后，首先，结合绞车滚筒的状态反馈单元（64）、变频器输出执行单元（66）反馈的状态信息，依次经综合判断单元（61）、高速运算单元（62）后通过指令单元（63）发送指令输出至变频器（3）；变频器（3）通过其接收指令单元（68）接收到指令后，经指令处理单元（67）对指令处理完成后，通过输出执行单元（66）输出给执行机构（65）电机，同时将其输出的状态参数反馈给可编程控制器（2）的综合判断单元（61），状态反馈单元（64）将绞车滚筒上的1、2号液压盘刹的状态参数、绞车滚筒编码器（7）的状态参数、及其余所有的机械状态参数反馈给综合判断单元（61）和可视化人机交互设备（1）可视化输出，用于综合判断石油钻机液压盘刹性能。

说明书：石油钻机液压盘刹智能测试系统及方法技术领域[0001] 本发明属于石油钻井技术领域，涉及石油钻机电控系统，具体涉及一种石油钻机液压盘刹智能测试系统及测试方法。背景技术[0002] 石油钻机在进行钻井、起下钻等多项作业时，液压盘刹是涉及安全的最重要的设备，因此对液压盘刹的可靠性及刹车转矩的要求极其严格，在操作绞车滚筒之前，必须确保液压盘刹能够可靠运行。传统做法是：㈠根据液压盘刹之前的使用效果来粗略判断其可靠性及刹车性能，这种做法多数情况下能达到目的，但是有潜在风险；㈡手动操作液压盘刹来观察其运行状态，这种做法虽然较为可靠，但是操作繁琐，容易受人为因素的影响。发明内容[0003] 为了解决上述现有液压盘刹操作麻烦、受人为因素影响较大、手动操作液压盘刹测试不准确的问题，本发明提供了一种石油钻机液压盘刹智能测试系统。[0004] 本发明是通过以下技术方案来实现的：一种石油钻机液压盘刹的智能测试系统，该系统包括可视化人机交互设备、可编程控制器、变频器、电机、绞车滚筒、1、2号液压盘刹及绞车滚筒编码器；可视化人机交互设备分别通过总线与可编程控制器、变频器电连接，变频器与电机之间通过动力电缆连接，电机的输出轴上安装所述绞车滚筒给其提供动力，1、2号液压盘刹设于绞车滚筒前、后端，所述绞车滚筒编码器安装在绞车滚筒上；1、2号液压盘刹、绞车滚筒编码器与可编程控制器间通过信号电缆连接来传输状态信号。[0005] 所述可视化人机交互设备上设有1、2号液压盘刹压力的输出域，1、2号液压盘刹状态指示灯、测试启动按钮、阀值配置按钮、测试取消按钮、设定测定扭矩输入域、及实际扭矩显示域。[0006] 本发明的另一目的在于提供一种使得操作者能一键实现液压盘刹智能测试的方法，消除了传统做法潜在的风险，并且操作简单、测试结果不受人为因素影响。[0007] 一种采用上述的系统进行石油钻机液压盘刹智能测试的方法，可视化人机交互设备用于接收传输操作人员的操作指令并同时显示绞车滚筒测试扭矩和实际扭矩值、盘刹压力值；变频器按照可编程控制器输送的指令去驱动电机来满足当前工况所需的指标值，同时通过电机上安装的速度编码器监测电机的转矩，规格化后传输给可编程控制器，电机驱动绞车滚筒将电机转矩传输给绞车滚筒；液压盘刹处于抱闸状态，克服绞车滚筒的转矩，同时将其状态传输给可编程控制器，绞车滚筒编码器将绞车滚筒的旋转情况传送给可编程控制器；可编程控制器综合判断操作指令、液压盘刹状态、及绞车滚筒旋转情况，经过高速运算后给变频器发控制指令，综合判断石油钻机液压盘刹性能。