顶驱钻井控制优化装置的制作方法

本发明涉及钻井技术领域，尤其涉及顶驱钻井控制优化装置。

背景技术：

顶驱钻井系统是一种顶部驱动钻井系统，它可从井架上部空间直接旋转钻杆，沿专用导轨向下送进，完成钻杆旋转钻进，循环钻井液，接立柱，上卸扣和倒划眼等多种钻井操作，是基于钻井工艺技术要求的机电液一体化石油专用设备。顶驱钻井系统通常都配备有非常完善的顶驱控制系统，因此操作人员可以通过顶驱控制系统的操作台进行各项钻井操作，还可以监控顶驱钻井系统的运行状态，进而实现顶驱控制系统的操作功能，以及顶驱钻井系统参数显示和远程监控。

现有的顶驱控制系统普遍应用可编程逻辑控制器作为顶驱控制的主站，结合变频控制器完成对顶驱钻井系统的逻辑控制和运行状态检测，其电气控制系统主要由变频控制柜、plc控制柜、操作控制台、辅助控制台等几大部分组成，当钻井工况变化时，作业人员可以实时的调整控制顶驱钻井系统各环节的参数值。

由于顶驱控制系统的控制指令都是操作人员从顶驱控制系统的司钻控制房发出的，作业人员在司钻控制房内可以通过观察实时显示的悬重、钻压、钻速、泥浆返回流量、泥浆泵冲数、立管压力、转盘转速、转盘扭矩、游车高度等钻井参数，再根据作业要求、现场的实际情况和作业的经验，操作司钻控制房内的相应旋钮、按钮或开关，实现对顶驱钻井系统的合理控制和通讯。

但对于一些复杂地质条件下的复杂结构井、超深井、超大位移井、深水钻井和特殊工艺井，难免遇到一些非均质性、不确定性、非结构性的难题，此时钻井的效率和安全性很大程度上受到现场作业人员的经验、操作熟练程度及给出指令准确性的影响，对于一些特殊情况的井，甚至需要作业人员进行连续数个小时的复杂操作。由此可见，钻井过程中如果遇到上述情况，很容易出现操作不当引起工程事故，或者是钻进的效率过低，甚至出现无法完成钻井任务的情况。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种顶驱钻井控制优化装置，用以提高钻井的效率和安全性，该顶驱钻井控制优化装置包括：

设于一密闭的控制箱体内的数据采集模块、控制系统cpu和数据输出模块；设于控制箱体上的防爆模块；设于控制箱体上、或控制箱体外的用户输入模块；数据采集模块、数据输出模块和用户输入模块分别与控制系统cpu连接；防爆模块与数据采集模块连接；其中：

防爆模块用于在控制箱体内满足防爆要求时发出允许运行的动作；

数据采集模块用于采集顶驱钻井系统的现场测量参数，将现场测量参数发送至控制系统cpu；在检测到防爆模块发出允许运行的动作后，通知控制系统cpu运行；

用户输入模块用于接收用户输入的操作信息，将操作信息发送至控制系统cpu；

控制系统cpu用于对现场测量参数和操作信息进行分析运算以生成控制指令，将控制指令发送至数据输出模块；

数据输出模块，用于将控制指令输出至相应的执行器。

一个实施例中，防爆模块为正压防爆模块。

一个实施例中，正压防爆模块包括：减压阀、过滤器和微压开关；减压阀用于将保护气体减压至微正压；过滤器用于将经减压后的保护气体过滤后引入控制箱体；微压开关用于监测控制箱体内外压力，当内外压力差大于设定值时闭合；

数据采集模块用于在检测到微压开关的闭合动作后，通知控制系统cpu运行。

一个实施例中，顶驱钻井控制优化装置还包括：

与控制系统cpu连接的显示模块，设于控制箱体上、或控制箱体外，用于显示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的相关信息；

和/或，与数据输出模块连接的指示灯，设于控制箱体上、或控制箱体外；执行器包括指示灯；指示灯用于根据数据输出模块输出的控制指令，提示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的状态。

