一種陸地鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)的三維動畫模型的生成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鉆機模擬系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種陸地鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)的三維 動畫模型的生成方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著中國石油技術(shù)開發(fā)公司業(yè)務(wù)全球化，鉆機業(yè)務(wù)遍及世界各地，發(fā)展中國家已 經(jīng)成為公司主要市場。隨著出口鉆機數(shù)量增加，鉆機使用過程中出現(xiàn)的事故也越來越多，輕 則對設(shè)備造成損害，影響生產(chǎn)進度，帶來經(jīng)濟損失，重則釀成重大安全事故，造成人員傷亡。 特別是在國外鉆機的搬迀和使用過程中發(fā)生的幾次重大事故，給公司的發(fā)展和形象造成不 良影響。鉆機屬于工程機械，工程機械的安全生產(chǎn)不僅直接影響機械的使用壽命，而且關(guān) 系到人員和財產(chǎn)的安全。據(jù)日本勞動科學(xué)研宄所的調(diào)查，由于操作者本人失誤而造成的機 械安全事故要占事故總數(shù)的88%，客觀原因造成的事故只占9%，其余2%為不可抗拒的原 因，事故原因不明者只占1%。由此可見，工程機械安全事故中的97%是可以采取預(yù)防措施 的。而這些事故中的百分之九十以上是由于操作人員沒有掌握正確的使用方法和操作不規(guī) 范造成的。在拉美、非洲和中亞等國家由于文化差異和技術(shù)水平的限制，井場設(shè)備安裝、拆 卸過程中的問題尤為突出。
[0003] 在鉆井完成后，需要將井場設(shè)備如底座、井架、泥漿泵、防噴器組等進行拆卸，搬運 到其他鉆井現(xiàn)場，并進行安裝，以便開始新的鉆井作業(yè)。在設(shè)備安裝和拆卸過程中，必須遵 循一定的操作規(guī)程和技術(shù)要領(lǐng)，才能保證設(shè)備的正確安裝、正確拆卸和安全使用。
[0004] 然而，目前設(shè)備使用者的操作規(guī)程和技術(shù)要領(lǐng)主要是通過廠家提供的說明書和培 訓(xùn)獲取，而操作技能則是靠經(jīng)驗的積累和師傅的傳授，這些方式往往存在以下問題：
[0005] 實踐機會有限，難以提高技術(shù)水平：由于鉆井作業(yè)的特殊性，鉆井設(shè)備的拆卸和安 裝等工作往往要幾個月，甚至一年才進行一次，操作人員很難通過實際操作積累各種經(jīng)驗。 另外，在設(shè)備安裝、拆卸過程中，事故發(fā)生的幾率相對較小，個體對事故的處理經(jīng)驗極為有 限，對事故的判斷、處理能力很難在實際的生產(chǎn)活動中積累和提高。一旦突發(fā)事故，往往由 于缺乏經(jīng)驗和處理能力，造成重大生命和財產(chǎn)損失。
[0006] 傳統(tǒng)的技術(shù)手冊、操作說明書內(nèi)容零散，查閱不方便。有些復(fù)雜的操作過程很難用 文字描述清楚，加之個體理解的差異，極可能導(dǎo)致誤操作和事故發(fā)生。如何提高設(shè)備使用者 技能水平，避免因操作不當造成的設(shè)備損壞，減少事故發(fā)生，是公司目前必須解決的緊迫問 題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了一種陸地鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)的三維動畫模型的生成方法，陸地 鉆機安裝操作模擬系統(tǒng)包括：司鉆操作臺、鉆機模型、教師操作臺及三通道環(huán)幕投影顯示系 統(tǒng)。
