盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置及其控制方法与流程

本发明属于机械设备控制技术领域，具体涉及一种盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置，还涉及上述盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法。

背景技术：

目前，石油钻机均配备了绞车盘刹装置以实现钻机游吊装置在相关位置的刹车；plc自动控制技术也可以实现游吊装置在井架内上下运行高度的实时监测；同时配置有变频器以及制动模块的变频驱动单元也已经可以实现“零速大扭矩”的悬停功能(即：速度为零，悬持重型载荷)。

然而，目前钻机刹车系统并未实现盘刹与悬停的有效融合，二者相互独立，即：正常工作时，主电机作为动力悬持钻柱，盘刹不刹车；根据工况需要刹车时，主电机会进行停机，然后盘刹会自动投入工作。该方式基本满足大部分工况使用需求，但在特殊情况如盘刹执行机构故障时，则会产生溜钻等重大安全事故，目前尚未得到有效解决。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置，针对钻机绞车盘刹执行机构故障时，执行刹车动作过程中主电机停机盘刹无法有效刹车导致的溜钻的问题。

本发明的另一目的是提供上述盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的刹车控制方法。

本发明所采用的第一种技术方案是：盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置，包括plc控制器，plc控制器分别与司钻操作显示屏和变频器信号连接，变频器的一端连接主电机，主电机通过第一连轴器与减速箱电动换挡器传动连接，减速箱电动换挡器通过第二连轴器与滚筒连接，滚筒两端均设置有盘刹机构，各个盘刹机构均与盘刹液气控制阀组连通，在滚筒轴端安装有滚筒编码器，plc控制器还分别与滚筒编码器、盘刹液气控制阀组、盘刹安全钳压力传感器和盘刹工作钳压力传感器连接。

本发明所采用的第二种技术方案是：盘刹与主电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1：司钻人员操作绞车运行，绞车滚筒处的滚筒编码器实时记录滚筒旋转的速度及方向信号，由连接滚筒编码器的plc控制器计算滚筒拖动的游吊装置在井架内部的实时位置h游吊实际；

步骤2、绞车控制游吊装置运行，plc控制器实时采集滚筒编码器的参数并通过内部程序判断是否有逻辑互锁需要刹车，是则通过plc控制器控制盘刹液气控制阀组的盘刹执行机构进行刹车，否则绞车继续控制游吊装置运行，plc控制器实时采集滚筒编码器的参数并计算游吊装置的实际高度h游吊实际，判断是否到达报警点，是则plc控制器则自动输出绞车减速进信号给变频器，令主电机处于悬停状态，否则绞车继续控制游吊装置运行，plc控制器计算游吊装置的实际高度h游吊实际，并判断是否到达刹车点，否则plc控制器控制主电机保持启动状态下的悬停状态，是则plc控制器控制盘刹液气控制阀组的盘刹执行机构进行刹车；

步骤3、当plc控制器控制盘刹液气控制阀组的盘刹执行机构进行刹车时，plc控制器检测盘刹执行机构安全钳压力传感器的当前反馈压力p安全钳实际压力和盘刹工作钳压力传感器的当前反馈压力p工作钳实际压力，并依次判断p安全钳实际压力是否满足安全钳的刹车压力的门限值p安全钳刹车压力门限值、p工作钳实际压力是否满足工作钳的刹车压力的门限值p工作钳刹车压力门限值，当二者条件均满足时，plc控制器令主电机执行停机命令，当两者条件任一不能满足时，主电机保持启动状态下的悬停状态，并由plc控制器向司钻操作显示屏发送盘刹异常报警信号。

本发明采用第二种技术方案的特点还在于，

在plc控制器中设定“h上报警点”、“h下报警点”、“h上刹车点”和“h下刹车点”，其中，h上报警点＜h上刹车点，h下报警点＞h下刹车点。

步骤3中当绞车控制游吊装置上行时，plc控制器实时将游吊装置实际高度h游吊实际与设定上行过程的关键位置“h上报警点”和“h上刹车点”进行比对，当游吊装置的实际高度h游吊实际＜h上报警点时，绞车控制游吊装置继续上行，当plc控制器判断出h游吊实际≥h上报警点时，plc控制器自动输出绞车减速前进信号给变频器，令主电机保持启动状态下的悬停状态；当主电机保持悬停状态时，plc控制器继续检测游吊装置的高度h游吊实际，并判断游吊装置的高度h游吊实际是否到达上刹车点h上刹车点，当h游吊实际＜h上刹车点时，plc控制器控制主电机保持启动状态的悬停状态，当h游吊实际≥h上刹车点时，plc控制器控制盘刹液气控制阀组7的盘刹执行机构进行刹车动作。

