一种井下水平钻孔机的控制装置

1.一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于它包括上位控制计算机(S4)、中间控制与通讯单元(S5)、三相变频器(S1)、三相调压器(S2)、三相变压器(S3)、下位嵌入式测量与控制单元(T8)、钻头给进电机(T9)、磁方位角传感器(T1)、转角驱动电机(T10)、钻头转速驱动电机(T11)和保护控制电机(T12)，上位控制计算机(S4)通过中间控制与通讯单元(S5)分别和三相变频器(S1)、三相调压器(S2)、三相变压器(S3)和下位嵌入式测量与控制单元(T8)的串行通讯端口连接，所述三相变频器(S1)输出控制信号给三相调压器(S2)，三相调压器(S2)输出控制信号给三相变压器(S3)，三相变压器(S3)分别输出三相电压信号给钻头转速驱动电机(T11)和保护控制电机(T12)，磁方位角传感器(T1)的角度信号输出给所述下位嵌入式测量与控制单元(T8)，下位嵌入式测量与控制单元(T8)分别发出控制信号给转角驱动电机(T10)、钻头转速驱动电机(T11)和保护控制电机(T12)，所述磁方位角传感器(T1)用于测量井下水平钻孔机钻头的实际方位角。
2.根据权利要求1所述的一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于所述上位控制计算机(S4)用于通过其串口发送转速控制命令、钻头钻进方位角控制命令和钻头给进量控制命令给下位嵌入式测量与控制单元(T8)；
所述下位嵌入式测量与控制单元(T8)用于根据接收到的转速控制命令控制钻头转速驱动电机(T11)的转速，进而控制井下水平钻孔机的钻头转速；它还用于根据接收到的钻头钻进方位角控制命令以及磁方位角传感器(T1)发送的角度信息控制转角驱动电机(T10)，进而控制井下水平钻孔机的钻头钻进方位角；它还用于根据接收到的钻头给进量控制命令控制钻头给进电机(T9)，进而控制钻头的进给量。
3.根据权利要求1所述的一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于它还包括钻进限位开关(T2)和后退限位开关(T3)，钻进限位开关(T2)和后退限位开关(T3)分别用于检测钻孔机钻头是否处于钻进和后退的极限位置，所述钻进限位开关(T2)和后退限位开关(T3)分别输出位置信号给下位嵌入式测量与控制单元(T8)。
4.根据权利要求1所述的一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于 它还包括第一电流传感器(T4)和第二电流传感器(T5)，第一电流传感器(T4)和第二电流传感器(T5)分别用于测量钻头转速驱动电机(T11)和保护控制电机(T12)的工作电流，所述第一电流传感器(T4)和第二电流传感器(T5)分别输出电流信号给下位嵌入式测量与控制单元(T8)。
5.根据权利要求1所述的一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于它还包括多个温度传感器(T6)，多个温度传感器(T6)分别用于测量钻头给进电机(T9)、转角驱动电机(T10)、钻头转速驱动电机(T11)和保护控制电机(T12)的壳体的温度值，所述多个温度传感器(T6)分别输出温度信号给下位嵌入式测量与控制单元(T8)。
6.根据权利要求1所述的一种井下水平钻孔机的控制装置，其特征在于它还包括拉压力传感器(T7)，拉压力传感器(T7)用于测量钻孔机钻头在钻进过程中的压力和后退过程中的拉力，所述拉压力传感器(T7)输出拉压力信号给下位嵌入式测量与控制单元(T8)。

一种井下水平钻孔机的控制装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及油田应用技术领域，属于一种井下水平钻孔机的控制装置。\n背景技术\n[0002] 目前，测控装置广泛应用于航天、水电、发电、机电、通讯技术等领域，井下水平钻孔技术也需要一套测控装置，其中钻头钻进控制装置与方法比较复杂，现有的水平钻孔机的控制装置的体积都比较大，而井下水平钻孔装置由于空间的限制，使得井下水平钻孔装置的体积不能够过大，因此阻碍了井下水平钻孔控制装置的开发，尤其是钻头钻进控制的方法和装置都比较复杂，不易实现装置的体积小型化。\n发明内容\n[0003] 为了提供一种能够实现井下水平钻孔机钻头钻进的动作控制的小型化控制装置，本发明设计了一种井下水平钻孔机的控制装置。\n[0004] 本发明的井下水平钻孔机的控制装置包括上位控制计算机S4、中间控制与通讯单元S5、三相变频器S1、三相调压器S2、三相变压器S3、下位嵌入式测量与控制单元T8、磁方位角传感器T1、钻头给进电机T9、转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，上位控制计算机S4通过中间控制与通讯单元S5分别和三相变频器S1、三相调压器S2、三相变压器S3和下位嵌入式测量与控制单元T8的串行通讯端口连接，所述三相变频器S1输出控制信号给三相调压器S2，三相调压器S2输出控制信号给三相变压器S3，三相变压器S3分别输出三相电压信号给钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，磁方位角传感器T1的角度信号输出给所述下位嵌入式测量与控制单元T8，下位嵌入式测量与控制单元T8分别发出控制信号给转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，所述磁方位角传感器T1用于测量井下水平钻孔机钻头的实际方位角。