[0008] 司鉆操作臺包括機箱、內(nèi)部控制板和參數(shù)計算機，所述的機箱的正面設(shè)有司鉆操 作臺正面控制面板，機箱的一個側(cè)面設(shè)有司鉆操作臺側(cè)面控制面板，機箱的另一個側(cè)面設(shè) 有頂驅(qū)機械控制面板以及緩沖液缸的控制面板。其中在司鉆操作臺正面控制面板上設(shè)置 有電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開關(guān)、防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻 尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒離合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開 關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及 緊急制動開關(guān)；還包括顯示表組，其中所述顯示表組包括氣源壓力表、冷卻水壓表、絞車油 壓表、轉(zhuǎn)盤油壓表、轉(zhuǎn)盤扭矩表、泵壓表、大鉗扭矩表、左鉗扭矩表、右鉗扭矩表、安全鉗壓力 表、貓頭壓力表、鉆井扭矩表、轉(zhuǎn)速表、轉(zhuǎn)盤電流表、鎖檔壓力表以及過卷壓力表；司鉆操作 臺側(cè)面控制面板上設(shè)置指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁 路開關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、2 號泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開關(guān)、低壓報警器開關(guān)；
[0009] 司鉆操作臺的內(nèi)部控制板包括司鉆操作臺第一可編程控制器PLC1和第二可編程 控制器PLC2，上述可編程控制器PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議進行通信，其中 第一可編程控制器PLC1的CPU模塊通過A/D模塊分別與電源按鈕、開機按鈕、氣喇叭開關(guān)、 防碰釋放按鈕、懸重緩沖閥、鉆壓緩沖閥、吊鉗扭矩阻尼器、立管壓力阻尼器、撈剎滾筒離 合、輸入軸慣剎控制開關(guān)、換檔控制開關(guān)、貓頭控制開關(guān)、風(fēng)動旋扣控制開關(guān)、滾筒高低速開 關(guān)、油缸選擇開關(guān)、底座液壓開關(guān)、駐車制動開關(guān)以及緊急制動開關(guān)連接，通過PLC的開關(guān) 量輸入端口分別與指配開關(guān)、發(fā)電機急停按鈕、整流急停按鈕、測試急停按鈕、PLC/旁路開 關(guān)、電磁渦流剎車開關(guān)、轉(zhuǎn)盤正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、絞車正反轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、1號泥漿泵開關(guān)、2號 泥漿泵開關(guān)、3號泥漿泵開關(guān)、低壓報警器開關(guān)進行連接；通過PLC采集司鉆操作臺上的各 個開關(guān)，旋鈕狀態(tài)以模擬絞車的升降控制，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速控制，泥漿泵的調(diào)速控制；同時采集 絞車離合器位置、絞車檔位、轉(zhuǎn)盤離合器位置、轉(zhuǎn)盤檔位、泵調(diào)節(jié)器位置、柴油機功率調(diào)節(jié)器 位置；監(jiān)測懸重、鉆壓、鉆機氣源壓力、泥漿密度、泥漿粘度以及泥漿失水等參數(shù)，通過PLC 的控制使得司鉆操作臺實現(xiàn)對井架/底座的起升控制、對鉆盤的轉(zhuǎn)速控制以及對泥漿泵的 調(diào)速控制。
[0010] 其中頂驅(qū)機械控制面板上設(shè)置有急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕、吊環(huán) 回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、吊環(huán)傾斜選擇開 關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向 選擇開關(guān)；緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸 伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模塊 