一种石油钻机游车提升装置的电子防碰保护方法及系统与流程

本发明涉及石油钻井及自动化领域，特别是涉及一种石油钻机游车提升装置的电子防碰保护方法及系统。

背景技术：

对于提升系统来说，操作人员需要实时掌握游车位移的具体位置。从安全性角度来说，如果司钻操作人员不能掌握准确实时的游车位置信息，就可能造成“上碰天车，下砸钻台”危险事故。

目前的电子防碰系统，其可靠性极差:零位漂移非常严重。司钻每提升10柱以上的钻具，零位就会自动飘逸，大钩高度的测量值与实际值偏差也较大。通过校正直线斜率的大钩高度计算方式，要求每割一次大绳则需要拉一次米尺做一次标定，比较麻烦，同时也存在零位飘移的问题。有些电子防碰系统每更换一次大绳就需要校正一次系统，或者每隔一段时间校正一次，较麻烦，工作效率低。

如何只通过标定滚筒初始大绳的层数和圈数，既能解决零位漂移，又能提高其使用的可靠性，这一问题摆在了我们的面前。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，设计出一种石油钻机游车提升装置的电子防碰保护方法及系统，解决了现有的电子防碰保护系统零位漂移问题严重的问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种石油钻机游车提升装置的电子防碰保护方法，具体包括以下步骤：

步骤1：构建大钩高度测量模型；

首先，构造钢丝绳的理论移动长度公式；然后，获取滚筒上增加的第n层钢丝绳的累积误差δdn；最后，根据每层钢丝绳的累计误差对钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿，得到钢丝绳的实际移动长度公式，钢丝绳的实际移动长度即为大钩高度；

步骤2：获取滚筒直径、钢丝绳直径、游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数以及游车零位时的编码器脉冲数并存储于plc控制系统中；

步骤3：plc控制系统根据钢丝绳的实际移动长度公式计算大钩高度，通过大钩高度判断游车是否达到上碰减速点、上碰点或下砸点，若达到上碰减速点而未超过上碰点，则控制游车的上提速度减速至原来的50％；若达到上碰点或下砸点，则控制液压盘刹动作，使滚筒抱闸，游车停止移动。

进一步地，所述钢丝绳的理论移动长度公式为且其中n≤6且n为正整数，n为滚筒上增加的钢丝绳的层数，yn、yn-1分别为滚筒上增加n层、n-1层钢丝绳时钢丝绳移动的长度，xn、xn-1分别为滚筒上增加n层、n-1层钢丝绳时的编码器脉冲数，d为滚筒直径，a为游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数，n为滚筒上增加的钢丝绳层数，d为钢丝绳直径，y0为游车零位时钢丝绳的长度；钢丝绳的实际移动长度公式为

进一步地，所述累积误差其中ln为滚筒上增加n层钢丝绳时米尺测得的钢丝绳移动的实际长度。

进一步地，所述滚筒上增加的钢丝绳层数n的计算公式为：其中，c为滚筒上某一层钢丝绳的总圈数。

进一步地，所述滚筒上增加的钢丝绳层数n为下舍入值。

一种石油钻机游车提升装置的电子防碰保护系统，包括绞车滚筒，电机，提升游车，用于检测滚筒旋转圈数的绝对值编码器，用于制动滚筒的液压盘刹，用于计算提升游车的提升位置并对提升游车速度进行控制的钻机操作系统，用于设置提升游车的上碰点、下砸点和上碰减速点的司钻坊hmi触摸屏；所述绝对值编码器固定在绞车滚筒轴上，绝对值编码器的脉冲信号输出端与钻机操作系统的控制信号输入端连接，钻机操作系统的控制信号输出端与电机连接，电机的转轴与绞车滚筒轴固定连接，绞车滚筒内缠绕的钢丝绳与提升游车连接。

进一步地，所述钻机操作系统采用西门子fm350模块。

本发明的积极有益效果：

1、本发明的石油钻机游车提升装置的电子防碰保护系统的稳定性好、可靠性强，通过本申请的电子防碰保护方法对游车进行提升，大钩高度的测量准确性极高，滚筒上每增加一层钢丝绳对应的游车高度与游车的实际高度非常接近。

2、游车在移动过程中，通过对钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿得到钢丝绳的实际移动长度，误差校正后的大钩高度零位几乎不会发生偏移，系统理论可靠性极高。

3、误差补偿简单，在对整个电子防碰保护系统进行设计的过程中，就将滚筒上每层钢丝绳的累积误差计算出来并进行存储，在系统运行过程中，只需设置滚筒直径d和游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数a，然后从系统内部对应调用存储的累积误差，即可计算出大钩的高度，只需进行一次误差补偿；在不更换滚筒和钢丝绳的情况下，不需要对大钩的高度误差进行再次校正。

