一种石油钻机双档绞车电子差速控制系统及控制方法
【专利摘要】本发明涉及到一种石油钻机双档位绞车的控制系统及其控制方法。其中，控制系统包括电机输入轴，第一增量式编码器，滚筒，第二增量式编码器，绞车换挡开关、换挡开关辅助触点，逻辑控制单元，以及设置在逻辑控制单元内的计数器模块和CPU模块，其中，计数器模块运算和分析第一增量式编码器和第二增量式编码器输出的转速信息，CPU模块处理和运算辅助触点输出的开关信号；液压盘刹系统，图像显示屏，本发明的有益效果是：通过显示屏可以有效判断出操作人员肉眼无法判断出的绞车内部发生的打滑、压力不足等传动系统故障，并能及时采取限制措施预防事故发生，整体结构体积小，便于安装，闭环控制，可靠性高。
【专利说明】一种石油钻机双档绞车电子差速控制系统及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到一种石油钻机双档位绞车的控制系统，尤其涉及到一种石油钻机双档位绞车差速控制系统，以及通过差速控制系统控制绞车转速和防止故障的控制方法。
【背景技术】
[0002]在石油钻井领域，绞车是钻机核心部件，其性能的优劣直接关系到整台钻机的使用效果，是保证石油钻机满足钻井工艺要求、实现快速钻采、获得良好经济效益的极为重要的关键性因素之一。钻井绞车一般由动力、变速机构、滚筒、离合器、刹车等部件组成。绞车在钻井过程中具有起下钻具、下套管、控制钻进过程钻压和整体起立井架等功用，它工作特点是操作使用频繁，变速范围宽、载荷变化大。由于许多无法避免的因素的影响有时绞车传动设备会出现打滑等各种故障使滚筒速度与电机速度比发生偏差以致降低其预定的功能甚至造成严重的灾难性事故而造成巨大的经济损失。因此保证设备的安全运行，预防、消除事故是十分迫切。电子差速控制系统在保证设备的安全可靠运行以及获取很大的经济效益和社会效益上其意义是十分明显的。
[0003]中国专利号CN201310510072.6公开了一种高效智能安全石油钻井绞车系统及其控制方法，该方法通过PLC、涡流刹车，高度系统是否正常来达到控制绞车系统，从而实现了一种绞车系统的控制方法，但本专利技术没有公开差速系统的控制方法。
【发明内容】
[0004]针对现有技术中绞车传动设备出现打滑事故使滚筒速度与电机速度比发生偏差以致降低石油钻机的功能或使钻机发生故障的技术缺陷。
[0005]为了解决上述的技术问题，本发明要解决的问题是提供一种双档绞车石油钻机电子差速控制系统，及利用所述差速控制系统控制绞车转速和防止故障的控制方法，其中，电子差速控制系统包括:
电机，电机输入轴，安装在电机输入轴上的第一增量式编码器，其中，第一增量式编码器用于采集电机输入轴上的转速信息V1;
滚筒，安装在滚筒上的第二增量式编码器，其中，第二增量式编码器用于采集滚筒上的转速信息V2;
绞车换挡开关，其中，绞车换挡开关用于改变绞车的档位；
辅助触点，其中，辅助触点设置在绞车换挡开关处，所述辅助触点输出换挡开关信号；逻辑控制单元，其中，逻辑控制单元为绞车中央处理控制系统，所述逻辑控制单元内设有计数器模块，所述计数器模块用于运算第一增量式编码器和第二增量式编码器输出的转速信息(Vp V2);所述逻辑控制单元内设有CPU模块，所述CPU模块用于处理和运算辅助触点输出的开关信号；
液压盘刹系统，液压盘刹系统用于控制绞车的运转；
图像显示屏，所述图像显示屏用于显示绞车的运转状态。
[0006]本发明还实施另一种优选的技术方案，其中，选用的计数器模块为西门子FM350计数器。
[0007]本发明还实施另一种优选的技术方案，其中，开关信号通过CPU模块数字量输入端口输入到CPU模块。
[0008]本发明的档位分为低速档和高速档，其中，低速档的传动比η设定值为9.667.高速档的传动比η设定值为4.862。
[0009]本发明还提供一种石油钻机双档绞车差速控制方法，其中，所述控制方法包含的步骤有:
a、第一增量式编码器采集电机输入轴上的转速信息V1，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
