互為冗餘的石油鑽機雙司鑽集成操控終端的製作方法

2023-04-27 15:52:37 3

本發明屬於自動化控制技術領域，涉及一種互為冗餘的石油鑽機雙司鑽集成操控終端。

背景技術：

石油鑽機司鑽操控臺是現代石油鑽探系統中不可或缺的重要組成部分，傳統的司鑽控制臺由多個儀錶盤、物理開關、按鈕、手輪、氣控閥手柄等組成，隨著司鑽操控對象的增加，需要不斷的增大操控臺的尺寸，並增加相應的控制開關和錶盤，使得司鑽臺布置凌亂，後期擴展升級困難，並且各個子系統相互獨立，缺乏統一的協調和管理。因此如何優化鑽井作業任務，提高鑽井作業的靈活性和人性化顯得尤為重要。為此，有必要開發一套集成化的司鑽操控終端，適用自動化、智能化的鑽井作業，實現各設備間的協同作業，提高作業安全性和作業效率。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種互為冗餘的石油鑽機雙司鑽集成操控終端，解決了現有技術鑽機操作分散、可靠性差、缺乏統一監管、司鑽無法按操作習慣分配任務、系統不具備冗餘容錯能力的問題。

本發明所採用的技術方案是，一種互為冗餘的石油鑽機雙司鑽集成操控終端，包括主司鑽操控終端、副司鑽操控終端、公共操作臺三部分；

主司鑽操控終端和副司鑽操控終端兩者的機械接口及控制部分完全相同，互為冗餘，互為備用，通過模式切換多位開關及後臺的控制部分實現切換；

主司鑽操控終端用於絞車、頂驅、泥漿泵、貓頭、吊卡的操控；副司鑽操控終端用於貓道、鐵鑽工、排管機的操控；公共操作臺為兩個司鑽共用的操作臺，包括語音通話設備及司鑽房雨刮器控制旋鈕。

本發明的互為冗餘的石油鑽機雙司鑽集成操控終端，其特徵還在於：

所述的主司鑽操控終端的外部操控設備沿座椅兩側布置，包含左側觸控式一體機、左側多點觸控式鍵盤、左側多功能手柄、模式切換多位開關、聲光報警器、一級急停按鈕和二級急停按鈕，以及右側觸控式顯示屏、右側多點觸控式鍵盤、右側多功能手柄；

主司鑽操控終端的座椅還配套有機械部分，包括在座椅下部設置有控制盒和旋轉和限位機構；在座椅兩邊設置有扶手盒支撐管架，每邊的扶手盒支撐管架上安裝有屏幕支撐架及扶手盒；屏幕支撐架上安裝有左側觸控式一體機和屏幕遮陽架；扶手盒上安裝有左側多點觸控式鍵盤、左側多功能手柄、右側多點觸控式鍵盤、右側多功能手柄及語音通話機構。

所述的控制部分結構是，左側觸控式一體機、左側多點觸控式鍵盤、左側多功能手柄、模式切換多位開關、聲光報警器、一級急停按鈕、二級急停按鈕及左扶手電源模塊一起稱為左扶手單元；左扶手電源模塊分別與左側觸控式一體機、左側多點觸控式鍵盤、左側多功能手柄、模式切換多位開關、聲光報警器、一級急停按鈕及二級急停按鈕連接；

右側觸控式顯示屏、右側多點觸控式鍵盤、右側多功能手柄、右扶手電源模塊一起稱為右扶手單元；右扶手電源模塊分別與右側觸控式顯示屏、右側多點觸控式鍵盤及右側多功能手柄連接；

