放操作的控制。因此本发明涉及的操作模拟系统可以模拟钻机安装和使 用中的各种工况，将各种可能的事故以及专家的经验，加入到培训系统中，通过故障预埋， 人为设置故障，同步显示相关数据和参数，全方位训练操作人员。系统采用虚拟现实技术构 建一个真实感极强的视觉环境，让学员有身临其境的感觉。通过在模拟培训系统上的反复 演练，学员可以掌握、熟悉设备的操作要领和技术规范，提高学员对各种事故判断能力和处 理能力，减少人为事故的发生，同时也可以降低培训成本，提高培训效率。
[0022] 三通道环幕投影显示系统包括：投影机、工程环形投影幕和图像融合机。其中所述 投影机为三台正投投影机，所述三台投影机与工程环形投影幕组合图像融合机形成边沿融 合投影系统。图像融合机中包括有几何矫正模块、边沿融合模块、颜色校正模块。其中图像 融合机将图形计算机产生的图像信息分配给三台投影仪，并进行边沿融合。所述边沿融合 技术就是将一组投影机投射出的画面进行边缘重叠，并通过融合技术显示出一个没有缝隙 更加明亮，超大，高分辨率的整幅画面，画面的效果就像是一台投影机投射的画面。当两台 或多台投影机组合投射一幅画面时，会有一部分影像重叠，边沿融合的最主要功能就是把 两台投影机重叠部分的灯光亮度逐渐调低，使整幅画面的亮度一致。
[0023] 其中几何矫正模块包括：所述几何矫正模块用于修正投射图像的几何形状，以保 证边沿融合控制能适应多种屏幕构型，优选为平面构型，柱面构型或球面构型，使投射到墓 上的画面无几何失真。所述几何矫正模块包括下述子模块：利用经炜定位模块和激光阵列 以点阵的方式对环形投影幕进行空间定位的模块；通过计算机的图形管程输出与环形投 影幕上空间激光点阵形成等间隔的标准网格的模块；通过智能相继采集投影图像并输入计 算机，并通过投影屏幕上的空间激光点阵与标准网格进行自动匹配从而得出投影仪图像与 投影屏幕对应关系的模块；利用上述对应关系实现对输出的图像进行非线性几何矫正的模 块。
[0024] 其中边缘融合模块包括：用于将图像分割成若干规则图形的图像分割模块，以使 若干规则图形分别由三个投影机进行投影，其中分割为若干规则图形的相邻图形边缘相互 重叠部分图形的宽度为对应尺寸的5%以内，相邻图形边缘相互重叠图形同时出现在分割 后的相邻图形的边缘；用于在整个图像上布置纵横交错的经线和炜线的经炜定位模块，其 使在每个规则图形中的经线和炜线的颜色互不相同，并利用三个投影机将分割后的若干规 则图形进行投影，调节投影机使相邻图形边缘相互重叠图形内的经线，炜线完成重叠；灰度 调节模块，调节不同投影机的亮度Alpha值为100%的白色图像，通过灰度感光摄像头对非 重叠图形部分进行感光信号采集，设置其灰度为a，将相邻图形边缘相互重叠图形的亮度 下调，直到重叠灰度0和非重叠图形的灰度相等或误差小于0.5%，再将不同的投影机一 并进行投影；
[0025] 其中颜色矫正模块包括：使用智能相机测量出不同投影仪在投射相同亮度颜色时 所产生的实际亮度的模块，对不同亮度下拍摄的照片进行处理以得出每台投影仪的颜色映 射关系的模块；在每台投影仪投影显示前，设置不同屏幕的颜色表，产生颜色值的映射以使 不同投影仪投射出的同一种颜色尽量相似的模块。
[0026] 前端操作台具有参数计算机，其中该参数计算机具有完成从PLC获取前端硬件信 息后，将信息发送给主控机的通信模块，其中通信模块还将主控机发送过来的信息通过PLC 传输给前端硬件加以显示。
[0027] 教师工作台具有主控计算机和图形计算机，其中该主控计算机具有主控模块，该 主控模块用于与通信模块进行通信，实时获得硬件设备状态；所述主控计算机还包括如下 多个钻机模型的模拟装置：钻机模型钻进工艺模拟装置、钻机模型溢流模拟装置、钻机模型 气体膨胀模拟装置、钻机模型循环压力计算模拟装置、钻机模型钻具提升模拟装置以及钻 机模型的钻机井架/底座的起升/下放模拟装置，其中主控模块还包括有如下多个模拟系 统：用于模拟陆地钻机井架/底座的起升/下放操作的装置、用于模拟陆地钻机起钻和下 钻操作的装置、用于模拟陆地钻机钻进操作的装置、用于模拟陆地钻机事故应急操作的装 置；
[0028] 陆地钻机操作模拟方法包括：用于模拟陆地钻机钻进井架/底座的起升/下放操 作的方法、用于模拟陆地钻机起钻和下钻操作的方法、用于模拟陆地钻机钻进操作的方法 以及用于模拟陆地钻机事故应急操作的方法。
[0029] 上述方法具有以下优点：实现了高度仿真的顶部驱动钻进模拟，增强了教学培训 现场感，缩短了培训周期，提高了培训效果，降低了培训成本。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的系统硬件结构图
[0031] 图2为本发明的司钻台正面控制面板主视图
[0032] 图3为本发明的司钻台侧面控制面板主视图
[0033] 图4为本发明的顶驱机械控制面板主视图
[0034] 图5为本发明的操作台控制关系示意图
[0035] 图6为本发明的钻机井架/底座模拟器工作原理图
[0036] 图7为本发明的控制系统总体结构图
[0037] 图8为本发明的井架起升工艺流程图
[0038] 图9为本发明的底座起升工艺流程图
[0039] 图10为本发明的底座下放工艺流程图
[0040] 图11为本发明的井架下放工艺流程图
[0041] 图12为本发明的正常下钻工艺流程图
[0042] 图13为本发明的下钻遇阻工艺流程图
[0043] 图14为本发明的正常起钻工艺流程图
