专利名称：：一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，属于石油勘探用钻机监控装置
技术领域：
。技术背景在石油勘探钻井现场，钻机作业时，通过绞车传递动力至大钩，悬吊着钻具进行作业。一般情况下，重约3.5吨的大钩在040m范围内做上下运动。在起下钻时，大钩在重力加速度等因素的影响下空载向下快速运动，在距转盘面0.2ra处停止，很容易出现大钩下砸到钻台转盘面的危险事故。传统作业中，司钻靠经验和目测来控制游车和钻台转盘面的距离，对绞车进行刹车或驻车操作，稍有不慎很容易出现下砸到转盘的安全事故。
发明内容本发明的目的是提供一种简单的，对大"下放可及时制动的用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置。为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，其特征在于，由光电编码器传感器、防砸控制器、液控比例阀组成，光电编码器传感器通过防砸控制器与液控比例阀连接。所述的防砸控制器由现场可编程门阵列FPGA、光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、功率放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路组成，现场可编程门阵列FPGA分别与光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路连接，光电隔离电路与传感器信号输入连接，24V电源输入分别与传感器信号输入、电源隔离模块和功率放大电路连接，功率放大电路与电磁阀驱动输出连接。本发明采用防砸控制器，无需气控元件，直接用电信号控制液控比例阀，可对大钩下放时进行及时制动。本发明的优点是可以解决现场的钻台转盘面防砸问题，降低事故隐患，提高现场的安全性。图1为一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置结构方块图；图2为光电编码器传感器原理图；图3为双脉冲信号变换示意图；图4为防砸控制器电路方块图；图5为软件控制流程图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例如图1所示，为一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置结构方块图，所述的一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置由光电编码器传感器1、防砸控制器2、液控比例阀3组成，光电编码器传感器1通过防砸控制器2与液控比例阀3连接。如图2所示，为光电编码器传感器原理图，所述的光电编码器传感器l由6个三极管Q1-Q6、2个二极管D1-D2、5个电阻R1-R5组成，三极管Q1的集电极通过电阻Rl与电源连接，三极管Ql的基极与三极管Q2的基极连接，并与电阻R3和三极管Q3的发射极连接，电阻R3另一端连接电源，并通过2个二极管D1、D2与信号地GND连接，三极管Ql的发射极与三极管Q2的发射极连接，并连接A相信号，三极管Q2集电极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q4的集电极通过电阻R2与电源连接，三极管Q4的基极与三极管Q5的基极连接，并与电阻R4和三极管Q6的发射极连接，电阻R4另一端连接电源，三极管Q4的发射极与三极管Q5的发射极连接，并连接B相信号，三极管Q5集电极与三极管Q6的集电极连接，并与信号地GND连接。图2中的Phase—A和Phase_B是相位差为90度的一组信号，由传感器内部两个在物理位置的摆放上相差90度的接收器形成，通过这一组信号就可以判断出绞车滚筒轴是在正转还是在反转，从而间接地反映出大钩处于上升还是下降趋势，即大钩的运动方向，大钩的运动方向可以通过如下公式进行推导将A、B相信号进行变换，得到A的上升沿A+，B的上升沿B+，A的下降沿A—，B的下降沿B—，A的反信号S，B的反信号B"，如图3所示。经过真值表化简，可以得到如下的逻辑反映式Down二A+哀+AB++A一B+XB_Up=SB++AB_+A+B+A""E其结果表明的大钩运动状态，如下表所示<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>得到大钩运动方向后，可对上升或下,降信号计数，得到绞车计数Cnt，Cnt减少，表示大钩向下运动，Cnt增加，表示大钩向上运动，Cnt实际上就对应了大钩的绝对位置(钩位)，钩位通过以下公式计算Pos=CntXkPOS:大钩绝对位置(钩位)Cnt:绞车的计数k:斜率系数，根据设置的标定参数进行计算，计算方法如下FORMULAAPOS:线性标定的大钩位移量ACnt:线性标定的绞车计数增量Pos2、Posl:钩位值的线性标定区间端点值[Posl、Pos2]Cnt2、Cntl:绞车计数的线性标定区间端点值[Cntl、Cnt2]由于正常作业时大钩会下放到0.2m，接近零位的位置，故光通过高度门限来判断是否动作不可取的，还要结合大钩运动方向和速度因素，由此需要计算对大钩速度进行检测。如图4所示，为防砸控制器电路方块图，所述的防砸控制器2由现场可编程门阵列FPGA、光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、功率放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路组成，现场可编程门阵列FPGA分别与光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路连接，光电隔离电路与传感器信号输入连接，24V电源输入分别与传感器信号输入、电源隔离模块和功率放大电路连接，功率放大电路与电磁阀驱动输出连接。