一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于石油鉆井絞車控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]絞車是鉆機的核心部件，它是集電、氣、液控制為一體的機械傳動設(shè)備。在起下鉆具、下套管和上卸扣、驅(qū)動轉(zhuǎn)盤、起放井架和底座等方面發(fā)揮著重要作用，其工作性能的好壞直接影響鉆機的鉆井質(zhì)量。
[0003]隨著鉆井絞車提升系統(tǒng)的安全、可靠性的要求越來越高，對電控系統(tǒng)的人性化設(shè)計、智能化操作與顯示等都提出了更高的要求。一方面，現(xiàn)有的絞車控制系統(tǒng)及保護系統(tǒng)都靠繼電器電控系統(tǒng)來完成，電控系統(tǒng)噪音大、能耗高、電氣線路過于復(fù)雜化，存在安全隱患。另一方面，絞車電控系統(tǒng)的控制器，逐步采用了 PLC可編程控制器，很大程度上提高了絞車的自動化控制水平，但PLC是基于離散-邏輯控制，在復(fù)雜算法實現(xiàn)、設(shè)備互用和企業(yè)數(shù)據(jù)集成等更高級的工業(yè)化應(yīng)用上，必須借助于單獨的處理器、網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器、運行于獨立PC的軟件中間件以及企業(yè)系統(tǒng)級的專用軟件進行綜合系統(tǒng)集成；同時，目前的絞車監(jiān)控系統(tǒng)還缺乏絞車關(guān)鍵部件的故障診斷功能。
【實用新型內(nèi)容】
[0004]本實用新型的目的是提供一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有技術(shù)不能滿足對鉆井絞車進行實時狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的問題。
[0005]本實用新型采用的技術(shù)方案是，一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，包括冗余主從PAC控制器，冗余主從PAC控制器的信號進口端通過信號處理器與信號測量單元連接，冗余主從PAC控制器的一個信號出口端通過網(wǎng)絡(luò)通訊單元與顯示單元連接，冗余主從PAC控制器的另一個信號出口端通過電氣傳動單元與絞車滾筒主體控制連接，絞車滾筒主體中的各個執(zhí)行機構(gòu)均與信號測量單元對應(yīng)連接。
[0006]本實用新型的鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征還在于:
[0007]信號測量單元包括旋轉(zhuǎn)編碼器、位移傳感器、剎車轂?zāi)p開關(guān)及壓力傳感器，其中的旋轉(zhuǎn)編碼器通過彈簧片直接安裝在絞車滾筒主體的滾筒軸上;位移傳感器垂直于滾筒軸的軸承座表面設(shè)置，左右對稱各安裝一對;剎車轂?zāi)p開關(guān)通過支架垂直于剎車轂表面固定安裝，左右對稱各設(shè)置一個;壓力傳感器與纏繞于滾筒上的鋼絲繩連接。
[0008]電氣傳動單元包括兩個變頻器，每個變頻器分別對應(yīng)控制連接一個交流變頻電動機，每個交流變頻電動機分別傳動連接一個齒輪減速箱，兩個齒輪減速箱分別位于絞車滾筒主體的兩端，每個齒輪減速箱分別通過一個聯(lián)軸器與絞車滾筒主體的滾筒軸連接。
[0009]本實用新型的有益效果是，體現(xiàn)在以下幾個方面:
[0010]1)冗余主從PAC控制器，正常工作時為主從控制器同時工作，如果一臺發(fā)生故障，剩余的控制器仍然可以正常工作；
[0011]2)PAC克服了 PLC難以進行復(fù)雜算法實現(xiàn)、難以進行設(shè)備互操作和關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)集成的缺點，充分利用其開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的互操作性、靈活性以及更高的穩(wěn)定性和實時性。同時可以將該監(jiān)控系統(tǒng)拓展，完成對陸地、以致海洋鉆井絞車、升降平臺等關(guān)鍵設(shè)備的監(jiān)控。
[0012]3)該實用新型可以對絞車滾筒軸兩端的軸承(這種關(guān)鍵部件)進行狀態(tài)監(jiān)測，并及時對可能發(fā)生的軸承磨損、滾筒軸彎曲、軸承座定位松動等遠(yuǎn)程的故障識別和報警。