\n[0005] 本发明的优点为：填补了目前井下钻孔井机钻进控制装置在油田应用技术领域的空白，井下水平钻孔机作业的准确度高，作业过程能够被实时监测和控制。\n[0006] 附图说明\n[0007] 图1是本发明的装置结构图。\n具体实施方式\n[0008] 具体实施方式一：本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置包括上位控制计算机S4、中间控制与通讯单元S5、三相变频器S1、三相调压器S2、三相变压器S3、下位嵌入式测量与控制单元T8、磁方位角传感器T1、钻头给进电机T9、转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，上位控制计算机S4通过中间控制与通讯单元S5分别和三相变频器S1、三相调压器S2、三相变压器S3和下位嵌入式测量与控制单元T8的串行通讯端口连接，所述三相变频器S1输出控制信号给三相调压器S2，三相调压器S2输出控制信号给三相变压器S3，三相变压器S3分别输出三相电压信号给钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，磁方位角传感器T1的角度信号输出给所述下位嵌入式测量与控制单元T8，下位嵌入式测量与控制单元T8分别发出控制信号给转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12，所述磁方位角传感器T1用于测量井下水平钻孔机钻头的实际方位角。\n[0009] 本实施方式中所述的钻头给进电机T9和转角驱动电机T10可以选用步进电机，所述的钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12可以选用三相异步电动机。\n[0010] 本实施方式中所述的三相变压器S3的作用是把380伏的电压升到1000伏左右，三相调压器S2的作用是把电压稳定到1000伏，三相变频器S1的作用是可以平稳的启动钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12。\n[0011] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置中的上位控制计算机S4用于通过其串口发送转速控制命令、钻头进给速度控制命令、钻头钻进方位角控制命令和钻头给进量控制命令给下位嵌入式测量与控制单元T8；所述下位嵌入式测量与控制单元T8用于根据接收到的转速控制命令控制钻头转速驱动电机T11的转速，进而控制井下水平钻孔机的钻头转速；它还用于根据接收到的钻头钻进方位角控制命令以及磁方位角传感器T1发送的角度信息控制转角驱动电机T10，进而控制井下水平钻孔机的钻头钻进方位角；它还用于根据接收到的钻头给进量控制命令控制钻头给进电机T9，进而控制钻头的进给量。\n[0012] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置控制钻头钻进方位角的过程为：由上位控制计算机S4将钻头钻进方位角的控制命令发送给中间控制与通讯单元S5，中间控制与通讯单元S5将控制命令发送给下位嵌入式测量与控制单元T8，下位嵌入式测量与控制单元T8读取磁方位角传感器T1所测量得到的钻头当前所处的位置，根据钻头方位角存在的差异量启动转角驱动电机T10，转角驱动电机T10的输出轴的转动驱动两个摩擦轮带动井下水平钻孔机在油井套管内转动，从而实现钻头钻进方位角的控制。\n[0013] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置实现钻头进给量控制的过程为：由上位控制计算机S4将钻头进给量控制命令发送给中间控制与通讯单元S5，中间控制与通讯单元S5将控制命令发送给下位嵌入式测量与控制单元T8，下位嵌入式测量与控制单元T8对钻头给进电机T9发出驱动信号，从而获得钻头的进给量的控制，下位嵌入式测量与控制单元T8依据控制命令调整钻头给进电机T9的转速，从而完成钻头进给速度的控制。上位控制计算机S4发送的给进量控制命令根据钻机的情况而定，一般在0m到1.5m之间。\n[0014] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置实现钻头钻进方位角的控制过程为：上位控制计算机S4通过中间控制与通讯单元S5发送设定钻头钻进方位角JD1给下位嵌入式测量与控制单元T8，所述下位嵌入式测量与控制单元T8比较接收到的钻头钻进方位角JD1和磁方位角传感器T1发送的钻头实际钻井方位角JD2，当JD1＝JD2时，停止转角驱动电机T10的运转，否则控制转角驱动电机T10直到满足JD1＝JD2为止。