重庆科技学院本科生毕业设计 3司钻房控制系统设计
操作手柄多放在转椅控制台上。集成式阀岛作为石油钻机司钻控制房气控系统的高度集成化的产物, 业已成为气控系统的核心部件, 是气源输入和输出的通道。在集成式阀岛的各个表面上, 分别有供应压力表的输出气源出口、供应外接控制阀的输出接口、输出控制气源出口、电磁阀输出接口、压力开关和传感器的输出接口等, 分别用于不同器件的联接, 从而实现不同的功能。根据集成式阀岛表面气源出口的不同, 可分为压缩型集成式阀岛、标准型集成式阀岛和扩展型集成式阀岛3种, 阀岛间可通过机械联接, 实现无限扩充。各种集成式阀岛之间亦可实现上述功能。电控系统包括PLC、电控开关和防爆电控箱等三大部分。电控开关通过PLC可以实现对钻井泵、绞车电动机、补给泵等设备的监控和操作, 其一般摆放在司钻台和转椅控制台上。考虑到钻机的工作环境经常会有易燃易爆气体, 因此司钻控制房内的全部电气元件均有防爆的要求, 安装电控开关的司钻台和转椅控制箱应有必要的防爆机构或设备。防爆电控箱自成一体, 是司钻控制房内全部电气元件和设备的控制中心, 内部安装有PLC、各类电气元件等。由司钻控制房外引入一路总电源, 连接到电控箱内, 再由电控箱分配给司钻房内的其他电气元件。一路输入, 多路输出, 易于维护, 便于保养。此外, 对于自动送钻系统和顶部驱动系统的控制, 一般多采用独立的触摸式显示屏和控制箱方式进行操作。
3.1.3 司钻控制房的显示系统概述
司钻控制房的显示系统包括大钩悬重组件、立管压力组件、吊钳扭矩组件、钻井多参数显示仪和多画面监视器等。指重表、立管压力表、吊钳扭矩表是司钻控制房内少数几个仍采用液压控制方式的仪器仪表。目前, 数字化的代替产品已经问世, 但由于精度和可靠性等方面的原因, 尚不能全面取代传统的液压仪器仪表。钻井多参数显示仪是一种数字式的钻井参数显示设备, 主要包括系统、逻辑、参数仪表和司钻等4个界面。系统界面包括有传动系统各设备运行状况, 并显示各设备运行参数；逻辑界面包含有传动系统逻辑关系及连锁点的工作状态；参数仪表界面包含有钻井各设备运行参数, 如大钩钩载、立管压力、钻井泵冲次、转盘转速、转盘扭矩、游车高度、钻井液容积、出口排量等；司钻界面包括有司钻要经常查看的设备运行状况, 如游车高度、转盘转速、转盘扭矩、钻井泵冲次、钻井泵泵压、发电机功率百分比等。随着触摸式显示屏制造技术的日新月异, 触摸式的钻井多参数显示仪日渐普及。多画面监视器是司钻用来间接观察钻机运行情况的重要窗口。通过安装在不同位置的摄像机, 司钻不出司钻控制房, 就可以清楚地观察到二层台、天车、游车、绞车、钻井泵和振动筛等设备的运行情况, 以便及时发现问题, 并做出相应的调整措施。多画面监视器如同钻井多参数显示仪一样, 也多采用触摸屏控制方式。通过一个显示屏, 司钻即可以同时观察到上述全部设备的运行情况, 也可以单独观察每个设备的运行情况。
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3.2 司钻房气控系统概述
司钻房的控制方式有机械控制、电控制、液压控制、气控制及综合控制。气动控制系统是比较合适的一种控制方式，它能够使司钻的控制协调进行，准确地完成钻井工艺过程，目前气控方式是常用的控制方式。本章也主要以气控系统展开阐述[ 5 ]。
3.2.1 司钻房气控系统的功用
根据对钻井生产过程中钻机操作的分析，司钻房气动控制系统主要有以下几方面的功用：
① 动力机的启动、调速、并车、停止。
② 钻机绞车、转盘、刹车、钻井泵等的启动与停车。 ③ 绞车滚筒和转盘的转速及转动方向的控制。 ④ 滚筒刹车的控制。
⑤ 气动旋扣器等起下钻操作机械的控制。
⑥ 防碰天车装置、自动送钻装置及井口防喷装置的控制。
3.2.2 司钻房气控系统的工艺要求 3.2.3 司钻房气控系统的组成
气控系统主要由以下四部分机构组成。
①供气机构。将电动机或者内燃机的机械能转换为气体的压能的转换设备属于供气机构。由空压机、储气罐以及空气处理装置，如冷却器、干燥器等组成，用以提供压缩空气。
②发令机构。由发出控制命令的各种手柄、按钮、踏板等开关组成。可切断或接通气源，达到控制目的。
③传令机构。由传递各种控制信号的管线内、接头、控制供气方向和大小的阀件、杠杆等组成。这是气控系统的中间机构，也是钻机气控系统中容易出现故障的关键部位。
④执行机构。是将输出的气体压能转换为机械能的转换装备。气控系统的各种执行机构由各种起动设备感和元件组成。如气离合器、刹车气缸和风动马达等。其作用是在压缩空气的推动下，机构产生运动，从而达到执行控制的目的。
