0 引 言

铁钻工是钻井作业中管柱处理系统的主要设备，在海洋钻井平台上得到广泛使用，设备制造商主要是欧美公司，例如NOV、 AKER、 CAMERON，这些品牌产品技术成熟、适应性强、可靠性高，形成了各种系列化的产品[1-2]。由于这些产品价格昂贵，国内一些石油设备制造商也开始了铁钻工的研制，希望打破欧美公司的技术垄断。

通过对欧美公司的各类铁钻工深入研究发现，铁钻工的操作流程中存在不够完善的环节，有技术提升的空间，因此研制了铁钻工钻杆作业界面自动判定系统。

An important variable regarding circuit design is the power dissipated during memristor performance. In Fig. 6 the power dissipated by the doped and undoped regions are depicted along with the total power through the structure as they change during the cycle time.

铁钻工的操作流程中，有一个环节要求上钳和背钳的钳口中心与钻杆中心重合[3]，同时还要求上钳和背钳的分界面分别与上钻杆和下钻杆分界面高低方向位置对应，满足了这两点，铁钻工才能够进行上扣或卸扣操作。通过跟踪不同种类铁钻工的操作工况，发现铁钻工在这两方面的判断都需要借助人工完成，而铁钻工钻杆作业界面自动判定系统可以将人工辅助环节替代。

本文设计的综合管廊监控管理系统基于“综合一体化”的设计思路。其中，“综合”主要是指对不同应用系统或分系统中共同的部分进行整合，以提高系统的整体性能，并最大限度地降低成本。“一体化”主要包括统一的信息传输平台、综合接入设备、云计算的服务系统、以及数据格式等。

下面以伸缩臂式铁钻工为例，介绍钻杆作业界面自动判定系统。

1 铁钻工的主要功能部件和操作流程

(2) 信号处理： 西门子300 PLC可编程控制器，实现各种规格钻杆尺寸信息的储存、逻辑运算、对比和判断，将处理后的数据用指令输出[4]。

本文采用基于C0复杂度的端点检测算法,通过将语音信号分解成规则成分和不规则成分,计算不规则成分所占的比例得到语音信号的C0复杂度[9],如式(4)所示。式中,x(n)代表语音信号,而代表语音中的随机成分的计算方法如下:首先对 x(n)进行傅里叶变换得到X(k),通过式(5)计算得到信号频谱的均方值。引入参数r(r为大于1的常数),通过式(6)计算得到最后对进行傅里叶逆变换求得式中N代表一帧信号的长度。

  

图1 伸缩臂式铁钻工Fig.1 Telescopic-arm iron roughneck

操作流程(以上扣为例)： 启动(伸缩臂组件在零位)——伸缩臂伸出——伸缩臂组件上升——达到钻杆作业界面——背钳夹紧——旋扣钳夹紧——旋扣——旋扣完成——旋扣钳松开——上钳夹紧——上扣——上钳松开/背钳松开——伸缩臂收回——伸缩臂组件下降到零位。

其中，“伸缩臂伸出——伸缩臂组件上升”环节是铁钻工寻找钻杆中心以及上、下钻杆操作界面的过程。

上钳和背钳的钳口中心与钻杆中心重合后，伸缩臂组件继续上升，上钳和背钳上升到达两个钻杆的作业界面停止，这个过程也需要人工协助操作完成。

2 目前铁钻工的管具作业界面判定

图2是某品牌伸缩臂式铁钻工，在背钳下方安装了一个感应限位开关，用于感应钻杆，其流程是： 铁钻工伸缩臂伸出——感应限位开关感应到钻杆，发出信号——伸出动作停止。

  

图2 某品牌伸缩臂式铁钻工Fig.2 Some kind of telescopic-arm iron roughneck

由于感应限位开关感应的是一个区域，若伸缩臂的速度不同，比如环境温度差异造成的驱动油缸速度变化，或者钻杆直径不同，感应限位开关发出停止信号时，上钳和背钳的停止位置存在差异，需要人工进行微量调整，确保上钳和背钳的钳口中心与钻杆中心重合。

我国的社会主义性质决定，政府一方面是社会管理者和宏观经济调控者，另一方面是国企的出资者。政府为了创造经济发展的良好形象，必然提供与之相关的财务数据。另外，国企领导的任期短，奖惩机制不健全，使得企业领导人不注重可持续发展，只关心眼前利益。

短短一句话，却暗含了四层意思。夸赞林黛玉长得很气派，夸赞老祖宗贾府很气派，夸赞“三春”很气派，夸赞邢夫人、王夫人等人很气派。王熙凤夸赞人，不显山，不露水，面面俱到，圆滑至极。她竭力赞美林黛玉，就会冷落贾府众人。而她这样说，贾府众人心里都舒坦。王熙凤深谙人心，称得上是人际交往的高手。而她八面玲珑的形象跃然纸上，让人记忆尤深。