\n[0015] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置的钻头转速控制的过程为：上位控制计算机S4经中间控制与通讯单元S5将设定钻速ω的信息发送给下位嵌入式测量与控制单元T8，所述下位嵌入式测量与控制单元T8判断设定钻头钻速ω是否有效，如果有效，则根据所述设定钻速控制钻头进行运转；如果无效，则将设定钻速ω信息发送回上位控制计算机S4重新进行判断与设定。\n[0016] 本实施方式的上位控制计算机S4发送的钻头进给速度控制命令中的钻头给进速度一般是在0r/min至50r/min之间。\n[0017] 本实施方式所述的井下水平钻孔机的控制装置在钻孔机钻头钻进过程中对于控制钻头钻进过程中钻孔的位置保持不变的控制方法为：由转角驱动电机T10的输出轴带动齿轮泵工作，工作的齿轮泵使井下水平钻孔机的内部与油井套管形成一定压力差，这一压力差将锚爪向外张开，锚爪将井下水平钻孔机固定在油井套管内，从而达到在钻头钻进过程中钻孔的位置保持不变的目的。\n[0018] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的井下水平钻孔机的控制装置的区别在于，它还包括钻进限位开关T1和后退限位开关T2，所述钻进限位开关T1和后退限位开关T2分用于检测钻孔机钻头是否处于钻进和后退的极限位置，所述的钻进限位开关T1和后退限位开关T2输出的位置信号给下位嵌入式测量与控制单元T8。\n[0019] 本实施方式增加了限位开关，所述限位开关分别检测钻孔机钻头的是否处于钻进或后退的极限位置，并将信息发送给下位嵌入式测量与控制单元T8，当所述钻孔机的钻头处于钻进的极限位置或者后退的极限位置的时候，所述下位嵌入式测量与控制单元T8控制钻头给进电机T9停止或者反方向工作，避免钻头钻进与后退超出范围。所述两个限位开关可以分别安装在钻头给进电机T9所驱动的丝杠的两端，通过检测与丝杠连接的丝母的位置来确定钻头的位置。\n[0020] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的井下水平钻孔机的控制装置的区别在于，它还包括第一电流传感器T4和第二电流传感器T5，第一电流传感器T4和第二电流传感器T5分别用于测量钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12的工作电流，所述第一电流传感器T4和第二电流传感器T5分别输出电流信号给下位嵌入式测量与控制单元T8。\n[0021] 本实施方式增加了电流检测器件，可以随时检测钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12的工作电流，下位嵌入式测量与控制单元T8根据检测到的电流的大小获得对应电机的带载情况，当发现有电机长时间工作在载荷比较大的情况时，能够发出报警并采取措施，有效避免由于长时间过大载荷造成钻头转速驱动电机T11或者保护控制电机T12的损坏。判断电机工作载荷是否过大，可以通过电机实际载荷与上位控制计算机S4发送的设定载荷进行比较获得。\n[0022] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一所述的井下水平钻孔机的控制装置的区别在于，它还包括多个温度传感器T6，多个温度传感器T6分别用于测量钻头给进步进电机T9、转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11和保护控制电机T12的壳体的温度值，所述多个温度传感器T6分别输出温度信号给下位嵌入式测量与控制单元T8。\n[0023] 本实施方式增加量温度检测器件，下位嵌入式测量与控制单元T8能够根据温度检测器件传递的温度信息随时了解各个驱动电机的壳体温度，当温度出现异常的时候，能够及时发出警报并采取措施，可以有效的避免由于电机的温度过高造成钻头给进步进电机T9、转角驱动电机T10、钻头转速驱动电机T11或者保护控制电机T12的损坏。本实施方式中所述的温度异常的判断方法，可以通过对比温度检测器件检测到的温度和上位控制计算机S4发送的设定温度来获得，如果测量的温度不在设定的温度范围之内，就是异常情况。\n[0024] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一所述的井下水平钻孔机的控制装置的区别在于，它还包括拉压力传感器T7，拉压力传感器T7用于测量钻孔机钻头在钻进过程中的压力和后退过程中拉力，所述拉压力传感器T7输出拉压力信号给下位嵌入式测量与控制单元T8。\n[0025] 本实施方式中增了拉压力传感器，能够在工作过程中实时监测钻头所承受的拉力或压力的大小，并将检测到的数据传递给下位嵌入式测量与控制单元T8，所述下位嵌入式测量与控制单元T8根据所述拉力和压力的大小随时通过调整钻头给进步进电机T9的控制参数来控制钻进速度，进而达到调整并控制钻头受到的拉力或压力在一定的安全范围内的目的。所述钻头受到的拉力或压力的安全范围可以由上位控制计算机S4设定并传送给下位嵌入式测量与控制单元T8。