還包括急停控制模塊、中央控制器、通訊模塊、控制盒電源模塊，該四個部件一起稱為控制盒單元；控制盒電源模塊分別與急停控制模塊、中央控制器和通訊模塊連接；

急停控制模塊分別與一級急停按鈕、二級急停按鈕及中央控制器相連；

中央控制器分別與左側多功能手柄、右側多功能手柄、模式切換多位開關、聲光報警器、急停控制模塊及通訊模塊連接；

通訊模塊分別與中央控制器、左側觸控式一體機、左側多點觸控式鍵盤、右側多點觸控式鍵盤及中央通訊單元連接；中央通訊單元與通訊模塊相連。

所述的左側觸控式一體機、右側觸控式顯示屏分別安裝於左右扶手箱兩側，兩者之間通過dvi-d和usb信號線互聯。

所述的左側多點觸控式鍵盤與左側觸控式一體機對應配置、右側多點觸控式鍵盤與右側觸控式顯示屏對應配置；所述的工業監視控制器與左側觸控式一體機相連。

所述的主司鑽操控終端和副司鑽操控終端中的通訊模塊均與中央通訊單元相連，伺服器一、伺服器二均與中央通訊單元相連，並且同時與下位機各個二級子站相連；

伺服器一和伺服器二互為冗餘，互為備份。

本發明的有益效果是，將傳統基於物理開關和機械式儀表的鑽機操控模式變革為全數位化操作和顯示，解決了傳統鑽機操作分散、可靠性差、司鑽無法按操作習慣分配任務的問題；提出了「一鍵多能、功能復用」的全新操作理念，實現了多個設備的集成化協調和管控，提高了作業的安全性；兩套配置完全一致的雙司鑽集成操控終端互為冗餘，互為備用，大大提高了系統作業的適用性和冗錯能力。

附圖說明

圖1是本發明裝置執行部分的布局圖(座椅俯視)；

圖2是本發明裝置機械部分的布置圖(座椅後視)；

圖3是本發明裝置控制部分的模塊連接框圖；

圖4是本發明裝置控制部分的對外接口框圖。

圖中，1.左側觸控式一體機，2.右側觸控式顯示屏，3.左側多點觸控式鍵盤，4.右側多點觸控式鍵盤，5.左側多功能手柄，6.右側多功能手柄，7.模式切換多位開關，8.聲光報警器，9.一級急停按鈕，10.二級急停按鈕，11.急停控制模塊，12.中央控制器，13.通訊模塊，14.左扶手電源模塊，15.右扶手電源模塊，16.控制盒電源模塊，17.中央通訊單元，18.工業監視控制器，19.主司鑽通訊模塊，20.副司鑽通訊模塊，21.伺服器一，22.伺服器二，23.二級子站，24.公共操作臺，25.控制盒，26.扶手盒支撐管架，27.屏幕支撐架，28.扶手盒，29.屏幕遮陽架，30.座椅，31.旋轉和限位機構。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明裝置包含外設的執行部分和後臺的控制部分，

參照圖1、圖2，執行部分包括主司鑽操控終端(圖中左側集成一體化座椅)、副司鑽操控終端(圖中右側集成一體化座椅)、公共操作臺24三部分；

主司鑽操控終端主要用於絞車、頂驅、泥漿泵、貓頭、吊卡等鑽井設備的操控；副司鑽操控終端主要用於貓道、鐵鑽工、排管機等管柱處理設備的操控；公共操作臺24為兩個司鑽共用的操作臺，包括語音通話設備及司鑽房雨刮器控制旋鈕等。

本發明通過主副雙司鑽的協調配合實現整套鑽井設備的集成管控，革新了傳統鑽機「單司鑽外加多人室外人工操作配合」作業的模式，降低了室外多人作業的勞動強度，解放了勞動力。

主司鑽操控終端和副司鑽操控終端兩者的機械接口及控制部分完全相同，通過模式切換多位開關7及後臺的控制部分實現角色的切換，即主司鑽操控終端(圖中左側集成一體化座椅)上的模式切換多位開關7切換到「副司鑽」模式時，該主司鑽操控終端即轉變為副司鑽操控終端，能夠完成對應副司鑽設備的操控；同理副司鑽操控終端也可以切換到「主司鑽」模式，實現對應主司鑽設備的操控。從而使得雙司鑽操控終端具備了互為冗餘、互為備用的功能；當然，兩個操控終端不能同時切換為同一種模式，後臺程序具備模式互鎖邏輯保護功能，根據先觸發先佔用此模式的原則實現設備的管理策略。