[0013]4)通過WIFI無線模塊實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和視頻遠(yuǎn)傳，無線WIFI模塊，將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和視頻，在合適的通信距離內(nèi)發(fā)送給顯示單元，減少了通信電纜的使用，降低了成本。
【附圖說明】
[0014]圖1是本實用新型系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0015]圖2是本實用新型系統(tǒng)的原理不意圖。
[0016]圖中，1.信號測量單元，2.信號處理器，3.冗余主從PAC控制器，4.網(wǎng)絡(luò)通訊單元，5.顯示單元，6.電氣傳動單元，7.旋轉(zhuǎn)編碼器，8.位移傳感器，9.剎車轂?zāi)p開關(guān)，10.壓力傳感器，11.變頻器，12.交流變頻電動機，13.絞車滾筒主體，14.齒輪減速箱。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型進行詳細(xì)說明。
[0018]參照圖1、圖2，本實用新型的結(jié)構(gòu)是，包括冗余主從PAC控制器3，冗余主從PAC控制器3的信號進口端通過信號處理器2與信號測量單元1連接，冗余主從PAC控制器3的一個信號出口端通過網(wǎng)絡(luò)通訊單元4與顯示單元5連接，冗余主從PAC控制器3的另一個信號出口端通過電氣傳動單元6與絞車滾筒主體13控制連接，絞車滾筒主體13中的各個執(zhí)行機構(gòu)均與信號測量單元1對應(yīng)連接；
[0019]信號測量單元1包括旋轉(zhuǎn)編碼器7、位移傳感器8、剎車轂?zāi)p開關(guān)9及壓力傳感器10。其中的旋轉(zhuǎn)編碼器7通過彈簧片直接安裝在絞車滾筒主體13的滾筒軸上，但不隨軸一起旋轉(zhuǎn)，用以測量鉆井絞車的工作轉(zhuǎn)速，并向冗余主從PAC控制器3反饋信號以進行精確的速度控制。位移傳感器8采用電磁渦流位移傳感器，垂直于滾筒軸的軸承座表面設(shè)置，傳感器探頭通過軸承座上的孔與軸間隔一定的距離，左右對稱各安裝一對，(共四個，分成兩組)，每側(cè)的一對互呈90°夾角，以采集絞車工作過程中的軸承座振動位移信號;剎車轂?zāi)p開關(guān)9通過支架垂直于剎車轂表面固定安裝，左右對稱各設(shè)置一個，用于檢測剎車轂?zāi)p是否達到極限，如果達到極限則該側(cè)的剎車轂?zāi)p開關(guān)9接通，向冗余主從PAC控制器3發(fā)出信號；壓力傳感器10與纏繞于滾筒上的鋼絲繩連接，用于實時采集滾筒鋼絲繩懸吊重物時鋼絲繩的拉力變化。
[0020]電氣傳動單元6包括兩個變頻器11，每個變頻器11分別對應(yīng)控制連接一個交流變頻電動機12，每個交流變頻電動機12分別傳動連接一個齒輪減速箱14，兩個齒輪減速箱14分別位于絞車滾筒主體13的兩端，每個齒輪減速箱14分別通過一個聯(lián)軸器與絞車滾筒主體13的滾筒軸連接，共同控制絞車滾筒主體13的工作狀態(tài)。
[0021]信號測量單元1采集到的相關(guān)信息輸入信號處理器2，信號處理器2為具有四個串口的工業(yè)級嵌入式處理器，完成對這些信息的隔離、濾波、放大等處理過程。
[0022]冗余主從PAC控制器3包括同時工作的兩臺PAC控制器，互為主副，對信號處理器2處理后的輸入數(shù)據(jù)進行分析、處理，根據(jù)處理的結(jié)果，實時控制變頻器11的輸入轉(zhuǎn)速，進而控制交流變頻電機12的轉(zhuǎn)速，完成對絞車滾筒主體13滾筒軸的轉(zhuǎn)速控制。因為絞車正常工作時為兩臺電動機同時工作，故需要兩臺變頻器控制交流變頻電動機12。具體是該控制器在軟件程序上對信號處理器2輸入的數(shù)據(jù)進行鋼絲繩拉力報警判斷、剎車轂?zāi)p極限報警判斷、絞車滾筒轉(zhuǎn)速換算，絞車關(guān)鍵部件一一軸承的故障報警判斷，借此對鋼絲繩拉力、剎車轂、滾筒軸轉(zhuǎn)速，滾筒軸承等關(guān)鍵設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測。
[0023]網(wǎng)絡(luò)通訊單元4為無線wifi模塊，雙天線設(shè)置，300兆最大帶寬，能夠滿足現(xiàn)場惡劣條件，達到300米覆蓋范圍。網(wǎng)絡(luò)通訊單元4用于將部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)和視頻，在合適的通信距離內(nèi)發(fā)送給顯示單元5。