b、第二增量式编码器采集滚筒上的转速信息\，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
c、CPU模块读取辅助触点给出的换挡开关信号，通过所述换挡开关信号判断绞车处于高速档或低速档状态，然后通过CPU模块计算出绞车处于高速档或低速档的传动比η。
[0010]d、CPU模块对转速信息V1,转速信息V2,传动比η进行运算，若:
I)、电机输入轴转速Vl除以滚筒转速V2的取值范围为Jn1JKn-OJiiVl/η +0.3)，则CPU模块判断绞车运转正常，并输出到图像显示屏，显示绞车运转正常；
II)、电机输入轴转速Vl除以滚筒转速V2的取值大于【η + 0.3】(V1/ V2 > η + 0.3)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统，通过液压盘刹系统进行刹车，然后进行停机。
[0011]III)、电机输入轴转速Vl除以滚筒转速V2的取值小于【n-0.3】(VI/ V2 < η—0.3),则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统，通过液压盘刹系统进行刹车，然后进行停机。
[0012]本发明还实施另一种优选的技术方案，当判断绞车运转出现故障，停机后，维修人员对绞车进行维修。
[0013]本发明的有益效果是:通过显示屏可以有效判断出操作人员肉眼无法判断出的绞车内部发生的打滑、压力不足等传动系统故障，并能及时采取限制措施预防事故发生，整体结构体积小，便于安装，闭环控制，可靠性高。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是电子差速系统的系统结构图。
[0015]图2是绞车编码器安装位置结构示意图。
[0016]图3是差速控制系统故障报警画面(正常)。
[0017]图4是差速控制系统故障报警画面(故障)。
[0018]图5是差速控制系统流程图。
[0019]在图中，1-可编程逻辑控制器；(2、2’ )-电机；3_液压盘刹系统；4_换挡开关；4’ -辅助触点；(5、5’)-编码器；7_显示屏；(12、12’)-第一增量式编码器；(13，13’)-第一增量式编码器。
【具体实施方式】
[0020]为了更清楚的叙述本发明的实施例，下面结合附图对本发明做进一步的说明。
[0021]图1为本发明的结构示意图，参照图1所示，通过第一增量式编码器(5，5’)采集到的电机输入轴(12，12’ )转速信息V1发送给逻辑控制单元(PLC) 1，通过第二增量式编码器(5，5’)采集到的滚筒(6，6’)转速信息V2发送给逻辑控制单元(PLC)l，电机可以通过逻辑控制单元(PLC)I进行控制，逻辑控制单元(PLC)I与显示屏7连接，通过显示屏7显示钻机的运转/非正常运转状态。逻辑控制单元(PLC) I通过发送指令信息给刹车系统3，通过刹车系统3促使绞车停止运动，其中，刹车系统3为盘刹系统3。换挡开关4上设有辅助触点4’，通过辅助触点4’反馈的信息给逻辑控制单元(PLC)l，判断绞车处于高速运转状态还是低速运转状态。
[0022]图2为绞车编码器安装位置结构示意图，参照图2所示，在绞车电机输入轴(12，12’)上安装第一增量式编码器(5，5’)，通过第一增量式编码器(5，5’)检测和采集电机输入轴(12，12’)的转速信息V1,绞车电机(2，2’)用于带动电机输入轴(12，12’)和滚筒(6，6’)旋转，第一增量式编码器(5，5’)把采集到的电机输入轴(12，12’)转速信息V1输入逻辑控制单元(PLC)l，并通过逻辑控制单元I运算和进行数据分析。在滚筒出，6’)上安装有第二增量式编码器(13，13’)，通过第二增量式编码器(13，13’)检测和采集滚筒(6，6’)的转速信息V2，第二增量式编码器(13，13’)把采集到的滚筒(6，6’)转速信息％输入到逻辑控制单元(PLC)，并通过逻辑控制单元I进行运算和数据分析。在换挡开关4上还设有辅助触点4’，辅助触点4’采集换挡开关4信息，换挡开关4信息通过辅助触点4’发送给逻辑控制单元(PLC)，并通过逻辑控制单元I判断换挡开关4是处于高速档位还是处于低速档位。
