[0128] 由于本模型主要用于模拟培训，因此，在计算时间、计算精度和和准确度发生冲突 时，原则上以保时间为主，而将过分复杂的数学模型进行了适当简化，但保证定性方面的准 确性。
[0129] (一）钻进过程模型
[0130] 1)、钻速方程
【主权项】
1. 一种钻机安装模拟系统的PLC控制系统，其特征在于：包括钻机模拟器、前端操作 台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统， 司钻操作台包括机箱、内部控制板和参数计算机，所述的机箱的正面设有司钻操作台 正面控制面板，机箱的一个侧面设有司钻操作台侧面控制面板，机箱的另一个侧面设有顶 驱机械控制面板以及缓冲液缸的控制面板；其中在司钻操作台正面控制面板上设置有电源 按钮、开机按钮、气喇叭开关、防碰释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立 管压力阻尼器、捞刹滚筒离合、输入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋 扣控制开关、滚筒高低速开关、油缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动 开关；还包括显示表组，其中所述显示表组包括气源压力表、冷却水压表、绞车油压表、转盘 油压表、转盘扭矩表、泵压表、大钳扭矩表、左钳扭矩表、右钳扭矩表、安全钳压力表、猫头压 力表、钻井扭矩表、转速表、转盘电流表、锁档压力表以及过卷压力表；司钻操作台侧面控制 面板上设置指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路开关、电磁 涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2号泥浆泵开 关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关； 司钻操作台的内部控制板包括司钻操作台第一可编程控制器PLCl和第二可编程控制 器PLC2，上述可编程控制器PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议进行通信，其中第一 可编程控制器PLCl的CPU模块通过A/D模块分别与电源按钮、开机按钮、气喇叭开关、防碰 释放按钮、悬重缓冲阀、钻压缓冲阀、吊钳扭矩阻尼器、立管压力阻尼器、捞刹滚筒离合、输 入轴惯刹控制开关、换档控制开关、猫头控制开关、风动旋扣控制开关、滚筒高低速开关、油 缸选择开关、底座液压开关、驻车制动开关以及紧急制动开关连接，通过PLC的开关量输入 端口分别与指配开关、发电机急停按钮、整流急停按钮、测试急停按钮、PLC/旁路开关、电磁 涡流刹车开关、转盘正反转选择开关、绞车正反转选择开关、1号泥浆泵开关、2号泥浆泵开 关、3号泥浆泵开关、低压报警器开关进行连接；通过PLC采集司钻操作台上的各个开关，旋 钮状态以模拟绞车的升降控制，转盘的转速控制，泥浆泵的调速控制；同时采集绞车离合器 位置、绞车档位、转盘离合器位置、转盘档位、泵调节器位置、柴油机功率调节器位置；监测 悬重、钻压、钻机气源压力、泥浆密度、泥浆粘度以及泥浆失水等参数，通过PLC的控制使得 司钻操作台实现对井架/底座的起升控制、对钻盘的转速控制以及对泥浆泵的调速控制； 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮、吊环回转 选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、吊环倾斜选择开关、刹 车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择开关、旋转方向选择开 关；缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/ 缩回控制手柄；其中司钻操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模块通过 A/D模块分别与急停按钮、吊环中位按钮、复位/静音按钮连接，通过PLC的开关量输入端口 分别与吊环回转选择开关、内防喷器开关、液压泵开关、锁紧销开关、背钳选择开关、吊环倾 斜选择开关、刹车选择开关、辅助操作开关、风机选择开关、电机选择开关、操作选择开关、 旋转方向选择开关进行连接以实现对顶驱进行控制； 其中缓冲液缸的控制面板上设置有左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸 出/缩回控制手柄；其中司钻操作台的内部控制板的第二可编程控制器PLC2的CPU模块通 过A/D模块分别与左右液缸选择手柄、液缸压力选择手柄以及液缸伸出/缩回控制手柄连 接以对缓冲液缸进行控制； 参数计算机作为分布式的上位机完成整个系统的数据采集与控制，主控计算机和图形 计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处理和显示，各台计算机通过TCP/IP协议互 联；司钻操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENS S7-200 PLC完成，并连 接构成西门子PPI网络；PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议；其中该参数计算机具 有完成从PLC获取前端硬件信息后，将信息发送给主控计算机的通信模块，其中通信模块 还将主控计算机发送过来的信息通过PLC传输给前端硬件加以显示； 钻机模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制机，其中井架 为前开口型井架，由主体、人字架及附件组成，附件主要有二层台、死绳稳定器、笼梯，井架 主体由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背横梁、斜拉杆、连接架组 成一个前开口型钢架结构，主体的调整固定是由两个卡销完成，人字架是由左、右前腿，左、 右后腿及横梁等组成的门形结构，用来起放和支靠井架，起升装置由起升大绳、高支架、低 支架和游车大钩支架组成，井架采用人字架起升方式，依靠钻台面绞车的动力，通过快绳、 大钩拉动起升大绳，实现井架起升，井架起升时为了能够使井架平稳的靠放在人字架上，同 时下放井架时又能使井架重心前移，从而依靠井架本身自重下落，在人字架上设有缓冲装 置，通过缓冲装置的伸缩来实现， 底座模型包括底座和底座核心控制机，其中底座主要由底座主体、起升装置、液压缓冲 装置组成，底座采用平行四边形机构的运动原理，从而实现了高台面设备的低位安装。