一种基于钻柱排管一体化技术的模拟培训系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明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柱排管一体 化技术的模拟培训系统。
【背景技术】
[0002] 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一一面向对象方 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。
[0003] 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 -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。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在解决上述问题，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：
[0005] -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：
[0006] 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 泥浆栗模块、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；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 在上述技术方案基础上，所述软件包的实施包括以下步骤：
[0010]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；
[0011]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；
[0012] 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；
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 本发明具有如下优点：本发明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，提高培训的效果，减少 现场培训的经济成本和安全风险。仿真模拟培训既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，它以安全可控、经济节约、可多次重复不受气候条件和场地空 间限制。
[0023] 该系统具备在现场与实际设备进行无缝连接，从而达到一套仿真设备操作虚拟环 境中的设备和现实中的设备。
[0024] 特别适合于对含有钻机排管一体化设备钻机司钻的培训需求，其高度集成、简单 易用，可以方便快速的而无需重新开发或者改变。
【附图说明】
[0025] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
[0026] 图1为本发明的钻机一体化装备模拟培训系统框架图；
[0027] 图2为本发明的司钻操作台控制面板示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
[0029] 如图1和图2所示，一种钻机一体化装备模拟培训系统，其特征在于，包括：
[0030] 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 泥浆栗模块、钻井转盘控制模块、