一种顶驱本体无线控制系统的制作方法

1.本发明属于石油地质勘探钻机顶部驱动装置，尤其是涉及一种顶驱本体无线控制系统。


背景技术：

2.顶驱装置是将动力从井架的顶部直接驱动钻具进行旋转钻进，它能提高钻井效率，降低勘探开发的风险。顶驱游动信号及辅助动力电缆用于连接顶驱本体和顶驱控制器，一般由67芯和12芯两根多芯电缆组成。其主要功能为：控制顶驱本体的电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的启停以及将来自顶驱本体的风压、超温、流量、锁紧检测、温度等信号传输至顶驱控制器。
3.在实际使用中，顶驱游动信号及辅助动力电缆频繁随顶驱本体上下游动，使用寿命比较短，只有3-5年；多芯电缆总长达到76米，成本比较高，约为57万元；多芯电缆需要高空安装，拆安一次至少需要10个小时，需要动用吊车及多人协同作业，带来一定的经济损失及不安全因素；在大风等恶劣天气易发生多芯电缆挂断、阴雨天气发生接头烧毁的隐患，所以故障率高，排查困难。
4.目前有些顶驱生产厂家尝试使用光纤实现顶驱控制器和顶驱本体之间的数据传输，但是在实际使用中，由于光纤频繁随顶驱本体游动，存在使用寿命短、故障率高的因素，而且该方案无法实现风机、润滑油泵、电加热等大功率设备的无线开关控制。所以目前都是通过顶驱游动信号及辅助动力电缆实现对顶驱本体的控制。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种顶驱本体无线控制系统，通过无线传输的方式完全替换掉贵且寿命短的顶驱游动信号及辅助电动力电缆，增加电磁阀故障的保护及检测功能，极大的方便操作人员的故障处理。
6.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
7.一种顶驱本体无线控制系统，包括顶驱控制器、顶驱本体、顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置；
8.所述顶驱控制通讯装置与所述顶驱控制器串口通讯，所述顶驱执行通讯装置与所述顶驱本体相连，所述顶驱控制通讯装置和所述顶驱执行通讯装置通过无线通讯相连，用于实现所述顶驱控制器和顶驱本体的信号传输；
9.所述顶驱控制通讯装置包括协议转换模块、第一控制模块、显示模块和第一无线通信模块；
10.所述协议转换模块、所述第一控制模块、所述第一无线通信模块依次相连，所述显示模块与第一控制模块相连，所述协议转换模块应用于modbus协议与profibus协议的转换；
11.所述顶驱执行通讯装置包括第二控制模块、驱动模块和第二无线通信模块，所述
第二控制模块分别与所述驱动模块和第二无线通信模块相连；
12.所述顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置通过所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块实现无线传输。
13.进一步地，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块采用超强抗干扰的lora无线模块，型号为sx1278；
14.所述显示模块的型号为dmg48480c040_03w；
15.所述第一控制模块和第二控制模块的型号为stm32f103；
16.所述驱动模块的型号为tle6240gp，用于对顶驱本体电磁阀进行控制及保护；
17.所述协议转换模块选用cbt-1001m模块。
18.进一步地，所述顶驱执行通讯装置通过所述顶驱控制通讯装置获得对电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关控制指令；
19.顶驱执行通讯装置基于获得的开关控制指令，控制顶驱本体的电磁阀、风机、润滑油泵、电加热这些部件动作。
20.进一步地，所述显示模块用于显示所述顶驱控制通讯装置接收的风压、超温、流量、锁紧检测和温度的信号信息。
21.进一步地，所述第二控制模块外接三相超导固态继电器，和驱动模块共同控制各电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关状态，完成对风机和润滑油泵电机的电流进行连续监测。
22.本发明与现有技术相比具备以下有益效果：
23.本发明提供了一种顶驱本体无线控制系统，通过在顶驱控制器和顶驱本体之间采用双向无线数据传输的方式，替代现有的顶驱游动信号及辅助电动力电缆传输方式，彻底解决游动信号及辅助动力电缆寿命短、故障率高、安装拆卸困难等问题。