通過成功開發的該模式切換功能，使得兩套配置完全一致的雙司鑽集成操控終端互為冗餘，互為備用，顯著提升了系統的冗餘容錯能力，減少作業過程中非計劃停機時間，提高了作業效率。在使用中，除了建立根和起下鑽作業過程中需要主副雙司鑽協同配合外，其他大部分作業過程均為主司鑽操控鑽井設備；此時，當主司鑽操控終端出現故障，通過模式切換，可使得副司鑽操控終端具備和主司鑽操控終端完全一致的操控功能，接管已出現故障的主司鑽操控終端，實現正常鑽井作業。而傳統的單司鑽不具備此功能，出現故障只能停機進行故障排查和維修。

以下選用主司鑽操控終端為例對集成操控終端布局進行說明。

參照圖1，主司鑽操控終端的外部操控設備沿(司鑽)座椅30兩側布置，包含左側觸控式一體機1、左側多點觸控式鍵盤3、左側多功能手柄5、模式切換多位開關7、聲光報警器8、一級急停按鈕9和二級急停按鈕10，以及右側觸控式顯示屏2、右側多點觸控式鍵盤4、右側多功能手柄6；

參照圖2，主司鑽操控終端的座椅30還配套有機械部分，包括在座椅30下部設置有控制盒25和旋轉和限位機構31；在座椅30兩邊設置有扶手盒支撐管架26，每邊的扶手盒支撐管架26上安裝有屏幕支撐架27及扶手盒28；屏幕支撐架27上安裝有左側觸控式一體機1和屏幕遮陽架29；扶手盒28上安裝有左側多點觸控式鍵盤3、左側多功能手柄5、右側多點觸控式鍵盤4、右側多功能手柄6及語音通話機構；

公共操作臺24分為上下兩個箱體，上箱體面板上布置有共用的開關、按鈕、指示燈、儀表以及語音通話機構的話筒；下箱體作為文件箱，用於存儲說明書、操作維護手冊、圖紙等文件資料。

通過司鑽操控終端模塊化和數位化設計，將傳統鑽機司鑽基於物理開關和機械式儀表的操作及顯示模式變革為全數位化操作和顯示，徹底解決了傳統鑽機操作分散、可靠性差、司鑽無法按操作習慣分配任務的問題，提高了系統的靈活性，更易於後期的擴展和升級，操作界面也更加人性化。

參照圖3，單個司鑽集成操控終端的控制部分(功能單元)結構是，包括三個電控單元，即左扶手單元、控制盒單元和右扶手單元，

上述的左側觸控式一體機1、左側多點觸控式鍵盤3、左側多功能手柄5、模式切換多位開關7、聲光報警器8、一級急停按鈕9、二級急停按鈕10及左扶手電源模塊14一起稱為左扶手單元；左扶手電源模塊14分別與左側觸控式一體機1、左側多點觸控式鍵盤3、左側多功能手柄5、模式切換多位開關7、聲光報警器8、一級急停按鈕9及二級急停按鈕10連接，提供供電；

還包括急停控制模塊11、中央控制器12、通訊模塊13、控制盒電源模塊16，該四個部件一起稱為控制盒單元；控制盒電源模塊16分別與急停控制模塊11、中央控制器12和通訊模塊13連接，提供供電；

右側觸控式顯示屏2、右側多點觸控式鍵盤4、右側多功能手柄6、右扶手電源模塊15一起稱為右扶手單元；右扶手電源模塊15分別與右側觸控式顯示屏2、右側多點觸控式鍵盤4及右側多功能手柄6連接，提供供電；