[0008] 本发明的可编程控制器包括接受指令单元、综合判断单元、高速运算单元和发出指令单元；变频器包括指令单元、指令处理单元、输出执行单元；测试时：由可视化人机交互设备输入操作指令，可编程控制器的接收指令单元接收到指令后，首先，结合绞车滚筒的状态反馈单元、变频器输出执行单元反馈的状态信息，依次经综合判断单元、高速运算单元后通过指令单元发送指令输出至变频器；变频器通过其接收指令单元接收到指令后，经指令处理单元对指令处理完成后，通过输出执行单元输出给执行机构电机，同时将其输出的状态参数反馈给可编程控制器的综合判断单元，状态反馈单元将绞车滚筒上的1、2号液压盘刹的状态参数、绞车滚筒编码器的状态参数、及其余所有的机械状态参数反馈给综合判断单元和可视化人机交互设备可视化输出，用于综合判断石油钻机液压盘刹性能。[0009] 一种石油钻机液压盘刹智能测试方法，具体包括以下步骤：[0010] （1）启动盘刹测试功能：用户通过启动可视化人机交互设备上的“测试启动按钮”启动测试功能；[0011] （2）首先判断液压盘刹的状态：判断石油钻机1、2号液压盘刹的抱闸状态，如果两液压盘刹为费抱闸状态即释放状态，则激活液压盘刹，使其抱闸；如果不是释放状态进行判断绞车滚筒使能状态；[0012] （3）判断绞车滚筒使能状态：判断绞车滚筒释放已经使能，如其处于待机状态即无使能，则去使能绞车滚筒；如果没有处于待机状态则在可视化人机交互设备（1）的“设定测定扭矩输入域”中输入测试目标转矩值Tn；[0013] （4）开始测试：输入测试目标转矩值Tn完成确认后，系统正式开始测试；[0014] （5）绞车控制切换为转矩模式：绞车滚筒控制原为速度控制模式，正式启动测试后系统自动切换为转矩控制模式，形成转矩闭环控制；[0015] （6）绞车给定值增加5%Tn：绞车滚筒给定每个循环增加5%Tn，直到100%Tn为止；[0016] （7）绞车滚筒角位移：可编程控制器通过绞车滚筒编码器反馈的信号来判断绞车是否有角位移，如果绞车滚筒有角位移，证明盘刹转矩没达到当前设定值，跳转至出具失败测试报告，如果绞车滚筒没有角位移，证明盘刹转矩达到当前设定值，跳转至转矩达到Tn，继续运行测试程序判断实际转矩是否达到测试目标转矩值Tn，如果已经达到Tn，则跳转至保持一分钟，如果还没达到Tn，则跳转至给定达到Tn；[0017] （8）给定达到Tn：判断转矩是否已经达到测试目标转矩值Tn，如果达到Tn，则保持一分钟，否则跳转至绞车给定值增加5%Tn；[0018] （9）保持一分钟：液压盘刹智能测试系统检查到转矩达到测试目标转矩值Tn后保持该转矩下静态平衡一分钟；[0019] （10）绞车滚筒有角位移：此时再次判断绞车滚筒是否有角位移，根据测试报告判断，有则跳转至出具失败测试报告，否则跳转至出具成功测试报告；[0020] （11）出具成功测试报告：根据之前程序执行的结果，出具成功测试报告，内容包括测试时间，测试转矩值参数信息；[0021] （12）复位测试功能：当液压盘刹智能测试系统完成测试报告后自动复位测试功能，准备进入正常待机状态；[0022] （13）重新测试：复位测试功能后系统会提示用户是否重新测试液压盘刹，用户选择否，则测试程序跳转至结束，如果用户选择是，则跳转至启动盘刹测试功能重新测试盘刹；结束整个盘刹测试功能，系统进入待机状态。[0023] 与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：本发明基于石油钻机电控系统，对常规石油钻机液压盘刹的可靠性、刹车转矩等进行智能测试，该测试方法操作简单、可靠，在运行过程中能随时被操作者取消而中断，中断后盘刹和绞车会进入正常运行模式，在需要对液压盘刹进行安全评估测试时，只需在可视化人机交互设备的触摸屏上一键操作，PLC接到指令后，首先判断液压盘刹的状态，确保处于抱闸状态，再判断绞车滚筒的状态，确保绞车滚筒已经使能，然后把绞车的控制模式切换为转矩控制模式，逐步增加绞车滚筒转矩给定值，直到设定的目标转矩值Tn，同时循环检测绞车滚筒在不同转矩下的角位移情况，最后做出简洁明了的液压盘刹智能测试的报告，数据准确。