[0023]逻辑控制单元(PLC) I包括CPU模块和计数器模块，其中，第一增量式编码器(5，5’)把采集到的电机输入轴(12，12’ )转速信息V1和第二增量式编码器(13，13’)把采集到的滚筒出，6’)转速信息％输入计数器模块，在本发明中，计数器模块优先选择西门子FM350计数器模块，通过西门子FM350计数器模块对电机输入轴(2，2’)转速信息V1和滚筒(6，6’)转速信息V2进行数字信号处理，开关信号输入到CPU模块，通过CPU模块对开关信息进行处理，并判断绞车是处于高速档还是处于低速档，再根据开关信号传递出的高速档位或低速档位计算出它的传动比n，在本发明中，高速档的优先选择传动比选择值为4.862，低速档的传动比为9.667。
[0024]图2还涉及到编码器的安装位置图，如图2所示，在第一电机2和第二电机2’的输入轴(12，12’ )的后端均安装有第一增量式编码器(5，5’)，通过第一增量式编码器(5，5’ )采集电机输入轴(2，2’ )的转速信息\在滚筒(6，6’ )的末端安装有第二增量式编码器(13，13’)，通过第二增量式编码器(13，13’)采集滚筒(6，6’ )的转速信息V2。
[0025]本发明控制方法的原理是，当绞车处于高速档位时，其工作步骤为:
a、第一增量式编码器采集电机输入轴上的转速信息V1，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
b、第二增量式编码器采集滚筒上的转速信息\，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
c、CPU模块读取辅助触点给出的高速档位的换挡开关信号，通过所述高速档位的换挡开关信号判断绞车处于高速档状态，然后通过CPU模块计算出绞车处于高速档或低速档的传动比η ；
d、CPU模块对转速信息V1,转速信息V2，传动比η进行运算，若电机输入轴转速VJ*以滚筒转速V2的取值范围为:
档位开关4指示的辅助触点4’在高速档位时，传动比η的取值范围为【4.862±0.3】(η - 0.3 ^ Vl/ V2 ^ η + 0.3)，则CPU模块判断绞车运转正常，并输出到图像显示屏，显示绞车运转正常；液压盘刹系统不启动。
[0026]当传动比η的取值范围不在【4.862±0.3】(η — 0.3彡Vl/ V2彡η + 0.3)范围时，则CPU模块判断绞车非正常运转，逻辑控制单元I启动报警系统，并发送指示信息给液压盘刹系统3，启动盘刹系统3，绞车停车，维修人员检修。
[0027]当绞车处于低速档位时，其工作步骤为:
a、第一增量式编码器采集电机输入轴上的转速信息V1，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
b、第二增量式编码器采集滚筒上的转速信息\，并把所述转速信息％输入到计数器模块；
c、CPU模块读取辅助触点给出的高速档位的换挡开关信号，通过所述高速档位的换挡开关信号判断绞车处于高速档状态，然后通过CPU模块计算出绞车处于高速档或低速档的传动比η ；
d、CPU模块对转速信息V1,转速信息V2，传动比η进行运算，若电机输入轴转速VJ*以滚筒转速V2的取值范围为:
档位开关4指示的辅助触点4’在低速档位时，传动比η的取值范围为【9.667±0.3】(η - 0.3 ^ Vl/ V2 ^ η + 0.3)，则CPU模块判断绞车运转正常，并输出到图像显示屏，显示绞车运转正常；液压盘刹系统不启动。
[0028]当传动比η的取值范围不在【9.667±0.3】(η — 0.3彡Vl/ V2彡η + 0.3)范围时，则CPU模块判断绞车非正常运转，逻辑控制单元I启动报警系统，并发送指示信息给液压盘刹系统3，启动盘刹系统3，绞车停车，维修人员检修。