采用 绞车动力，利用游车大钩使底座从低位整体起升到工作位置。底座主体分为上、中、下三层： 上层为钻台面部分，用来安装钻台面的设备，通过销子连接组成，下层为底座基座部分，由 左如基座与左后基座、右肖U基座与右后基座分别用销子连接成左、右两个部分。左、右两个 部分之间的连接构件有连接梁、连接架和斜撑。中间层为支撑部分，位于上、下层之间，起支 撑钻台面和起放底座作用。分别由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱组成， 用销子与上、下层连接。人字架由前腿及后腿两部分组成，起升大绳的一端固定在人字架后 腿上，人字架在整个底座起升的过程中起到支撑的作用，起升大绳两端装有套环，另有参与 起升的1组滑轮固定在人字架后腿上，所述钻井模型还包括防护装置组，其中防护装置组 包括实现钻机井架天车防碰功能的钻机井架天车防碰装置、实现防钻机井架过度起升功能 的防钻机井架过度起升装置、实现防钻机井架过度下放功能的防钻机井架过度下放装置、 实现防钻机底座过度起升功能的防钻机底座过度起升装置、实现防钻机底座过度下放功能 的防钻机底座过度下放装置、实现防钻机大钩过度下放功能的防钻机大钩过度下放装置， 其中前端操作台中包括参数计算机，其中该参数计算机作为分布式的上位机完成整个 系统的数据采集与控制，主控计算机和图形计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处 理和显示，各台计算机通过TCP/IP协议互联，前端操作台和钻机模型之间的前端数据采集 及控制由SIEMENS S7-200 PLC完成，并连接构成西门子PPI网络，PLC与参数计算机数据 通信采用RS232协议； 选用西门子系列可编程控制器作为控制核心，由S7-200直接控制钻机井架/底座模拟 器的各个物理量，以参数机作为上位机，由教师控制机对绞车控制台及前端各PLC模块进 行统一管理，整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布式控制系统，各控制台之间的通 信采用西门子专用PPI通讯协议。
2. 根据权利要求1的控制系统，其特征在于，钻机井架/底座模拟器按实际钻机按比例 缩小，钻机井架/底座模拟器中的S7-200 CPU模块通过检查井架天车防碰装置、防钻机井 架过度起升装置、防钻机井架过度下放装置、防钻机底座过度起升装置、防钻机底座过度下 放装置、防钻机大钩过度下放装置的状态来实现相应的功能，以防止学员误操作时损坏钻 机井架/底座模拟器。
3. 根据权利要求1的控制系统，其特征在于，采用步进电机来实现绞车功能，PLC系统 内设计了以高速受控的步进脉冲，在S7-200中设计了两个PTO/PWM发生器，产生一个高速 脉冲串或者一个脉宽调制波形，一个发生器是数字输出点QO. 〇,另一个发生器是数字输出 点Q0. 1，一个指定的特殊寄存器（SM)位置为每个发生器存储下列数据：一个控制8位字 节，一个32位无符号数计数值和一个16位无符号数周期或脉宽值，PTO/PWM发生器与过程 映像寄存器共用Q〇. 〇和Q0. 1，当在Q〇. O或Q〇. 1上激活PTO或PWM功能时，PTO/PWM发生 器对输出拥有控制权，同时普通输出点功能被禁止，输出波形不受过程映象区状态、输出点 强制值或者立即输出指令执行的影响，当不使用PTO/PWM发生器功能时，对输出点的控制 权交回到过程映象寄存器，过程映象寄存器决定输出波形的起始和结束状态，以高低电平 产生波形的启动和结束，脉冲串PTO操作按照给定的PTO脉冲个数和周期输出一串占空比 50 %的方波，PTO可以产生单段脉冲串或者多段使用脉冲包络的脉冲串，可以指定脉冲数和 周期，PTO功能允许脉冲串"链接"或者"排队"，当前脉冲串输出完成时，会立即开始输出一 个新的脉冲串，以保证多个输出脉冲串之间的连续性。
【专利摘要】本发明涉及一种钻机安装模拟系统的PLC控制系统，其特征在于：包括钻机模拟器、前端操作台、教师操作台、以及三通道环幕投影显示系统，其中前端操作台中包括参数计算机，其中该参数计算机作为分布式的上位机完成整个系统的数据采集与控制，主控计算机和图形计算机完成系统主程序的执行和环幕图形的处理和显示，各台计算机通过TCP/IP协议互联，前端操作台和钻机模型之间的前端数据采集及控制由SIEMENS S7-200PLC完成，并连接构成西门子PPI网络，PLC与参数计算机数据通信采用RS232协议；用西门子系列可编程控制器作为控制核心，由S7-200直接控制钻机井架/底座模拟器的各个物理量，以参数机作为上位机，由教师控制机对绞车控制台及前端各PL2000模拟机进行统一管理，整个系统构成一个资源共享、任务分担的分布式控制系统，各控制台之间的通信采用西门子专用PPI通讯协议。
【IPC分类】G09B25-02
【公开号】CN104851352
【申请号】CN201510033714
【发明人】胡卫东, 包文德, 钱相鹏, 高青, 都亚男, 巨海涛, 王基龙, 李扬, 刘峰, 余海清
【申请人】中国石油技术开发公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年1月22日