[0024]顯示單元5通過Modbus協(xié)議與PAC程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)實時監(jiān)控、速度顯示、緊急停車、警示等功能，方便安全地實現(xiàn)絞車自動化控制，比如剎車轂?zāi)p達到極限，剎車轂?zāi)p開關(guān)打開，該單元相應(yīng)的報警燈響起，警示用戶更換剎車轂。
[0025]本實用新型對絞車滾筒主體13中的關(guān)鍵部件一一軸承進行故障識別和報警的方式是:冗余主從PAC控制器3利用信號傅里葉變換、小波分析、全息譜等信號處理手段，對位移傳感器8采集到的滾筒軸兩端的軸承位移信息進行處理，對可能發(fā)生的軸承磨損、滾動軸彎曲、軸承座定位松動等故障進行識別和報警。最終，一旦上述任一個報警信息出現(xiàn)，冗余主從PAC控制器3即發(fā)出指令，實現(xiàn)變頻器11輸入轉(zhuǎn)速清零、進而控制交流變頻電動機12實現(xiàn)緊急停車，保證絞車滾筒主體13和人員的安全。
[0026]綜上所述，本實用新型集控制、保護、監(jiān)控于一體，通過PAC控制器和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)通訊單元的通信功能，實時監(jiān)控絞車運行狀態(tài)、報警狀態(tài)，實時監(jiān)控、速度顯示、緊急停車等功能，方便安全地現(xiàn)絞車自動化控制。借助該PAC控制器開放的架構(gòu)可以將該系統(tǒng)拓展，有利于后期的技術(shù)改造。
【主權(quán)項】
1.一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于:包括冗余主從PAC控制器(3)，冗余主從PAC控制器(3)的信號進口端通過信號處理器(2)與信號測量單元(1)連接，冗余主從PAC控制器(3)的一個信號出口端通過網(wǎng)絡(luò)通訊單元(4)與顯示單元(5)連接，冗余主從PAC控制器(3)的另一個信號出口端通過電氣傳動單元(6)與絞車滾筒主體(13)控制連接，絞車滾筒主體(13)中的各個執(zhí)行機構(gòu)均與信號測量單元(1)對應(yīng)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的信號測量單元(1)包括旋轉(zhuǎn)編碼器(7)、位移傳感器(8)、剎車轂?zāi)p開關(guān)(9)及壓力傳感器(10)，其中的旋轉(zhuǎn)編碼器(7)通過彈簧片直接安裝在絞車滾筒主體(13)的滾筒軸上;位移傳感器(8)垂直于滾筒軸的軸承座表面設(shè)置，左右對稱各安裝一對;剎車轂?zāi)p開關(guān)(9)通過支架垂直于剎車轂表面固定安裝，左右對稱各設(shè)置一個;壓力傳感器(10)與纏繞于滾筒上的鋼絲繩連接。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述的電氣傳動單元(6)包括兩個變頻器(11)，每個變頻器(11)分別對應(yīng)控制連接一個交流變頻電動機(12)，每個交流變頻電動機(12)分別傳動連接一個齒輪減速箱(14)，兩個齒輪減速箱(14)分別位于絞車滾筒主體(13)的兩端，每個齒輪減速箱(14)分別通過一個聯(lián)軸器與絞車滾筒主體(13)的滾筒軸連接。
【專利摘要】本實用新型公開了一種鉆井絞車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，包括冗余主從PAC控制器，冗余主從PAC控制器的信號進口端通過信號處理器與信號測量單元連接，冗余主從PAC控制器的一個信號出口端通過網(wǎng)絡(luò)通訊單元與顯示單元連接，冗余主從PAC控制器的另一個信號出口端通過電氣傳動單元與絞車滾筒主體控制連接，絞車滾筒主體中的各個執(zhí)行機構(gòu)均與信號測量單元對應(yīng)連接。本實用新型的裝置，具有開放的體系結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的互操作性、靈活性以及更高的穩(wěn)定性和實時性，可以對絞車關(guān)鍵部件進行狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程的故障診斷。
【IPC分類】B66D1/46, B66D1/54
【公開號】CN205151625
【申請?zhí)枴緾N201520859649
【發(fā)明人】何慶, 于興軍, 張強, 李慶福, 張彥偉
【申請人】寶雞石油機械有限責(zé)任公司
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年10月30日