急停控制模塊11分別與一級急停按鈕9、二級急停按鈕10及中央控制器12相連，實現兩個不同安全管控級別的急停控制；一級急停按鈕9為動力急停級別，緊急情況下拍下此按鈕，控制部分所有動力切斷，為最高級安全保護；二級急停按鈕10為設備急停級別，緊急情況下拍下此按鈕，對應被控設備停止動作並處於保壓(針對液控加持系統)、關斷(針對液氣供給系統)和(或)懸停剎車狀態(針對變頻傳動系統)；

中央控制器12分別與左側多功能手柄5、右側多功能手柄6、模式切換多位開關7、聲光報警器8、急停控制模塊11及通訊模塊13連接，採集和接收各個單元發送來的指令及狀態信號；

通訊模塊13分別與中央控制器12、左側觸控式一體機1、左側多點觸控式鍵盤3、右側多點觸控式鍵盤4及中央通訊單元17連接，用於建立各個單元之間的通訊聯繫，實現控制指令的相互傳遞和信號的共享，搭建集成操控終端內部設備之間的網絡平臺；中央通訊單元17與通訊模塊13相連，實現司鑽操控終端與下位鑽井系統的通訊；

左側觸控式一體機1、右側觸控式顯示屏2分別安裝於左右扶手箱兩側，用於所有管控設備的畫面顯示、設定以及控制，兩者之間通過dvi-d和usb信號線互聯，實現信號的傳輸；

左側多點觸控式鍵盤3與左側觸控式一體機1對應配置、右側多點觸控式鍵盤4與右側觸控式顯示屏2對應配置，各自實現對應設備的操控；

工業監視控制器18與左側觸控式一體機1相連，把多個設備監視的視頻信號送至左側觸控式一體機1運行軟體的畫面中顯示。

通過司鑽集成操控終端控制部分的模塊連接框圖可以看出，系統通過中央控制器12、通訊模塊13、急停控制模塊11及控制盒電源模塊16建立起了司鑽操控終端上的其他所有控制及顯示元器件的電氣連接關係，依靠中央控制器12及通訊模塊13即可實現所有指令下發，也可實現所有信號的接收，從而實現了鑽井設備管控的集成化、信息化和智能化。

其中集成化體現在通過中央控制器12和通訊模塊13實現對所有操控設備的集成管理，通過「一鍵多能、功能復用」的全新操作理念，根據不同工況和操作界面，給對應的左側多點觸控式鍵盤3、右側多點觸控式鍵盤4、左側多功能手柄5及右側多功能手柄6分配不同功能和任務。

信息化體現在通過開發數據顯示系統把所有參數以指示燈、柱狀圖、電子錶盤、顯示文本框等的方式在左側觸控式一體機1、右側觸控式顯示屏2上進行展示。

智能化體現在通過開發安全保護系統(例如斷電保護、多設備聯動防碰保護、互鎖保護等)，提高系統的作業安全性，規避了常見的誤操作及人員疏忽引起的安全隱患，確保設備安全、人員安全和工程安全。

參照圖4，主司鑽通訊模塊19(即前述主司鑽操控終端中的通訊模塊13)、副司鑽通訊模塊20(即前述副司鑽操控終端中的通訊模塊13)與中央通訊單元17相連，伺服器一21、伺服器二22均與中央通訊單元17相連，並且同時與下位機各個二級子站23相連，從而建立起了上位機和下位機之間的連接，通過報文實現了雙司鑽操控終端與伺服器、以及與各個二級子站之間的通訊，從而實現在司鑽房內遠程管控各個現場設備，即實現了主司鑽操控終端、副司鑽操控終端與下位機各個二級子站23之間的指令下發和信息上傳。

伺服器一21和伺服器二22互為冗餘，互為備份，提高了上位機與下位機之間通訊的冗餘容錯能力，確保系統穩定可靠的運行。