观察上述的操作过程可以发现3个弊端：

(1) 感应限位开关对钻杆中心的判断是定性的，如果外部环境发生变化，这种判断就存在偏差，需要人工纠偏。

具体教学内容在设置时是这样的：将内容分成五个典型教学项目，每个项目包含若干典型工作任务，每个任务有具体的单片机应用系统案例构成。使学生在练习专业技能的过程中加强了对专业理论知识的掌握，培养了学生综合能力。课程具体设计如下：

(2) 在寻找上下两个钻杆作业界面的过程中，完全需要人工观察判断完成，缺少信号采集。

(3) 感应限位开关的感应面朝向鼠洞或者井口位置，在作业时，油污或者泥浆容易飞溅到感应面上，造成感应限位开关失效(现场已经发生多次)。

3 铁钻工钻杆作业界面自动判定系统原理和构成

控制操作步骤： 铁钻工在零位——由操作人员在触摸屏上选择某一杆径(例如3-1/2，4-1/2，5-1/2英寸)——然后发出命令，伸缩臂伸出，先是快速进给，经过一段延时后，快接近目标时转入慢速进给——滚轮接触到钻杆——伸缩臂继续伸出，在触摸屏上显示某杆径所对应的移动数值——当感应块达到设定位置(每种钻杆直径对应一个控制点，3-1/2英寸对应的移动距离为44.5mm， 4-1/2英寸对应的移动距离为57.5mm， 5-1/2英寸对应的移动距离为70.0mm)[6]——停止(背钳钳口中心与钻具中心重合)——伸缩臂组件开始上升——感应块位置再次变化(在触摸屏上显示某杆径所对应钻杆接箍的数值变化，3-1/2英寸的数值由44.5mm变化至25.5mm， 4-1/2英寸的数值由57.5mm变化至38.5mm， 5-1/2英寸的数值由70mm变化至51mm)[6]——延时1s，停止(达到两个钻杆的作业界面)。

(1) 用直线位移传感器代替感应限位开关，增加300 PLC可编程控制器，处理直线位移传感器采集到的数据，实现钻杆中心的判断和两个钻杆作业界面的判断。

We use the Root Mean Squared Error(RMSE)to evaluate the estimation performance,which is defined as

(2) 将直线位移传感器安装在背钳下方的后端，远离井口，避免感应面被泥浆或油污损伤失效。设计一套探测机构，将信号发生地点与信号采集区域连接。探测机构头部有滚轮，与钻杆接触，尾部安装直线位移传感器的感应块，用连杆将两者连接，连杆上设置弹簧，保证连杆的自动复位。

3.1 系统原理

直线位移传感器具有把直线机械位移量转换成电信号的功能，其原理是将可变电阻滑轨定置在传感器的固定部位，通过滑片在滑轨上的位移来测量不同的阻值，并且这种测量的阻值是连续的、可读的。

300 PLC可编程控制器是一种数字运算操作的电子装置，它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械设备。

钻杆中心的检测： 钻杆的尺寸系列有2-3/8,2-7/8,3-1/2,4,4-1/2,5,5-1/2,6-5/8英寸(1英寸≈2.54cm)。通过在CAD图上的测量，计算出每种钻杆中心对应的直线位移传感器的感应位置，并把这个位置的数据预先设置在300 PLC可编程控制器中，只要直线位移传感器测量得到的数值与预设值相同，300 PLC可编程控制器就发出伸缩臂伸出停止指令，钻杆中心确定。

大理市是大理白族自治州州府所在地，位于滇西中部，地处东经99°58′～100°27′，北纬25°25′～25°58′，东连宾川和祥云2县，南邻弥渡和巍山两县，西接漾濞县，北临洱源县，距省会昆明市约338 km。大理市境东西横距46.3 km，南北纵距59.3 km，国土面积1 815.00 km2，总体位于洱海流域范围以内。现辖下关镇、大理镇、凤仪镇、喜洲镇、挖色镇、海东镇、银桥镇、湾桥镇、双廊镇、上关镇和太邑乡10镇1乡，以及大理省级旅游度假区和大理国家级经济开发区(图1)。

两个钻杆作业界面的检测： 每种规格的钻杆，其外径尺寸与接头外径尺寸有一个差值，例如，5-1/2英寸的半径方向差值是19mm，当伸缩臂组件上升，滚轮从钻杆本体移动到接头部位时，滚轮被压缩19mm，直线位移传感器就收到一个变化的数值，这时300 PLC可编程控制器开始倒计时，伸缩臂组件继续上升，当计时归零时，300 PLC可编程控制器发出指令，伸缩臂组件上升动作停止，上钳和背钳到达两个钻杆的作业界面。