一个实施例中，用户输入模块包括操作面板和/或触控显示屏；触控显示屏与显示模块为同一实体。

一个实施例中，顶驱钻井控制优化装置还包括：与数据输出模块连接的继电器；执行器包括继电器；继电器用于根据数据输出模块输出的控制指令，进行顶驱钻井控制优化装置和顶驱控制系统控制权限的切换。

一个实施例中，继电器设于控制箱体内；或，继电器设于控制箱体外、顶驱控制系统的司钻箱内。

一个实施例中，数据采集模块用于采集顶驱控制系统的工况信息，将工况信息发送至控制系统cpu；

控制系统cpu用于在根据工况信息确定顶驱控制系统处于安全工况时，发出释放权限的控制指令；

继电器用于在接收到释放权限的控制指令后，将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。

一个实施例中，数据采集模块用于采集顶驱控制系统的控制键状态信息，将控制键状态信息发送至控制系统cpu；

控制系统cpu用于在根据控制键状态信息确定顶驱控制系统的控制键处于安全位置时，发出释放权限的控制指令；

继电器用于在接收到释放权限的控制指令后，将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。

一个实施例中，顶驱钻井控制优化装置还包括：与继电器连接的急停按钮，设于控制箱体上、或控制箱体外，用于在被触发时控制继电器将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。

一个实施例中，顶驱钻井控制优化装置还包括：交直流电源模块，与顶驱钻井控制优化装置中各部件连接，用于供电。

一个实施例中，执行器包括顶驱钻井系统。

一个实施例中，顶驱钻井控制优化装置还包括：与控制系统cpu连接的外置数据变换模块，用于采集顶驱钻井系统的现场测量参数，将现场测量参数发送至控制系统cpu；接收控制系统cpu发送的控制指令，将控制指令输出至相应的执行器。

一个实施例中，外置数据变换模块设于控制箱体外、顶驱控制系统的司钻箱内。

在本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置中，数据采集模块采集顶驱钻井系统的现场测量参数，用户输入模块接收用户输入的操作信息，控制系统cpu对现场测量参数和操作信息进行分析运算以生成控制指令，数据输出模块将控制指令输出至相应的执行器，从而自动实现钻井控制，避免了现有技术中作业人员人工操作造成钻井效率及安全性低的问题，可以提高给出控制指令的准确性，降低工程事故的概率，提高钻井的效率，确保完成钻井任务。并且，在本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置中，密闭的控制箱体上还设有防爆模块，防爆模块在控制箱体内满足防爆要求时才发出允许运行的动作，数据采集模块在检测到防爆模块发出允许运行的动作后才通知控制系统cpu运行，这样可以保证顶驱钻井控制优化装置的正常运行，进一步提高钻井的安全性。

附图说明

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些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的示意图；

图2为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图；

图3为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图；

图4为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图；

图5为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图；

图6为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图；

图7为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例的结构示意图；

图8为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例的外形示意图；

图9为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现，采用现有的技术路线及方法难以解决现有技术中存在的钻井效率及安全性低的问题，其主要原因是：1、现有顶驱控制系统仅能满足顶驱钻井系统自身的常规操作，所选用的可编程逻辑控制器不能支持历史数据统计过程分析和高级算法的应用；2、现场的反馈参数和情况比较复杂，而指令都是通过操作人员手动给出，现场的作业人员很难完全的综合考虑现场所有参数，在很短的时间内做出正确的指令；3、对于有些高级的算法，如果需要通过作业人员给出动作指令，则需要长达数个小时的不间断的精确操作，不具有现场的可操作性。

基于此，在本发明实施例中提供一种顶驱钻井控制优化装置。图1为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的示意图，如图1所示，该顶驱钻井控制优化装置可以包括：

设于一密闭的控制箱体内的数据采集模块、控制系统cpu和数据输出模块；设于控制箱体上的防爆模块；设于控制箱体上、或控制箱体外的用户输入模块；数据采集模块、数据输出模块和用户输入模块分别与控制系统cpu连接；防爆模块与数据采集模块连接；其中：