附图说明
24.图1为本实施例中顶驱控制通讯装置结构图；
25.图2为本实施例中顶驱执行通讯装置结构图；
26.图3为本实施例中顶驱控制通讯装置的信号传输流程图。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.结合图1-3，本发明提出了一种顶驱本体无线控制系统，包括顶驱控制器、顶驱本体、顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置；
29.所述顶驱控制通讯装置与所述顶驱控制器串口通讯，所述顶驱执行通讯装置与所述顶驱本体相连，所述顶驱控制通讯装置和所述顶驱执行通讯装置通过无线通讯相连，用于实现所述顶驱控制器和顶驱本体之间的信号传输；
30.所述顶驱控制通讯装置包括协议转换模块、第一控制模块、显示模块和第一无线
通信模块；
31.所述协议转换模块、所述第一控制模块、所述第一无线通信模块依次相连，所述显示模块与第一控制模块相连，所述协议转换模块应用于modbus协议与profibus协议的转换；
32.所述顶驱执行通讯装置包括第二控制模块、驱动模块和第二无线通信模块，所述第二控制模块分别与所述驱动模块和第二无线通信模块相连；
33.所述顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置通过所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块实现无线传输。
34.进一步地，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块采用超强抗干扰的lora无线模块，型号为sx1278；
35.所述显示模块的型号为dmg48480c040_03w；
36.所述第一控制模块和第二控制模块的型号为stm32f103；
37.所述驱动模块的型号为tle6240gp，用于对顶驱本体电磁阀进行控制及保护；
38.所述协议转换模块选用cbt-1001m模块，和所述顶驱控制器profibus总线通信连接，降低了成本及故障率，提高了系统稳定性。
39.进一步地，所述顶驱本体通过所述顶驱控制通讯装置获得对电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关控制指令；
40.基于获得的开关控制指令，所述顶驱本体通过所述顶驱执行通讯装置向所述电磁阀、风机、润滑油泵、电加热这些部件发送执行信号。
41.进一步地，所述显示模块用于显示所述顶驱控制通讯装置接收的风压、超温、流量、锁紧检测和温度的信号信息。
42.进一步地，所述第二控制模块外接三相超导固态继电器，和驱动模块共同控制各电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关状态，完成对风机和润滑油泵电机的电流进行连续监测。
43.在本实施例中，所述顶驱本体上有电磁阀、风机、润滑油泵、电加热这些部件，通过所述顶驱执行通讯装置向所述电磁阀、风机、润滑油泵、电加热这些部件发送执行信号。
44.所述顶驱执行通讯装置通过第二无线通信模块接收来自所述顶驱控制通讯装置的“各电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关控制指令”，立即根据指令通过驱动模块和三相超导固态继电器控制顶驱本体的各电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关；
45.并将采集到的“电磁阀状态、风机及润滑油泵、电加热状态、润滑油温度、主电机温度及超温开关、风压开关、流量开关、锁紧检测开关信号”信息通过第二无线通信模块发送到所述顶驱控制器。
46.在本实施例中，所述第一通讯介质和第二通讯介质选用的是超强抗干扰的lora无线模块，实现了顶驱控制器和顶驱本体之间的双向无线数据传输，在硬件上采用了无线冗余设计，从而保证在恶劣环境下的通信稳定性。
47.在实际操作中，为了保证无线通信稳定性，在硬件上设计了两个具有前向纠错的无线模块，一个处于正常工作状态，另一个处于备用状态。一旦在规定时间内没有收到有效无线数据包，立即自动切换另一个无线模块。为了避免电磁阀误动作的发生，除了对无线数据采用硬件crc校验外，又另外添加了一组软件crc，并添加有效数据识别码。
48.在本实施例中，所述三相超导固态继电器，控制风机、润滑油泵、电加热的开关，实现了12芯游动辅助动力电缆的无线替代，同时对风机和润滑油泵电机的电流进行连续监测，一旦超限后立即控制断电，从而达到保护电机的目的。