步骤3中当绞车控制游吊装置下行时，plc控制器实时将游吊装置实际高度h游吊实际与设定上行过程的关键位置“h下报警点”和“h下刹车点”进行比对，当游吊装置的实际高度h游车实际＞h下报警点时，绞车继续控制游吊装置下行，当h游车实际≤h下报警点时，plc控制器输出绞车减速前进信号给变频器，令主电机保持启动状态下的悬停状态；当主电机保持悬停状态时，plc控制器继续检测h游吊实际，当h游吊实际＞h下刹车点，plc控制器继续控制主电机保持启动状态的悬停状态，当h游吊实际≤h上刹车点时，plc控制器控制盘刹液气控制阀组的盘刹执行机构进行刹车进行刹车动作。

当plc控制器控制盘刹液气控制阀组的盘刹执行机构进行刹车时，plc控制器检测盘刹执行机构安全钳压力传感器的当前反馈压力p安全钳实际压力是否到达安全钳叉车压力的限度p安全钳刹车压力门限值，若p安全钳实际压力＞p安全钳刹车压力门限值时，plc控制器继续控制主电机保持启动状态的悬停状态，若p安全钳实际压力≤p安全钳刹车压力门限值时，plc控制器检测盘刹执行机构工作钳压力传感器的当前反馈压力p工作钳实际压力是否到达工作钳叉车压力的限度p工作钳刹车压力门限值，当p工作钳实际压力≥p工作钳刹车压力门限值时，plc控制器控制主电机悬停，否当p工作钳实际压力＜p工作钳刹车压力门限值时，则plc控制器控制主电机继续保持启动状态下的悬停状态，并由plc控制器向司钻操作显示屏发送盘刹异常报警信号。

plc控制器自动输出控制指令给盘刹液气控制阀组让盘刹执行机构投入工作后，需要由plc控制器对盘刹安全钳压力传感器和盘刹工作钳压力传感器的压力信号检测比对，plc控制器在刹车命令发出后延迟0.5s-2s再进行上述两个压力信号的监测比对。

本发明的有益效果是：

1、执行刹车动作时先行对刹车执行机构的执行状态进行检测，当发现异常时，主电机不停机而处于悬停，起到临时应急悬持钻柱等载荷的作用，解决了完全依赖盘刹刹车缺陷，大大提高系统的安全性。

2、针对刹车时发生的盘刹异常状态，可在司钻操作屏进行报警和信息提示，操作人员可根据现场实际情况安排检修和保养，提高盘刹系统的维护性。

附图说明

图1为本发明盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的系统原理图；

图2为本发明盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法的流程图；

图3为本发明游吊装置上碰下砸保护刹车的位置示意图。

图中，1.滚筒编码器，2.plc控制器，3.变频器，4.主电机，5.盘刹安全钳压力传感器，6.盘刹工作钳压力传感器，7.盘刹液气控制阀组，8.司钻操作显示屏，9.第一连轴器，10.第二连轴器，11.减速箱电动换挡器，滚筒12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的系统原理图，包括plc控制器2，plc控制器2分别与司钻操作显示屏8和变频器3信号连接，变频器3连接主电机4，主电机4通过第一连轴器9与减速箱电动换挡器11传动连接，减速箱电动换挡器11通过第二连轴器10与滚筒12连接，滚筒12两端均设置有盘刹机构，各个盘刹机构均与盘刹液气控制阀组7连通，在滚筒12轴端安装有滚筒编码器1，plc控制器2还分别与滚筒编码器1、盘刹液气控制阀组7、盘刹安全钳压力传感器5和盘刹工作钳压力传感器6连接。