3.2.4 钻房气控系统的功能元件——阀岛
在司钻房的气动控制系统中，采用阀岛控制，其特点是动作灵敏、结构简单、安装维护方便、操作容易、环境适应能力强（可用于各类防爆区域，不会对环境造成污染）和使用寿命长（1000万次）。在司钻控制气动系统中使用阀岛的一个更大的好处就是阀岛的连接控制电缆为一根多芯电缆，根据阀岛的插头要求，阀岛的电缆也是事先连接好的，用户使用时只需插拔防爆插头连接即可。这样就可以
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省去大量的时间去连接以往的气路控制软管，也不用一一去对应接口[ 6 ]。
阀岛主要由多针插头顶盖、功能阀片、左端板、右端板、气路板、标牌安装架、安装附件等组成。如图3.2所示
图3.2 阀岛的机构图
顶盖带有一个25针D型插头/插座，如图3.3所示，其作用时将控制信号通过多芯电缆传输到阀岛，控制阀岛工作，顶盖设置有阀工作状态显示和保护电路。
25131224231110229218201971861751615431421
图3.3 25针D型插头
3.3 司钻房气控系统方案
3.3.1 司钻房阀岛功能分配
阀岛的功能阀片由六片阀片组成，每一片代表两个二位三通气控阀，共组成12个二位三通气控阀，其插头电缆分区和插脚分配如表3.1所示，从左至右的功能如图3.4所示:
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表3.1 带电缆的25针D型插头电缆区分和插脚分配
针脚24VDC数目 芯线颜色 阀片 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
阀位置 14（上手动按钮） 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 阀对应流程顺序 1盘刹控制 2气喇叭 3转盘控制 备注 压力开关 压力开关 压力开关 接地 白色 绿色 黄色 灰色 粉红色 蓝色 红色 紫色 灰-粉红 红-蓝 白-绿 棕-绿 白-黄 黄-棕 白-灰 空置 空置 空置 空置 空置 空置 空置 空置 棕色 黑色 公共（0V） 1 2 12（下手动按钮） 4自动送钻离合 14（上手动按钮） 5风动上扣 6风动卸扣 7左滚筒离合 8防碰释放 9右滚筒离合 10备用 11备用 12备用 3 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 4 5 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 12（下手动按钮） 14（上手动按钮） 6 12（下手动按钮） 21
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123456789101112 气源
盘刹气喇叭转盘自动卸扣上扣惯刹送钻控制左滚筒防碰右滚筒备用开关备用备用
图3.4 阀岛实现功能图
3.3.2 司钻房气控系统设计
司钻房阀岛实现的功能，主要是盘刹控制、气喇叭、转盘惯刹、自动送钻、上扣、卸扣、左滚筒离合、右滚筒离合、防碰释放。其中，盘刹控制主要是负责滚筒离合摘离和自动送钻离合摘离，根据钻井工艺的要求，井架防碰开关打开、游车高度报警或送钻故障、油压异常和主电机异常四种情况下，要保证滚筒离合和自动送钻离合摘离；风动旋扣器主要负责转盘的上、卸扣；当游车出现紧急高度，在恢复时要进行防碰开关的释放。这一系列的功能都是通过PLC，以及气动阀岛来实现的。既然要使用PLC控制，就要有准确的电信号来实现着这些功能。表3.2是司钻房阀岛功能电信号对照表。为了控制工艺的要求，如准确度和安全等级要求，还要借助外围的气控设备和一些功能开关[ 12 ]，其气控系统原理图如图3.5所示。
表3.2 司钻房电信号表
司钻房电信号名称对照表 序号 符号 信号名称 1 电信号a1 井架防碰开关产生信号 2 电信号a2 游车高信号和送钻故障信号 3 电信号a3 油压异常信号 4 电信号a4 主电机故障信号 5 电信号b 气喇叭信号 6 电信号c 转盘惯刹信号 7 电信号d 自动送钻离合关信号 8 电信号e 上扣信号 9 电信号f 卸扣信号 10 电信号g 防碰开关释放信号 11 电信号h 滚筒离合信号 12 电信号i 备用开关信号 13 电线号j1 左滚筒离合信号 14 电信号j2 右滚筒离合信号
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