49.在本实施例中，所述所述驱动模块为智能驱动芯片tle6240gp，对顶驱本体电磁阀进行控制，从而实现了对被控电磁阀线圈的开路及短路故障的检测及保护功能，防止了故障的扩大化，降低了故障处理难度。
50.在实际操作中，软件上定时读取智能驱动芯片的状态，从而得到各个电磁阀线圈的开路或短路状态，一旦发现电磁阀线圈出现故障后立即对该电磁阀进行断电处理，同时暂存电磁阀故障信息，以便随后通过无线模块发送出去；定时启动润滑油温度、主电机温度、超温开关、风压开关、流量开关、锁紧检测开关的检测，并进行去极值滤波处理。
51.在实际操作中，lora无线模块扩频因子为10,纠错编码率为4/5,信号带宽为500khz，顶驱控制器发送5字节并收到本体站发送的9字节应答总耗时0.2s，所以在此间隔0.2秒通过无线实现一次数据交换，实测0.2s的延时不会对现场应用产生影响。
52.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
53.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种顶驱本体无线控制系统，其特征在于，包括顶驱控制器、顶驱本体、顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置；所述顶驱控制通讯装置与所述顶驱控制器串口通讯，所述顶驱执行通讯装置与所述顶驱本体相连，所述顶驱控制通讯装置和所述顶驱执行通讯装置通过无线通讯相连，用于实现所述顶驱控制器和顶驱本体之间的信号传输；所述顶驱控制通讯装置包括协议转换模块、第一控制模块、显示模块和第一无线通信模块；所述协议转换模块、所述第一控制模块、所述第一无线通信模块依次相连，所述显示模块与第一控制模块相连，所述协议转换模块应用于modbus协议与profibus协议的转换；所述顶驱执行通讯装置包括第二控制模块、驱动模块和第二无线通信模块，所述第二控制模块分别与所述驱动模块和第二无线通信模块相连；所述顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置通过所述第一无线通信模块和所述第二无线通信模块实现无线传输。2.根据权利要求1所述的一种顶驱本体无线控制系统，其特征在于，所述第一无线通信模块和第二无线通信模块采用lora模块，型号为sx1278；所述显示模块的型号为dmg48480c040_03w；所述第一控制模块和第二控制模块的型号为stm32f103；所述驱动模块的型号为tle6240gp，用于对顶驱本体电磁阀进行控制及保护；所述协议转换模块选用cbt-1001m模块。3.根据一种采用权利要求1所述的一种顶驱本体无线控制系统的方法，其特征在于，所述顶驱执行通讯装置通过所述顶驱控制通讯装置获得对电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关控制指令；基于获得的开关控制指令，所述顶驱执行通讯装置控制所述顶驱本体的电磁阀、风机、润滑油泵、电加热这些部件动作。4.根据一种采用权利要求1所述的一种顶驱本体无线控制系统的方法，其特征在于，所述显示模块用于显示所述顶驱控制通讯装置接收的风压、超温、流量、锁紧检测和温度的信号信息。5.根据权利要求1所述的一种顶驱本体无线控制系统，其特征在于，还包括三相超导固态继电器，所述第二控制模块外接三相超导固态继电器，和驱动模块共同控制各电磁阀、风机、润滑油泵、电加热的开关状态，并能够实现对个电磁阀开路及短路故障的检测及报警，同时完成对风机和润滑油泵电机的电流进行连续监测。

技术总结
本发明公开了一种顶驱本体无线控制系统，包括顶驱控制器、顶驱本体、顶驱控制通讯装置和顶驱执行通讯装置；所述顶驱控制通讯装置与所述顶驱控制器串口通讯，所述顶驱执行通讯装置与所述顶驱本体相连，所述顶驱控制通讯装置和所述顶驱执行通讯装置通过无线通讯相连，用于实现所述顶驱控制器和顶驱本体之间的信号传输，本发明通过在顶驱控制器和顶驱本体之间采用双向无线数据传输的方式，替代现有的多芯电缆信号传输方式，彻底解决游动信号及辅助动力电缆寿命短、故障率高、安装拆卸困难等问题。安装拆卸困难等问题。安装拆卸困难等问题。


技术研发人员：张道华 米永强 李伟 刘艳宁 樊宝荣 颜寒 朱会 赵春明
受保护的技术使用者：中国石油集团渤海钻探工程有限公司
技术研发日：2021.12.08
技术公布日：2023/6/12