操作者就能很快地实现液压盘刹的测试，消除了传统做法潜在的风险，并且操作简单、测试结果不受人为因素影响。[0024] 对比详见下表：[0025]附图说明[0026] 图1.石油钻机液压盘刹智能测试方法结构示意图。[0027] 图2.石油钻机液压盘刹智能测试方法操作界面示意图。[0028] 图3.石油钻机液压盘刹智能测试方法PLC结构示意图。[0029] 图4.石油钻机液压盘刹智能测试方法原理框图。[0030] 图5.石油钻机液压盘刹智能测试方法流程图。具体实施方式[0031] 下面结合附图1?5对本发明做进一步详细描述：[0032] 本发明石油钻机液压盘刹智能测试系统，其包括可视化人机交互设备1、可编程控制器2、变频器3、电机4、绞车滚筒5、液压盘刹6、绞车滚筒编码器7等。可视化人机交互设备1，设有1、2号液压盘刹压力的输出域，1、2号液压盘刹状态指示灯、测试启动按钮、阀值配置按钮、测试取消按钮、设定测定扭矩输入域、及实际扭矩显示域；其提供交互界面以供用户选择操作对象、设置参数并选择操作动作，并对所选择和设置的信息进行编码及纠错处理；

绞车滚筒编码器7，用于判断测试过程中绞车滚筒的角位移情况；可编程控制器2用于从可视化人机交互设备接收经编码和纠错处理后的信息，并进行验错、解码和高速运算后，形成控制信号，对被控对象进行控制。可视化人机交互设备1分别和可编程控制器2、变频器3通过总线连接。变频器3，则按照可编程控制器2的指令去驱动电机4来满足当前工况所需的指标值，同时通过电机上安装的速度编码器监测电机的速度，规格化后和其本身的状态参数一并传输给可编程控制器2；电机4，驱动绞车滚筒5将电机转矩传输给绞车滚筒5；液压盘刹

5处于抱闸状态，克服绞车滚筒5的转矩，同时将其状态参数传输给可编程控制器2；绞车滚筒编码器7，用于判断测试过程中绞车滚筒的角位移情况，将绞车滚筒的旋转情况传送给可编程控制器2；可编程控制器2综合判断操作指令、检测液压盘刹状态和绞车滚筒旋转情况，经过高速运算发控制指令，综合判断石油钻机液压盘刹性能，并将设备状态参数测试结果显示在可视化人机交互设备1。

[0033] 如图1所示，为石油钻机液压盘刹智能测试系统图，该系统包括：可视化人机交互设备1、可编程控制器2、变频器3、电机4、绞车滚筒5、液压盘刹6及绞车滚筒编码器7。可编程控制器2进一步包括电源模块20、CPU21、数字量输入22、数字量输出23、模拟量输入24、模拟量输出25、编码器接口26。可视化人机交互设备1和可编程控制器2的CPU入口通过总线连接，与变频器3通过总线连接，可编程控制器2与绞车滚筒编码器7、液压盘刹6间通过信号电缆连接来传输状态信号，变频器3和电机4之间为动力电缆连接。[0034] 图2为石油钻机液压盘刹智能测试方法操作界面示意图，测试通过“测试启动按钮10”启动测试功能，可随时通过“测试取消按钮11”来终止测试功能，设定测定扭矩输入域13显示测试目标转矩值，实际扭矩显示域14显示当前实时转矩值，测试完成后会弹出测试报告对话框，完成最终测试。