防爆模块用于在控制箱体内满足防爆要求时发出允许运行的动作；

数据采集模块用于采集顶驱钻井系统的现场测量参数，将现场测量参数发送至控制系统cpu；在检测到防爆模块发出允许运行的动作后，通知控制系统cpu运行；

用户输入模块用于接收用户输入的操作信息，将操作信息发送至控制系统cpu；

控制系统cpu用于对现场测量参数和操作信息进行分析运算以生成控制指令，将控制指令发送至数据输出模块；

数据输出模块，用于将控制指令输出至相应的执行器。

由图1所示结构可以得知，本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置可以自动实现钻井控制，避免现有技术中作业人员人工操作造成钻井效率及安全性低的问题，提高给出控制指令的准确性，降低工程事故的概率，提高钻井的效率，确保完成钻井任务。并且，本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置通过密闭的控制箱体及防爆模块的设置，可以保证顶驱钻井控制优化装置的正常运行，进一步提高钻井的安全性。

具体实施时，本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置设有密闭的控制箱体。数据采集模块、控制系统cpu和数据输出模块均设于该控制箱体内。防爆模块设于控制箱体上，例如可以设于控制箱体的侧面。如图1所示，用户输入模块可以设于控制箱体上，例如设于控制箱体的前面板上，并有一部分裸露在前面板外侧，以便观察或操作，另一部分穿过前面板，伸入控制箱体内部。数据采集模块、数据输出模块和用户输入模块分别与控制系统cpu连接。防爆模块与数据采集模块连接。用户输入模块也可以设于控制箱体外，通过信号线穿入控制箱体并与控制系统cpu连接。控制箱体上还设有线缆接口等，例如线缆接口可以设于控制箱体的侧面。穿过控制箱体的部件在连接处都可以设置密封件，以保证控制箱体的密封性。

防爆模块与密闭的控制箱体配合，为本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置提供防爆安全保护。实施例中，防爆模块可以是正压防爆模块。正压防爆模块例如可以包括：减压阀、过滤器和微压开关；其中，减压阀用于将保护气体减压至微正压；过滤器用于将经减压后的保护气体过滤后引入控制箱体；微压开关用于监测控制箱体内外压力，当内外压力差大于设定值时闭合。正压防爆模块将外界的保护气体通过减压阀降低至微正压，并充入控制箱体内，由于控制箱体具有一定密封性，因此可以保持控制箱体内处于微正压条件，避免外部的危险气体进入控制箱体内，微压开关可以监测控制箱体内外压力，当内外压力差达到设定要求后，微压开关会开启，顶驱钻井控制优化装置才能正常工作。可以理解的是，上述防爆模块为正压防爆模块仅为一例，实施时还可以采用其它类型的防爆模块，例如可以采用本质安全型等防爆模块，并且可以采用不同类型防爆模块的结合，例如采用正压外壳型与本质安全型相结合的方式进行防爆，本发明不再一一列举，这些变化例均应落入本发明的保护范围。

防爆模块在控制箱体内满足防爆要求时发出允许运行的动作。数据采集模块在检测到防爆模块发出允许运行的动作后，通知控制系统cpu运行。例如，当防爆模块采用正压防爆模块，并且该正压防爆模块包括减压阀、过滤器和微压开关时，数据采集模块可以在检测到微压开关的闭合动作后，通知控制系统cpu运行。

数据采集模块采集顶驱钻井系统的现场测量参数，将现场测量参数发送至控制系统cpu。实施例中，数据采集模块所采集的现场测量参数，与顶驱控制系统所采集的现场测量参数属于平行(并联)关系，即双方可同时采集，也可只有一方采集，相互不受影响。数据采集模块采集的现场测量参数也可以不仅仅局限于顶驱控制系统现有采集的参数，必要时也可以自行增加传感器，测量采集顶驱控制系统没有采集的信号。数据采集模块采集钻井过程中的相应的模拟或数字信号，在完成对信号的采集后，将这些信号发送至控制系统cpu，为控制指令的生成提供相应的信息。