如图2所示，为本发明盘刹与电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法的流程图，按照以下步骤具体实施：

如图3所示，plc控制器2在内部程序中预先设定游吊装置在井架内部的绞车强制减速位置点为：“h上报警点”和“h下报警点”，强制刹车位置点为“h上刹车点”和“h下刹车点”，用于游吊装置实际位置与之分别相比对判断，进而plc控制器2采取相应的自动保护动作，其中h上报警点＜h上刹车点，h下报警点＞h下刹车点。

步骤1、司钻人员操作绞车运行，绞车滚筒12处的滚筒编码器1实时记录滚筒12旋转的速度及方向信号，由连接滚筒编码器1的plc控制器2计算滚筒12拖动的游吊装置在井架内部的实时位置h游吊实际。

步骤2、绞车控制游吊装置运行，plc控制器2实时采集滚筒编码器1的参数并通过内部程序判断是否有逻辑互锁需要刹车，是则通过plc控制器2控制盘刹液气控制阀组7的盘刹执行机构进行刹车，此时plc控制器2检测盘刹执行机构安全钳压力传感器5的当前反馈压力p安全钳实际压力是否到达安全钳刹车压力的限度p安全钳刹车压力门限值，若p安全钳实际压力＞p安全钳刹车压力门限值时(注：安全钳压力低于门限值则为正常刹车状态)，plc控制器2继续控制主电机4保持启动状态的悬停状态，若p安全钳实际压力≤p安全钳刹车压力门限值时，plc控制器2检测盘刹执行机构工作钳压力传感器6的当前反馈压力p工作钳实际压力是否到达工作钳刹车压力的限度p工作钳刹车压力门限值，当p工作钳实际压力≥p工作钳刹车压力门限值时(注：工作钳压力高于门限值则为正常刹车状态)，plc控制器2自动输出绞车减速进信号给变频器3，最终令主电机4处于停机状态，当p工作钳实际压力＜p工作钳刹车压力门限值时，plc控制器2继续控制主电机4继续保持启动状态下的悬停状态，并由plc控制器2向司钻操作显示屏8发送盘刹异常报警信号。

步骤3、绞车继续控制游吊装置运行，plc控制器2实时采集滚筒编码器1的参数并计算游吊装置的实际高度h游吊实际并判断是否到达报警点，未达到报警点时，游吊装置自由运动。到达报警点则plc控制器2自动输出绞车减速进信号给变频器3，令主电机4逐步减速至悬停，同时plc控制器2继续实时计算游吊装置的实际高度h游吊实际，并判断是否到达刹车点，是则plc控制器2控制盘刹液气控制阀组7的盘刹执行机构进行刹车；否则plc控制器2控制主电机继续保持启动状态下的悬停状态，盘刹液气控制阀组7不动作。

绞车控制游吊装置运行时，分为上行和下行两种运行方式：

当绞车提升游吊装置上行时，plc控制器2实时将游吊装置实际高度h游吊实际与设定上行过程的关键位置“h上报警点”和“h上刹车点”进行比对。当plc控制器2判断出h游吊实际＜h上报警点，绞车控制游吊装置继续上行，当plc控制器2判断出h游吊实际≥h上报警点后，plc控制器2则自动输出绞车减速进信号给变频器3，令主电机4保持启动状态下的悬停状态。由于惯性等原因，游吊装置通过了h上报警点后，plc控制器2内部程还要实时将h游吊实际与h上刹车点比对，当h游吊实际＜h上刹车点，plc控制器2控制主电机4保持启动状态的悬停状态，当h游吊实际≥h上刹车点后，plc控制器2则自动输出出刹车指令令盘刹液气控制阀组7进行刹车动作，然后检测盘刹执行机构安全钳的当前反馈压力p安全钳实际压力，当该p安全钳实际压力≤p安全钳刹车压力门限值(注：安全钳为压力低于门限值刹车)，则继续检测盘刹执行机构工作钳的当前反馈压力p工作钳实际压力，当该p工作钳实际压力≥p工作钳刹车压力门限值(注：工作钳为压力高于门限值刹车)，当二者条件均满足时，说明盘刹已经投入且正常，则主电机执行停机命令；否则主电机4继续保持启动状态下的悬停状态，并由plc控制器2向司钻操作显示屏8发送盘刹异常报警信号。当游吊装置最终停止位置h游吊实际＞h上刹车点时，仅继续执行主电机悬停命令即可，盘刹无需投入工作。