[0035] 图3为石油钻机液压盘刹智能测试方法PLC结构示意图，可编程控制器2，其中电源模块20提供PLC系统的工作电源；CPU模块21是控制系统核心，负责进行逻辑判断和数学运算，并通过通讯传输指令；数字量输入模块22用来监测绞车滚筒5及液压盘刹6的数字量状态；数字量输出模块23用来控制液压盘刹6的逻辑动作；模拟量输入模块24用来采集液压盘刹5的模拟量状态；模拟量输出模块25用来控制液压盘刹6的辅助设备动作；编码器接口26用来把滚筒编码器7的信号提供给CPU模块21来计算绞车滚筒旋转位置。[0036] 图4为石油钻机液压盘刹智能测试方法原理框图，可编程控制器包括接受指令单元、综合判断单元、高速运算单元和发出指令单元；变频器包括指令单元、指令处理单元、输出执行单元；测试时：操作指令由人机交互设备1输入，接收指令单元60接收到指令后，结合状态反馈单元64、变频器输出执行单元66反馈的信息，经过综合判断单元61的综合判断，再将判断结果经过高速运算单元62的高速运算，然后通过发出指令单元63发送指令给变频器；变频器通过接收指令单元68接收到指令后，指令处理单元67对指令处理完成后，通过输出执行单元66输出给执行机构65，同时将其状态参数反馈给综合判断单元61，状态反馈单元64将所有的机械状态参数反馈给综合判断单元61和人机交互设备1，用于PLC综合判断控制和参数的实时显示。[0037] 图5为石油钻机液压盘刹智能测试方法流程图，具体包括以下步骤：[0038] （1）开始测试流程100；[0039] （2）启动盘刹测试功能101：用户通过“测试启动按钮10”启动测试功能；[0040] （3）盘刹抱闸102：判断液压盘刹的抱闸状态，如果盘刹为费抱闸状态即释放状态，则通过激活盘刹119，使其抱闸；[0041] （4）绞车使能103：判断绞车滚筒释放已经使能，如其处于待机状态即无使能，则去使能绞车120；[0042] （5）输入测试目标转矩值Tn104：用户点击“设定测定扭矩输入域13”的数据显示区域；[0043] （6）开始测试105：输入测试目标转矩值Tn104完成后确认后，系统正式开始测试；[0044] （7）绞车控制切换为转矩模式106：绞车控制原为速度控制模式，正式启动测试后系统切换为转矩控制模式，形成转矩闭环控制；[0045] （8）绞车给定值增加5%Tn107：绞车滚筒给定每个循环增加5%Tn，直到100%Tn为止；[0046] （9）绞车滚筒有角位移108：系统通过绞车滚筒编码器反馈的信号来判断绞车滚筒是否有角位移，如果绞车滚筒有角位移，证明盘刹转矩没达到当前设定值，跳转至出具失败测试报告121，如果绞车滚筒没有角位移，证明盘刹转矩达到当前设定值，跳转至转矩达到Tn109，继续运行测试程序；[0047] （10）转矩达到Tn109：判断实际转矩是否达到测试目标转矩值Tn，如果已经达到Tn，则跳转至保持一分钟111，如果还没达到Tn，则跳转至给定达到Tn110；[0048] （11）给定达到Tn110：判断转矩是否已经达到测试目标转矩值Tn，如果达到Tn，则保持一分钟，否则跳转至绞车给定值增加5%Tn107；[0049] （12）保持一分钟111：系统检查到转矩达到测试目标转矩值Tn后保持该转矩下静态平衡一分钟；[0050] （13）绞车滚筒有角位移112：此时再次判断绞车滚筒是否有角位移，有过没有角位移，则跳转至出具成功测试报告113，否则跳转至出具失败测试报告121；[0051] （14）出具成功测试报告113：根据之前程序执行的结果，出具成功测试报告，内容包括测试时间，测试转矩值等参数信息；[0052] （15）复位测试功能114：当系统完成测试报告后自动复位测试功能，准备进入正常待机状态；[0053] （16）重新测试115：复位测试功能后系统会提示用户是否重新测试液压盘刹，用户选择否，则测试程序跳转至结束116，如果用户选择是，则跳转至启动盘刹测试功能101重新测试盘刹；[0054] （17）结束116：结束整个盘刹测试功能，系统进入待机状态。[0055] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。