用户输入模块接收用户输入的操作信息，将操作信息发送至控制系统cpu。用户输入模块例如可以包括操作面板和/或触控显示屏。实施例中，触控显示屏是一个人机交互部件，可以用于向用户展示采集的信号、展示信号或控制的历史数据、接收用户的操作设定等。操作面板是用于接收用户的一些设定，出于用户的操作习惯或备份或快速操作等原因，部分经常修改的设定参数可以由操作面板完成，操作面板上根据需要可以设置有旋钮、按钮或开关等。操作面板是基于使用者的习惯考虑设计的，也可以不需要操作面板，全部由触控显示屏完成。实施例中，还可以将触摸显示屏简化为只能显示不能输入，而输入功能单独设计，例如输入功能全部由操作面板完成，甚至增加一个键盘实现输入功能，键盘可以类似台式机键盘，笔记本键盘，甚至类似atm机或工业机床上的键盘。

控制系统cpu对现场测量参数和操作信息进行分析运算以生成控制指令，将控制指令发送至数据输出模块。实施例中，控制系统cpu可以实现对数据采集模块采集数据的接收、实现对数据输出模块控制指令的发出、实现数据的存储分析、按一定规律或算法提供相应的控制指令、实现对触控显示屏的数据交互等。控制系统cpu可以内置主体程序、控制连锁、优化逻辑和高级算法，可以接收来自触控显示屏、操作面板、数据采集模块等传输过来的数据和用户指令，同时可根据接收到的数据信息和结合内置算法给出相应的控制指令，并通过数据输出模块将控制指令发出。控制系统cpu可以根据需求对接收的数据、信息进行选择性记录，记录的时间和频率也可以根据需求修改。

数据输出模块将控制指令输出至相应的执行器。实施例中，数据输出模块可以将控制系统cpu发出的相应指令通过相应模拟信号或数字信号传递到相应的执行器上，以便驱动相应的设备进行作业。实施例中，执行器可以包括顶驱钻井系统，数据输出模块将控制指令发送给顶驱钻井系统，实现对顶驱钻井系统的自动控制。可见，本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置一方面可以获得现场测量参数，另一方面可以将原来由操作人员通过旋钮、按钮或开关实现的操作，改为通过分析运算自动给出。

图2为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图，如图2所示，本例中顶驱钻井控制优化装置还可以包括：

与控制系统cpu连接的显示模块，设于控制箱体上、或控制箱体外，用于显示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的相关信息；

和/或，与数据输出模块连接的指示灯，设于控制箱体上、或控制箱体外；执行器包括指示灯；指示灯用于根据数据输出模块输出的控制指令，提示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的状态。

如图2所示，显示模块和指示灯可以设于控制箱体上，例如设于控制箱体的前面板上，并有一部分裸露在前面板外侧，以便观察或操作，另一部分穿过前面板，伸入控制箱体内部。显示模块和指示灯也可以设于控制箱体外，通过信号线穿入控制箱体。穿过控制箱体的部件在连接处都可以设置密封件，以保证控制箱体的密封性。

显示模块显示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的相关信息。实施例中，显示模块与前述的触控显示屏可以为同一实体。指示灯根据数据输出模块输出的控制指令，提示顶驱钻井控制优化装置运行过程中的状态。此时指示灯即为接收数据输出模块输出的控制指令的相应执行器。指示灯可以提示用户顶驱钻井控制优化装置所处在工作状态，反馈用户所选择的功能，也可以提示用户的误操作及其他非正常工况等。指示灯可以显示为单色、双色、闪烁或组合变化，从而向用户提供相应的状态信息，例如，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行、闪烁代表误操作或者有紧急情况等。指示灯的状态由数据输出模块直接控制。

图3为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图，如图3所示，本例中顶驱钻井控制优化装置还可以包括：

与数据输出模块连接的继电器；执行器包括继电器；继电器用于根据数据输出模块输出的控制指令，进行顶驱钻井控制优化装置和顶驱控制系统控制权限的切换。实施例中，继电器也可以设于图2所示顶驱钻井控制优化装置。