当绞车控制游吊装置下行时，plc控制器2实时将游吊装置实际高度h游吊实际与设定下行过程的关键位置“h下报警点”和“h下刹车点”进行比对。当plc控制器2判断出h游吊实际＜h下报警点，绞车控制游吊装置继续下行，当判断出h游车实际≤h下报警点后，plc控制器2则自动输出绞车减速进信号给变频器3，最终令主电机4处于悬停状态。由于惯性等原因，游吊装置通过了h下报警点后，plc控制器2内部程序还要实时将h游吊实际与h下刹车点比对，当h游吊实际＜h上刹车点，plc控制器2控制主电机4保持启动状态的悬停状态，当h游车实际≤h下刹车点后，plc控制器2则自动输出出刹车指令令盘刹液气控制阀组7进行刹车动作，然后检测盘刹执行机构安全钳的当前反馈压力p安全钳实际压力，当p安全钳实际压力≤p安全钳刹车压力门限值，则继续检测盘刹执行机构工作钳的当前反馈压力p工作钳实际压力，当p工作钳实际压力≥p工作钳刹车压力门限值，说明盘刹已经投入且正常，则主电机4执行停机命令；否则主电机继续保持启动状态下的悬停状态，并由plc控制器2向司钻操作显示屏8发送盘刹异常报警信号。当游吊装置最终停止位置h游吊实际＞h下刹车点时，仅继续执行主电机4的悬停命令即可，盘刹无需投入工作。

当plc控制器2自动输出控制指令给盘刹液气控制阀组7让盘刹执行机构投入工作后，需要由plc控制器2对盘刹安全钳压力传感器5和盘刹工作钳压力传感器6的压力信号检测比对，考虑到液压系统执行滞后性，该刹车命令发出后延迟0.5s～2s再进行两个参数的监测比对(具体根据钻机盘刹系统实际响应速度确定)，该延迟时间可在钻机plc控制器2中进行设定更改。

本发明的工作过程为：安装于绞车滚筒处的滚筒编码器1可实时将滚筒12的旋转速度及方向信号发送给钻机plc控制器2，plc控制器2计算滚筒12拖动的游吊装置在井架内部的实时位置，当该实时位置到达盘刹刹车位置点或者plc控制器2检测出其他逻辑保护等需要刹车时，plc控制器2首先自动输出控制指令给盘刹液气控制阀组7让盘刹执行机构投入工作，此时主电机4立即处于穹顶状态的悬停状态。然后，通过plc控制器2判断当前盘刹安全钳压力传感器5的安全钳压力值是否处于刹车状态下正常范围内，进而在判断盘刹工作钳压力传感器6的工作钳压力值否处于刹车状态下正常范围内，只有当上述两个压力反馈值均处于正常范围时，说明盘刹执行机构已经动作并实现了有效刹车，此时主电机4停机，将主电机4悬持的钻柱悬停转移到盘刹上；当上述两个压力反馈值任意一个均处于刹车状态异常范围时，说明盘刹执行机构有故障，此时主电机4继续处于悬停状态不停机，确保钻柱等载荷仍由主电机进行悬持，该情况下plc控制器2可自动发出报警信息给司钻操作显示屏8，提醒操作人员进行维修或紧急处置。

本发明的钻机plc控制器2不需单独配备，可与常规钻机中的plc共用，仅按上述的方法预置控制程序即可。

本发明盘刹与主电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法对于多主电机驱动的钻机绞车及无减速箱的直驱钻机绞车系统也同样适用。

本发明由于盘刹与主电机悬停相融合的钻机绞车刹车装置的控制方法是通过plc进行自动控制实现，解决了以往主电机悬停和盘刹刹车相互独立依赖，在盘刹故障状态下无法自动应急启用主电机悬持钻柱的弊端，大大提高了钻机操作的安全性。