附图说明

图1为本发明电子防碰保护方法的流程图。

图2为本发明的系统原理框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

结合图2说明本实施方式，本发明的石油钻机游车提升装置的电子防碰保护系统，包括绞车滚筒、电机、提升游车、绝对值编码器、液压盘刹、钻机操作系统和司钻坊hmi触摸屏。

所述绝对值编码器用于检测滚筒的旋转圈数，液压盘刹用于制动滚筒，钻机操作系统用于计算提升游车的提升位置并对提升游车速度进行控制，在本实施例中，钻机操作系统采用西门子fm350模块。司钻坊hmi触摸屏用于设置提升游车的上碰点、下砸点和上碰减速点。所述绝对值编码器固定在绞车滚筒轴上，绝对值编码器的脉冲信号输出端与钻机操作系统的控制信号输入端连接，钻机操作系统的控制信号输出端与电机连接，电机的转轴与绞车滚筒轴固定连接，绞车滚筒内缠绕的钢丝绳与提升游车连接。

电子防碰保护系统的稳定性和可靠性归结于大钩高度的计算和校正，大钩高度越准确，校正方式越简单，则电子防碰保护系统就越可靠、越稳定。结合图1所示，本申请的石油钻机游车提升装置的电子防碰保护方法，具体包括以下步骤：

步骤1：构建大钩高度测量模型；

具体地，首先，构造钢丝绳的理论移动长度公式；然后，获取滚筒上增加的第n层钢丝绳的累积误差δdn，最后，根据每层钢丝绳的累计误差对钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿，得到钢丝绳的实际移动长度公式，钢丝绳的实际移动长度即为大钩高度。

提升游车从零位向上提升的过程中，滚筒上会增加一圈或几圈大绳，那么在大绳叠加到滚筒上时，大绳叠加后的滚筒实际直径(即滚筒直径与钢丝绳的累加层厚之和)和滚筒外侧的每层钢丝绳的圈数误差，因此，必须对计算出的钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿。在对计算出的钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿时，需要分别计算出新增加的每层钢丝绳的误差值。

假设滚筒上共增加了5层钢丝绳。当在初始层时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l0，则初始层钢丝绳产生的误差当滚筒上增加1层钢丝绳时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l1，则第一层钢丝绳产生的误差当滚筒上增加2层钢丝绳时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l2，则第二层钢丝绳产生的误差当滚筒上增加3层钢丝绳时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l3，则第三层钢丝绳产生的误差当滚筒上增加4层钢丝绳时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l4，则第四层钢丝绳产生的误差当滚筒上增加5层钢丝绳时，用米尺测量当前钢丝绳的长度l5，则第五层钢丝绳产生的误差将计算出的误差δd0、δd1、δd2、δd3、δd4、δd5存储在钻机操作系统中进行暂存备用。钻机操作系统在对钢丝绳的实际移动长度进行计算时，根据其系统内部存储的滚筒外每层钢丝绳的误差以及该层钢丝绳的理论移动长度，可对该层钢丝绳的理论移动长度进行误差补偿，得出该层钢丝绳的实际移动长度。

所述钢丝绳的理论移动长度公式为且其中n≤6且n为正整数，n为滚筒上增加的钢丝绳的层数，yn、yn-1分别为滚筒上增加n层、n-1层钢丝绳时钢丝绳移动的长度，xn、xn-1分别为滚筒上增加n层、n-1层钢丝绳时的编码器脉冲数，d为滚筒直径，a为游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数，n为滚筒上增加的钢丝绳层数，d为钢丝绳直径，y0为游车零位时钢丝绳的长度；所述滚筒上增加的钢丝绳层数n的计算公式为：其中，c为滚筒上某一层钢丝绳的总圈数，滚筒上增加的钢丝绳层数n为下舍入值；

所述钢丝绳的实际移动长度公式为

所述累积误差其中ln为滚筒上增加n层钢丝绳时米尺测得的钢丝绳移动的实际长度。

根据上述累积误差公式可以看出，在不更换滚筒和钢丝绳种类(型号)的情况下，只需在系统设计过程中补偿一次叠加钢丝绳后的滚筒总直径的累积误差即可。之后每次更换同一型号的钢丝绳或更换其他型号的钢丝绳时，都不需要对叠加钢丝绳后的滚筒总直径进行再次补偿，只需要设置滚筒直径d和游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数a即可。

步骤2：获取滚筒直径、钢丝绳直径、游车零位时滚筒上的初始钢丝绳层数以及游车零位时的编码器脉冲数并存储于plc控制系统中。

步骤3：plc控制系统根据钢丝绳的实际移动长度公式计算大钩高度，通过大钩高度判断游车是否达到上碰减速点、上碰点或下砸点，若达到上碰减速点而未超过上碰点，则控制游车的上提速度减速至原来的50％；若达到上碰点或下砸点，则控制液压盘刹动作，使滚筒抱闸，游车停止移动。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。