如图3所示，继电器可以设于控制箱体内，当然，在实施例中，继电器也可以设于控制箱体外、顶驱控制系统的司钻箱内。通过继电器的切换，顶驱钻井控制优化装置可以根据需要接管顶驱控制系统的相应控制权限，所接管的相应控制权限与顶驱控制系统的控制权限属于优先级关系，即双方都能发出控制指令，但只可能同时有一方发出控制指令有效。因此，当顶驱钻井控制优化装置接管顶驱控制系统全部或部分控制权限的时候，顶驱控制系统的相应控制权限丧失，即顶驱钻井系统不会响应顶驱控制系统的指令；当不需要顶驱钻井控制优化装置进行控制的时候，可以完全的释放顶驱钻井控制优化装置所接管的控制权限，顶驱控制系统恢复原有控制权限。需要说明的是，即使在顶驱钻井控制优化装置没有接管顶驱控制系统控制权限的时候，数据采集模块也可以持续对顶驱和钻井过程进行采集信号活动。

实施例中，顶驱钻井控制优化装置释放所接管的控制权限时，可以是在线完成的，即顶驱钻井控制优化装置不需要断电、拆卸或改动任何硬件就能完成，根据需求可以是顶驱钻井控制优化装置根据逻辑自动完成权限释放，或触发顶驱钻井控制优化装置上的按钮完成权限的释放。

实施例中，数据采集模块可以采集顶驱控制系统的工况信息，将工况信息发送至控制系统cpu；控制系统cpu在根据工况信息确定顶驱控制系统处于安全工况时，发出释放权限的控制指令；继电器在接收到释放权限的控制指令后，将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。例如，顶驱钻井控制优化装置在准备释放所接管的控制权限之前，检测顶驱控制系统所处的工况，当顶驱控制系统处于安全工况时，一般顶驱控制系统处于自然停止状态，顶驱钻井控制优化装置才会正常将控制权限释放给顶驱控制系统。

实施例中，数据采集模块可以采集顶驱控制系统的控制键状态信息，将控制键状态信息发送至控制系统cpu；控制系统cpu在根据控制键状态信息确定顶驱控制系统的控制键处于安全位置时，发出释放权限的控制指令；继电器在接收到释放权限的控制指令后，将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。例如，顶驱钻井控制优化装置在准备释放所接管的控制权之前，检测顶驱控制系统的相应旋钮、按钮或开关，确保这些旋钮、按钮或开关处于合适的位置，保证控制权限释放后，顶驱控制系统不会出现异常工况。

图4为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图，如图4所示，本例中顶驱钻井控制优化装置还可以包括：

与继电器连接的急停按钮，设于控制箱体上、或控制箱体外，用于在被触发时控制继电器将顶驱钻井控制优化装置的控制权限释放给顶驱控制系统。图4中示出了急停按钮设于控制箱体上的情况，实施例中急停按钮也可以设于控制箱体外，通过信号线与继电器连接。

实施例中，当出现紧急情况，需要无条件立即释放顶驱钻井控制优化装置的控制权限时，可以触发急停按钮，此时顶驱钻井控制优化装置的控制权限将无条件释放给顶驱控制系统，不会进行上述顶驱控制系统的工况信息和控制键状态信息的检测。例如，当用户在紧急情况下，需要无条件将控制权限交还给顶驱控制系统时，可以触发该急停按钮，该急停按钮触发后，会立即改变继电器的状态，使得控制权限能交还给顶驱控制系统。具体操作例如可以是继电器的默认位置(失效位置)为控制权限交还给顶驱控制系统，急停按钮触发后切断继电器电源，此时继电器回到失效位置即完成控制权限的交还。实施例中，急停按钮触发后，数据采集模块可以检测到用户的相应操作，并通知控制系统cpu，控制系统cpu会进入紧急模式，以闪烁指示灯、显示模块提示等形式提示用户正处于非正常工况，也可以给用户提供操作指导以恢复正常工况。

实施例中，顶驱钻井控制优化装置被断电后，控制权限会被无条件释放给顶驱控制系统。

图5为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图，如图5所示，本例中顶驱钻井控制优化装置还可以包括：