[0029]参照图3所示，图3为差速控制系统故障正常运转画面示意图，当绞车低速档位运转时，当差速控制系统处于正常时，即滚筒(6，6’ )的转速与电机(2，2’ )转速的差距取值范围为【η±0.3】时(η=9.667)，绞车的CPU模块判断绞车处于运转正常状态。
[0030]当绞车高速档位运转时，当差速控制系统处于正常时，即滚筒(6，6’ )的转速与电机(2，2’)转速的差距取值范围为【η ± 0.3】时(η=4.862 )，绞车的CPU模块判断绞车处于运转正常状态。
[0031]参照图4所示，图4为差速控制系统故障报警画面示意图，绞车在高档位运转过程中，，当差速控制系统处于故障时，即滚筒(6，6’ )的转速与电机转速的差距大于或小于【η±0.3】(η=4.862)，若电机输入轴转速V1除以滚筒转速V2的取值大于(η+ 0.3) (VI/V2 > η + 0.3) (η=4.862)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统3，通过液压盘刹系统3进行刹车，然后进行停机；若电机输入轴转速V1除以滚筒转速V2的取值小于[η - 0.3] (Vl/ V2 < η — 0.3) (η=4.862)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统，通过液压盘刹系统进行刹车，然后进行停机。当判断绞车运转出现故障，停机后，维修人员对绞车进行维修。
[0032]绞车在低档位运转过程中，当差速控制系统处于故障时，即滚筒(6，6’ )的转速与电机转速的差距大于或小于【n±0.3】(n=9.667)，若电机输入轴转速Vj*以滚筒转速V 2的取值大于(n+ 0.3) (Vl/ V2 > η + 0.3) (η=9.667)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统3，通过液压盘刹系统3进行刹车，然后进行停机；若电机输入轴转速V1除以滚筒转速V 2的取值小于[η - 0.3] (Vl/ V2 < η — 0.3)(η=9.667)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统3，通过液压盘刹系统3进行刹车，然后进行停机。停机后，维修人员对绞车进行维修。
[0033]图5是差速控制系统流程图，参照图5所示，启动电机2，通过逻辑控制单元I判断钻机是处于高速档还是低速档，通过第一增量式编码器(5，5’)采集电机输入轴转速V1，通过第二增量式编码器(13，13’ )采集电机输入轴转速V2，再通过逻辑控制单元I计算Ii=V1/V2，如果判断钻机处于高速档时，则电机输入轴(12，12’)转速VJ*以滚筒(6，6’)转速乂2的取值范围为在【4.362 ( H=V1A2^ 5.162】时，逻辑控制单元I判断钻机处于一个正常运转状态，如果判断钻机中电机输入轴((12，12’)转速VJ*以滚筒(6，6’)转速V 2的取值范围不在【4.362 ( H=V1A2^ 5.162】时，逻辑控制单元I判断钻机处于一个非正常运转状态，逻辑控制单元I给钻机发出停止运转信号，促使钻机停止运转，维修人员进行检修。如果判断钻机处低速档时，则电机输入轴(12，12’)转速VJ*以滚筒(6，6’)转速V2的取值范围为在【9.367 ( H=V1A2^ 9.967】时，逻辑控制单元I判断钻机处于一个正常运转状态，如果判断钻机中电机输入轴(12，12’)转速VJ*以滚筒(6，6’)转速V 2的取值范围不在【9.367 ( H=V1A2^ 9.967】时，逻辑控制单元I判断钻机处于一个非正常运转状态，逻辑控制单元I给盘刹刹车系统3发出停刹车指示信息，电机(2，2’ )停止运转，维修人员进行检修。