[0044] 图15为本发明的起钻遇卡工艺流程图
[0045] 图16为本发明的正常钻进接立柱流程图
[0046] 图17为本发明的憋跳下的钻进流程图
[0047] 图18为本发明的高压地层钻进流程图
[0048] 图19为本发明的低压地层钻进流程图
[0049]图20为本发明的粘附卡钻模拟流程图
[0050] 图21为本发明的沉砂卡钻模拟流程图
[0051] 图22为本发明的泥包卡钻模拟流程图
[0052]图23为本发明的公锥打捞模拟流程图
[0053] 图24为本发明的落物磨铣模拟流程图
【具体实施方式】
[0054] 下面结合附图进一步描述本发明的技术方案：一种陆地钻机安装操作模拟系统， 它包括钻机模型、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，该系统的整体硬件结构图如附图1所示。
[0055] 其中前端操作台包括机箱和内部控制板，所述的机箱的正面设有司钻台正面控制 面板，机箱的一个侧面设有司钻台侧面控制面板，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。其中在司钻台正面控制面板上设置有电源按钮8、开机按钮 7、气喇叭开关6、防碰释放按钮5、悬重缓冲阀19、钻压缓冲阀17、吊钳扭矩阻尼器14、立管 压力阻尼器15、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2、冷却水压表、绞车油压表3、 转盘油压表4、转盘扭矩表13、泵压表、吊钳扭矩表16、左钳压力表9、右钳扭矩表10、安全 钳压力表12、猫头压力表1、钻井扭矩表、转速表、指重表18、转盘电流表、锁档压力表以及 过卷压力表，具体结构布置如附图2所示；司钻台侧面控制面板上设置指配开关59、发电机 急停按钮21、整流急停按钮23、测试急停按钮、PLC/旁路开关41、电磁涡流刹车开关22、转 盘正反转选择开关26-27、绞车正反转选择开关28-29、1号泥浆泵开关30、2号泥浆泵开关 32、3号泥浆泵开关34、低压报警器开关39,具体结构布置如附图3所示；
[0056] 前段操作台的内部控制板包括前端操作台第一可编程控制器PLC1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PLC1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、泥浆黏度以及泥浆失水这些参数，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，其中控制台的控制关系如附图5所示。
[0057] 其中顶驱机械控制面板上设置有急停按钮60、吊环中位按钮82、复位/静音按钮 70、吊环回转选择开关83、内防喷器开关87、液压泵开关61、锁紧销开关、背钳选择开关64、 吊环倾斜选择开关66、刹车选择开关68、辅助操作开关、风机选择开关65、电机选择开关 67、操作选择开关69、旋转方向选择开关71 ;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，具体结构布置如附图4所示；其中 前端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。
[0058] 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；其中前端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。
[0059] 钻机模型包括钻机井架和底座模拟器，其中井架为前开口型，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。
[0060] 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，由左前基座与左后基座、右前基座与右后 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。
[0061] 就本申请而言，钻机井架/底座模拟器的核心控制机选用西门子S7-200系列可编 程控制器，由S7-200直接控制操作台上的各个物理量，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，系统工作原 理如附图6所示。
[0062] 钻机井架/底座模拟器中的S7-200CPU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。
[0063] 为实现井架/底座的起升和下放并受控于司钻台，系统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PT0/PWM发生 器，可以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Q0. 0,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：一个控制字节（8位），一个计数值（32位无符号数）和一个周期或脉宽值（16位无符号 数）。PT0/PWM发生器与过程映像寄存器共用Q0. 0和Q0. 1。当在Q0. 0或Q0. 1上激活PT0 或PWM功能时，PT0