交直流电源模块，与顶驱钻井控制优化装置中各部件连接，用于供电。图5中未示出交直流电源模块与顶驱钻井控制优化装置中其它部件的连接线。可以理解的是，交直流电源模块也可以设于图2-4、图6所示顶驱钻井控制优化装置中。

交直流电源模块例如可以为控制系统cpu、数据采集模块、数据输出模块、继电器、触控显示屏、指示灯等部件提供所需的交/直流电源供应。

图6为本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的一具体示例图，如图6所示，本例中顶驱钻井控制优化装置还可以包括：

与控制系统cpu连接的外置数据变换模块，用于采集顶驱钻井系统的现场测量参数，将现场测量参数发送至控制系统cpu；接收控制系统cpu发送的控制指令，将控制指令输出至相应的执行器。外置数据变换模块也可以设于图2-5所示顶驱钻井控制优化装置中。

实施例中，外置数据变换模块可以设于控制箱体外、顶驱控制系统的司钻箱内。

外置数据变换模块是设置在控制箱体外部的一个信号中转模块，在必要时可以使用。这个信号中转模块可以完成全部或部分信号的采集功能，并将信号发送给控制系统cpu；同样的这个信号中转模块也可以接收控制系统cpu发来的控制指令，并完成全部或部分控制信号的发出功能。这个信号中转模块比较优选的安放位置为顶驱控制系统的司钻箱内中，这样该模块可处于司钻箱内的正压防爆保护中。如此，在司钻箱中就完成了顶驱钻井控制优化装置与顶驱控制系统的信号交互，此数据变换模块通过数据流的方式完成与控制系统cpu的交互，大大减少了穿过控制箱体的信号线数量，具有很强的操作实用性。

下面给出本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的具体实例。图7和图8分别是本例中顶驱钻井控制优化装置的结构示意图和外形示意图。

如图7和图8所示，本例中顶驱钻井控制优化装置包括控制系统cpu、交直流电源模块、指示灯、数据输出模块、继电器、急停按钮、数据采集模块、正压防爆模块，操作面板、控制箱体等。

其中，控制系统cpu是顶驱钻井控制优化装置的核心部件，它内置主体程序、控制连锁、优化逻辑和高级算法，可接收来自触控显示屏、操作面板、数据采集模块、急停按钮传输过来的数据和用户指令，同时可根据接收到的数据信息和结合内置算法给出相应的控制指令，并通过数据输出模块将控制指令发送给顶驱钻井系统，实现对顶驱钻井系统的自动控制。

本例的顶驱钻井控制优化装置中还包含有交直流电源模块，可以根据需要给控制系统cpu、指示灯、触控显示屏、继电器等提供交流或直流电源。

本例的顶驱钻井控制优化装置中还包含有指示灯，指示灯可以显示为单色、双色、闪烁或组合变化，从而向用户提供相应的状态信息，例如，红色指示灯代表停止、绿色指示灯代表运行、闪烁代表误操作或者有紧急情况等。指示灯的电源由交直流电源模块提供，指示灯的状态由数据输出模块直接控制。

本例的顶驱钻井控制优化装置中还包含有数据输出模块，它接收来自控制系统cpu的控制指令，再根据各个执行器的需求以模拟量或数字量进行输出控制，它可以控制指示灯的状态，可以向顶驱钻井系统输出控制指令，也可以控制继电器闭合状态，进而实现顶驱钻井控制优化装置和顶驱控制系统控制权限的切换。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有继电器，它接收来自数据输出模块的控制指令，从而实现顶驱钻井控制优化装置和顶驱控制系统的控制权限的切换，继电器所需的电源由交直流电源模块提供。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有急停按钮，当用户在紧急情况下，需要无条件将控制权限交还给顶驱控制系统时，可以触发该急停按钮，该急停按钮触发后，会立即改变继电器的状态，使得控制权限能交还给顶驱控制系统，具体操作可以是继电器的默认位置(失效位置)为控制权限交还给顶驱控制系统，急停按钮触发后切断继电器电源，此时继电器回到失效位置即完成控制权限的交还。同时，急停按钮触发后，数据采集模块会检测到用户的相应操作，并通知控制系统cpu，控制系统cpu会进入紧急模式，以闪烁指示灯、显示模块提示等形式提示用户正处于非正常工况，也可以给用户提供操作指导以恢复正常工况。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有数据采集模块，它可以采集模拟或数字信号，可以采集来自外部信号，也可以采集来自急停按钮、正压防爆模块的内部信号，采集到的信号最终会送往控制系统cpu进行统一存储或处理。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有正压防爆模块，它可以通过模块内部的减压阀、过滤器将外界的安全气源引入到控制箱体内，并同时检测控制箱体内外的压力差，当控制箱体内部的压力高于外界压力，并且其差值大于设定值时该模块中的微压开关闭合，同时数据采集模块检测到微压开关的闭合动作，并通知控制系统cpu可以正常运行。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有操作面板，它是用于接收用户的一些设定参数，操作面板上根据需要设置有旋钮、按钮或开关等，这些元件被用户操作后，相关信号会被数据采集模块检测到，进而使得控制系统cpu获取相关信息，完成相关操作。