[0034]以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为详细，只要本领域的技术人员在查看到本发明的实施例后，不脱离本发明构思的前提下，所做的改变都属于本发明的保护范围。但本文所述的实施例不能理解为对本发明的保护范围限制。
【权利要求】
1.一种石油钻机双档绞车差速电子控制系统，其特征在于，所述电子控制系统包括: 电机(2，2’)、电机输入轴(12，12’)，安装在电机输入轴(12，12’)上的第一增量式编码器(5，5’)，所述第一增量式编码器(5，5’)用于采集电机输入轴(12，12’)上的转速信息V1; 滚筒(6、6’)，安装在滚筒上的第二增量式编码器(13，13’)，所述第二增量式编码器(13，13’)用于采集滚筒(6、6’ )上的转速信息 绞车换挡开关(4)，所述绞车换挡开关(4)用于改变绞车的档位； 辅助触点(4’)，所述辅助触点(4’)设置在绞车换挡开关处(4)，所述辅助触点(4’)输出换挡开关信号； 逻辑控制单元(1)，所述逻辑控制单元(1)为绞车中央处理控制系统，所述逻辑控制单元(1)内设有计数器模块，所述计数器模块用于运算和分析第一增量式编码器(5，5’)和第二增量式编码器(6，6’)输出的转速信息('、ν2);所述逻辑控制单元(1)内设有CPU模块，所述CPU模块用于处理和运算辅助触点输出的开关信号； 液压盘刹系统(3)，所述液压盘刹系统(3)用于控制绞车的运转； 图像显示屏(6)，所述图像显示屏(6)用于显示绞车的运转状态。
2.根据权利要求1所述的双档绞车差速电子控制系统，其特征在于，所述计数器模块为西门子FM350计数器。
3.根据权利要求1所述的双档绞车差速电子控制系统，其特征在于，所述开关信号通过CPU模块数字量输入端口输入到CPU模块。
4.根据权利要求1所述的双档绞车差速电子控制系统，其特征在于，所述绞车换挡开关(4)中的档位分为低速档和高速档两个档位。
5.一种石油钻机双档绞车差速控制方法，其特征在于，所述控制方法包含的步骤有: a、第一增量式编码器(5，5’)采集电机输入轴(2，2’ )上的转速信息％，并把所述转速信息％输入到计数器模块； b、第二增量式编码器(13，13’)采集滚筒上的转速信息％，并把所述转速信息V2输入到计数器模块； c、CPU模块读取辅助触点(4’)给出的换挡开关信号，通过所述换挡开关信号判断绞车处于高速档或低速档状态，然后通过CPU模块从寄存器对应地址取出传动比η:所述高速档传动比η值为4.862，所述低速档传动比η值为9.667 ； d、CPU模块对转速信息N”转速信息V2，传动比η进行运算，若: I)、电机输入轴转速VI除以滚筒转速V2的取值范围为: 【n±0.3】(η — 0.3彡VI/ V2i； η + 0.3)，则CPU模块判断绞车运转正常，并输出到图像显示屏，显示绞车运转正常； II)、电机输入轴(12，12’)转速VI除以滚筒(6，6’)转速V2的取值大于【η + 0.3](V1/V2> η + 0.3)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统(3)，通过液压盘刹系统(3)进行刹车，然后进行停机； III)、电机输入轴转速VI除以滚筒转速V2的取值小于【η - 0.3】(V1/ V2< η — 0.3)，则CPU模块判断绞车运转出现故障，CPU模块发出停机指令给液压盘刹系统(3 )，通过液压盘刹系统(3)进行刹车，然后进行停机。
6.根据权利要求5所述的石油钻机双档绞车差速控制方法，其特征在于，当判断绞车运转出现故障，停机后，维修人员对绞车进行维修。
【文档编号】B66D5/28GK104444901SQ201410749730
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月10日 优先权日:2014年12月10日
【发明者】刘心钢, 李静 申请人:中曼石油钻井技术有限公司, 上海中曼石油装备有限公司