所述的现场可编程门阵列FPGA由信号整形、数字滤波、大钩运动方向组合逻辑运算、TKS51核和S-ADAC核组成，信号整形输入端与光电隔离电路连接，输出端通过数字滤波与大钩运动方向组合逻辑运算连接，大钩运动方向组合逻辑运算通过TKS51核与S-△DAC核连接，2:-ADAC核与信号放大电路连接。防砸控制器的核心是用图4中的3(FPGA)，在此采用了Xilinx的Spartan-3系列的5万门的XC3S50的FPGA，用该FPGA实现各种数字滤波、逻辑运算、D/A转换、按键处理、信号指示、显示驱动、控制功能，软件采用VHDL与C编制，根据图3推导的逻辑反应式用VHDL语言编写实现，FPGA内部集成了一个TKS51软核，一个2-△DAC软核，钩位、钩速的计算、预警模块、控制模块、DAC驱动均采用51软核进行编程，各模块的代码采用C编写。图4所示的防砸控制器电路除信号采集处理功能外，还集成了信号输出驱动接口，通过驱动后输出液控比例阀。比例阀直接接入盘刹的油路，对绞车进行制动，对于减速输出而言，驱动接口输出电压U同大钩位置Pos呈"U=C/Pos"的反比关系，式中C为常数。驱动接口输出电压的大小即对应了比例阀的开启幅度，正比于输出制动正压力的大小，即钩位越低，输出电压越大，制动压力越大，减速效果越明显。通过设置合理的信号输出，可实现绞车的减速或制动。光电编码传感器l安装在绞车滚筒轴上，跟随绞车滚筒轴转动。由于大钩的上下运动即对应着绞车滚筒轴的顺时针逆时针转动，故可以监测到图2所示的两通道相位差90。的脉冲信号，该信号间接地反映了大钩的运动位置及方向。防砸控制器2是整个系统的控制中心，实时采集光电编码器传感器l，通过软件处理计算出大钩的绝对位置及运行速度，并根据速度和位置控制液控比例阀3的开启幅度，从而输出相应的制动压力。当大钩高速向下运动时，大钩位置低于预警设置值时，输出一个较小的控制信号，液控比例阀的开启幅度较小，对大钩进行减速。当大钩位置低于报警限时，输出一个较大的控制信号，液控比例阀的开启幅度加大，对大钩进行制动，确保钻台转盘面的安全。大钩速度监测不采用速度传感器，而是通过软件进行计算，同时，计算出加速度，通过加速度的变化趋势进行闭环的下降速率控制，确保进入低于0.2m的危险区时内及时制动。AS=S1-SO△S:大钩位移量Sl:当前时刻的大钩位置SO:上一时刻的大钩位置V=AS/tV:大钩速度t:时间，时间=当前时刻-上一时刻a=AV/Ta:大钩加速度AV:大钩速度增量厶V=V1-V0VI:当前时刻的大钩速度VO:上一时刻的大钩速度。对于钻井现场的各种干扰，如电网扰动，电机启动、停止引起的瞬变干扰，编码器受振动后的不规则干扰等，采用程序判断的数字滤波方法加以解决。通过防脉冲干扰平均值滤波以及四阶IIR椭圆滤波器联动分析，去除各种虚假的干扰信号。权利要求1.一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，其特征在于，由光电编码器传感器(1)、防砸控制器(2)、液控比例阀(3)组成，光电编码器传感器(1)通过防砸控制器(2)与液控比例阀(3)连接。2.根据权利要求1所述的一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，其特征在于，所述的光电编码器传感器(1)由6个三极管Q1-Q6、2个二极管D1-D2、5个电阻R1-R5组成，三极管Ql的集电极通过电阻Rl与电源连接，三极管Ql的基极与三极管Q2的基极连接，并与电阻R3和三极管Q3的发射极连接，电阻R3另一端连接电源，并通过2个二极管D1、D2与信号地GND连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的发射极连接，并连接A相信号，三极管Q2集电极与三极管Q3的集电极连接，三极管Q4的集电极通过电阻R2与电源连接，三极管Q4的基极与三极管Q5的基极连接，并与电阻R4和三极管Q6的发射极连接，电阻R4另一端连接电源，三极管Q4的发射极与三极管Q5的发射极连接，并连接B相信号，三极管Q5集电极与三极管Q6的集电极连接，并与信号地GND连接。3.根据权利要求1所述的一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，其特征在于，所述的防砸控制器(2)由现场可编程门阵列FPGA、光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、功率放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路组成，现场可编程门阵列FPGA分别与光电隔离电路、联合测试行动小组制定的一种国际标准测试协议JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路连接，光电隔离电路与传感器信号输入连接，24V电源输入分别与传感器信号输入、电源隔离模块和功率放大电路连接，功率放大电路与电磁阀驱动输出连接。全文摘要本发明涉及一种用于石油勘探用钻机的钻台转盘面防砸的监控装置，其特征在于，由光电编码器传感器、防砸控制器、液控比例阀组成，光电编码器传感器通过防砸控制器与液控比例阀连接。所述的防砸控制器由FPGA、光电隔离电路、JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、功率放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路组成，FPGA分别与光电隔离电路、JTAG口、操作按键、电源隔离模块、信号放大电路、指示灯、液晶显示模块和晶振电路连接，光电隔离电路与传感器信号输入连接，24V电源输入分别与传感器信号输入、电源隔离模块和功率放大电路连接，功率放大电路与电磁阀驱动输出连接。本发明的优点是可以解决现场的钻台转盘面防砸问题，降低事故隐患，提高现场的安全性。文档编号E21B44/00GK101210488SQ20071017283公开日2008年7月2日申请日期2007年12月24日优先权日2007年12月24日发明者毕东杰,沈俊侠申请人:上海神开石油化工装备股份有限公司;上海神开石油科技有限公司