本例的顶驱钻井控制优化装置还包含有控制箱体，该控制箱体可以给上述元器件提供一个相对密闭的空间，保证上述元器件都在正压气体的保护中，控制箱体与控制面板、箱体门、箱体前面板、正压防爆模块等之间的连接处均设置有密封圈，以保证该控制箱体具有一定的密封性，进而能够有效防止外部的危险气体进入控制箱体内，同时还能避免灰尘经操作面板、箱体门、正压防爆模块的连接处的缝隙进入控制箱体中，进而避免其内部元器件因灰尘而引发的失效。

图9是本发明实施例中顶驱钻井控制优化装置的另一具体实例。

如图9所示，本例的顶驱钻井控制优化装置中，选用了外置数据变换模块，并将该模块和部分(或全部)继电器模块放置在顶驱控制系统的司钻箱中。因此，通过外置数据变换模块采集到的信号可以直接送往控制系统cpu，同时控制系统cpu的控制指令可以直接送往外置数据变换模块，其中的数据传输都可以选用数据流的方式完成，这样可以大大减少传输线的数量。

本例的顶驱钻井控制优化装置所包含的继电器，可以选择也连同外置数据变换模块一同放置在司钻箱中，它接收来自数据输出模块的控制指令，从而实现顶驱钻井控制优化装置和顶驱控制系统的控制权限的切换，继电器所需的电源由交直流电源模块提供。

其余结构和功能与图7所示实施例类似。

综上所述，在本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置中，数据采集模块采集顶驱钻井系统的现场测量参数，用户输入模块接收用户输入的操作信息，控制系统cpu对现场测量参数和操作信息进行分析运算以生成控制指令，数据输出模块将控制指令输出至相应的执行器，从而自动实现钻井控制，避免了现有技术中作业人员人工操作造成钻井效率及安全性低的问题，可以提高给出控制指令的准确性，降低工程事故的概率，提高钻井的效率，确保完成钻井任务。并且，在本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置中，密闭的控制箱体上还设有防爆模块，防爆模块在控制箱体内满足防爆要求时才发出允许运行的动作，数据采集模块在检测到防爆模块发出允许运行的动作后才通知控制系统cpu运行，这样可以保证顶驱钻井控制优化装置的正常运行，进一步提高钻井的安全性。

本发明实施例不需要更换原有顶驱控制系统的硬件设备，对各类不同顶驱控制系统兼容性好。本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置即使在不接管顶驱控制系统的控制权限时，也可以持续的采集钻井过程中的相关信号，并对这些信号进行长期的存储和分析。本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置可以通过继电器完成对原有控制权限的切换，在需要时才接管控制权限，使用灵活。本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置拥有强大的控制系统cpu，可以进行复杂的运算，实现高级的控制策略。本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置可以提供一个友好的人机交互界面，向用户展示必要的信息，同时接收用户的操作设定，引导用户正确使用。人机交互界面与其他电气设备可以集成在一个控制箱体内，结构紧凑。包括人机交互界面在内的本发明实施例的顶驱钻井控制优化装置所涉及的所有电气设备，都在防爆保护范围内，安全可靠。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。