通過A/D模塊分別與急停按鈕、吊環(huán)中位按鈕、復(fù)位/靜音按鈕連接，通過PLC的開關(guān)量輸 入端口分別與吊環(huán)回轉(zhuǎn)選擇開關(guān)、內(nèi)防噴器開關(guān)、液壓泵開關(guān)、鎖緊銷開關(guān)、背鉗選擇開關(guān)、 吊環(huán)傾斜選擇開關(guān)、剎車選擇開關(guān)、輔助操作開關(guān)、風(fēng)機選擇開關(guān)、電機選擇開關(guān)、操作選擇 開關(guān)、旋轉(zhuǎn)方向選擇開關(guān)進行連接以實現(xiàn)對頂驅(qū)進行控制。
[0011] 其中緩沖液缸的控制面板上設(shè)置有左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液 缸伸出/縮回控制手柄；其中司鉆操作臺的內(nèi)部控制板的第二可編程控制器PLC2的CPU模 塊通過A/D模塊分別與左右液缸選擇手柄、液缸壓力選擇手柄以及液缸伸出/縮回控制手 柄連接以對緩沖液缸進行控制。
[0012] 參數(shù)計算機作為分布式的上位機完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制，主控計算機和 圖形計算機完成系統(tǒng)主程序的執(zhí)行和環(huán)幕圖形的處理和顯示，各臺計算機通過TCP/IP協(xié) 議互聯(lián)。司鉆操作臺和鉆機模型之間的前端數(shù)據(jù)采集及控制由SIEMENSS7-200PLC完成， 并連接構(gòu)成西門子PPI網(wǎng)絡(luò)。PLC與參數(shù)計算機數(shù)據(jù)通信采用RS232協(xié)議。其中該參數(shù)計 算機具有完成從PLC獲取前端硬件信息后，將信息發(fā)送給主控計算機的通信模塊，其中通 信模塊還將主控計算機發(fā)送過來的信息通過PLC傳輸給前端硬件加以顯示。
[0013] 鉆機模型包括井架模型和底座模型，井架模型包括井架和井架核心控制機。其中 井架為前開口型井架，由主體、人字架及附件組成，附件主要有二層臺、死繩穩(wěn)定器、籠梯。 井架主體由左上段、右上段、左中上段、右中上段、左下段和右下段及背橫梁、斜拉桿、連接 架組成一個前開口型鋼架結(jié)構(gòu)，主體的調(diào)整固定是由兩個卡銷完成。人字架是由左、右前 腿，左、右后腿及橫梁等組成的門形結(jié)構(gòu)，用來起放和支靠井架。起升裝置由起升大繩、高支 架、低支架和游車大鉤支架組成。井架采用人字架起升方式，依靠鉆臺面絞車的動力，通過 快繩、大鉤拉動起升大繩，實現(xiàn)井架起升，井架起升時為了能夠使井架平穩(wěn)的靠放在人字架 上，同時下放井架時又能使井架重心前移，從而依靠井架本身自重下落，在人字架上設(shè)有緩 沖裝置，通過緩沖裝置的伸縮來實現(xiàn)。
[0014] 井架核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 操作按鈕對應(yīng)的物理量，以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控制臺及前端各 PLC模塊進行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔的分布式控制系統(tǒng)。各控制 臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0015] 底座模型包括底座和底座核心控制機，其中底座主要由底座主體、起升裝置、液壓 緩沖裝置組成，底座采用平行四邊形機構(gòu)的運動原理，從而實現(xiàn)了高臺面設(shè)備的低位安裝。 采用絞車動力，利用游車大鉤使底座從低位整體起升到工作位置。底座主體分為上、中、下 三層：上層為鉆臺面部分，用來安裝鉆臺面的設(shè)備，通過銷子連接組成，下層為底座基座部 分，由左如基座與左后基座、右如基座與右后基座分別用銷子連接成左、右兩個部分。左、右 兩個部分之間的連接構(gòu)件有連接梁、連接架和斜撐。中間層為支撐部分，位于上、下層之間， 起支撐鉆臺面和起放底座作用。分別由人字架前腿、人字架后腿、前立柱、后立柱、斜立柱組 成，用銷子與上、下層連接。人字架由前腿及后腿兩部分組成，起升大繩的一端固定在人字 架后腿上，人字架在整個底座起升的過程中起到支撐的作用。起升大繩兩端裝有套環(huán)，另有 參與起升的1組滑輪固定在人字架后腿上。所述鉆井模型還包括防護裝置組，其中防護裝 置組包括實現(xiàn)鉆機井架天車防碰功能的鉆機井架天車防碰裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度起升 功能的防鉆機井架過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機井架過度下放功能的防鉆機井架過度下放裝 置、實現(xiàn)防鉆機底座過度起升功能的防鉆機底座過度起升裝置、實現(xiàn)防鉆機底座過度下放 功能的防鉆機底座過度下放裝置、實現(xiàn)防鉆機大鉤過度下放功能的防鉆機大鉤過度下放裝 置。
[0016] 底座核心控制機選用西門子S7-200系列可編程控制器直接控制司鉆操作臺上的 各個物理量（應(yīng)該是各個開關(guān)按鈕吧），以參數(shù)計算機作為上位機，由教師控制機對絞車控 制臺及前端各PLC模塊進行統(tǒng)一管理。整個系統(tǒng)構(gòu)成一個資源共享、任務(wù)分擔的分布式控 制系統(tǒng)。各控制臺之間的通信采用西門子專用PPI通訊協(xié)議。
[0017] 為實現(xiàn)模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的可重用性，鉆機井架底座模型安裝一定的保護裝置，包括 鉆機井架天車防碰裝置、防鉆機井架過度起升裝置、防鉆機井架過度下放裝置、防鉆機底座 過度起升裝置、防鉆機底座過度下放裝置、防鉆機大鉤過度下放裝置。為實現(xiàn)井架底座的起 升和下放并受控于司鉆操作臺，系統(tǒng)采用步進電機來實現(xiàn)絞車功能。
[0018] 陸地鉆機安裝操作模擬培訓(xùn)系統(tǒng)的主控計算機必須持續(xù)不斷的與前端硬件進行 通信，以獲取前端的設(shè)備狀態(tài)，也就是獲取培訓(xùn)學(xué)員的操作過程；實時獲取前端硬件的設(shè)備 狀態(tài)后，經(jīng)過主控計算機處理，驅(qū)動圖形軟件產(chǎn)生與硬件設(shè)備操作同步的動畫過程；同時， 還設(shè)置有硬件校正模塊，對如旋鈕，手柄，腳油門等產(chǎn)生連續(xù)數(shù)值的硬件進行校正，已滿足 用戶的使用習(xí)慣，仿真現(xiàn)場操作觸感。
[0019] 在模型中，所有數(shù)學(xué)模型的建立及參數(shù)確定，都基于以下假設(shè)：
[0020] 1)、鉆井液環(huán)空攜巖能力Lc彡0? 5 ;環(huán)空鉆肩濃度Ca< 0? 09 ;環(huán)空流態(tài)穩(wěn)定參數(shù) 值Z<井眼穩(wěn)定值Z值。
[0021] 2)、所用通用鉆速方程是建立在地層統(tǒng)計可鉆性的基礎(chǔ)上的，它反映了不均質(zhì)地 層可鉆性的宏觀規(guī)律。同時假設(shè)影響鉆速的鉆壓指數(shù)、轉(zhuǎn)速指數(shù)、水力參數(shù)、鉆井液密度差 與地層宏觀性等這些單因素是互不影響的獨立變量的基礎(chǔ)上建立起來的函數(shù)關(guān)系。
[0022] 3)、鉆井中發(fā)生溢流時，單位時間內(nèi)進入環(huán)空的泥漿和氣體形成的混氣泥漿是均 勻混合的。在這種假設(shè)下，我們可以將單位體積的混和泥漿中的氣體含量看成是相等的。
[0023] 4)、發(fā)現(xiàn)溢流后，應(yīng)及時停泵關(guān)井。在井內(nèi)壓力平衡前，地層氣體仍然會不斷地進 入井內(nèi)。因此，假設(shè)從停泵關(guān)井到關(guān)井穩(wěn)定這段時間內(nèi)，井內(nèi)形成一段連續(xù)的純氣柱；且在 壓井過程中，此連續(xù)氣柱不被破壞。
[0024] 5)、氣體從地層中進入井筒符合達西定律。
[0025] 6)、若進入井內(nèi)的溢流為氣體，則假設(shè)氣體溢流在環(huán)空內(nèi)上升時要膨脹，其膨脹過 程符合氣體狀態(tài)方程，且忽略氣體滑脫現(xiàn)象。
[0026] 7)、假設(shè)井內(nèi)的地溫梯度為一常數(shù)，則：
[0027] 井底溫度=地溫梯度X井深+井口溫度。
[0028] 由于本模型主要用于模擬培訓(xùn)，因此，在計算時間、計算精度