该次研究对48例观察组GDM孕妇采取了系统性、个体化的孕期营养保健指导，以饮食干预、运动指导和生活方式指导为核心，辅以健康教育和心理干预，并在随访中根据孕妇具体情况随时调整保健指导的重点，最终取得了良好的效果。结果显示，在接受孕期营养保健指导的孕妇中，行为习惯得到了纠正，血糖水平被控制得更为理想，孕妇和围产儿并发症发生率显著降低，母婴结局明显改善。

每种规格的钻杆数据在300 PLC可编程控制器中都有独立的存储界面、独立的逻辑运算以及独立的计时单元，使用时只需要调出规定的钻杆规格进行操作。

3.2 系统的主要机械零件

图3是钻杆作业界面自动判定系统的示意图，图4是探测机构图，图5是剖视图。系统主要零部件包括直线位移传感器、滚轮、装有感应块的连杆、弹簧和导向座，滚轮安装在连杆前端，连杆直线移动，直线位移传感器就能采集到感应块位置信号。在不工作情况下，弹簧是自由伸出状态，受弹簧驱动，滚轮和连杆前伸，位于背钳钳口中心附近，直线位移传感器感应面的安装位置与伸缩臂伸出方向平行，侧向井口位置，并被上述机械结构所遮挡，可以有效防止油污或者泥浆飞溅到感应面上。

  

图3 钻杆作业界面自动判定系统示意图Fig.3 Schematic drawing of drill pipe processing interface auto-detective system

  

图4 探测机构图Fig.4 Detective structure

  

图5 探测机构剖视图Fig.5 Cutaway view of detective structure

3.3 系统信号元器件和控制元器件

(1) 信号采集： 直线位移传感器。

铁钻工的主要功能部件如图1所示，包括立柱和基座、伸缩臂组件、旋扣钳、上卸扣钳(包括上钳和背钳)。

(3) 信号处理结果的显示： 西门子MP 377触摸屏[5]，把上述数据和指令进行显示，使操作流程清晰、直观。

4 钻杆作业界面自动判定系统操作流程

4.1 操作流程

铁钻工在零位——伸缩臂伸出(快速模式+慢速模式)——滚轮接触到钻杆——伸缩臂继续伸出(直线位移传感器感应到信号，每种钻杆直径对应一个控制点)——停止(上钳和背钳钳口中心与钻杆中心重合)——伸缩臂组件上升——感应块产生位置变化(滚轮上升到钻杆的接箍位置)——进入延时——停止(到达钻杆的作业界面)。

4.2 对应的控制流程

针对上述操作流程中的问题，提出了相应的解决方案。

5 试验测试

转换到“操作界面”画面，伸缩臂组件向上移动，当位移数值显示为51mm时，经过延时1s后停止，表示到达钻杆操作界面，有文字闪烁提醒。

以5-1/2英寸钻杆为例，说明操作过程与司钻房操作画面的对应关系。

  

图6 钻杆规格选择画面Fig.6 Display picture of drill pipe selection

  

图7 中心重合画面Fig.7 Display picture of alignment of drill pipe center

  

图8 操作界面画面Fig.8 Display picture of operation interface

5.1 上钳和背钳钳口中心与钻杆中心重合检测

选择“中心重合”画面，在触摸屏上按下选择5-1/2英寸杆径按钮，按钮由红色变为绿色，伸缩臂伸出，滚轮与管杆接触，继续伸出。

通过上述总结以及前面对需求的描述可得到结构图与流程图如下(图1)。根据此业务流程图进行对系统各个模块的设计与开发。

当位移数值显示为70mm时表示中心重合，有文字闪烁提醒，伸缩臂的伸出动作停止。

5.2 两个钻杆的作业界面检测

图6所显示的是系统中钻杆规格选择画面，一次可以跳出三种钻杆规格，被选中的规格显示绿色。信号类型的选择有两种画面，即图7的中心重合画面和图8的操作界面画面，两个画面可以进行切换，检测到的每种信号都有具体的量化数字显示。

5.3 试验评价

(1) 效率对比： 人工完成钻杆中心的检测和两个钻杆作业界面的检测用时60s,钻杆作业界面自动判定系统用时10s。

(2) 准确性验证： 改变油缸的运动速度(分别提高速度和降低速度)，系统仍然能够正确完成钻杆中心的检测和两个钻杆作业界面的检测(在直线位移传感器检测钻杆中心的过程中，300 PLC可编程控制器已经计算出油缸速度，经过输入的逻辑程序计算，自动修正延时时间)。

(3) 可靠性验证： 当铁钻工开始执行钻杆中心的检测和两个钻杆作业界面的检测指令时，又发出旋扣钳旋扣指令或上钳紧扣指令，后发指令均无效。

(4) 适应性验证： 在拆卸钻杆时，让泥浆外溢、随意飞溅，直线位移传感器的感应面未受到污染，使用没有受到影响。

6 结 语

针对现有铁钻工在钻杆作业中，寻找钻杆中心和两个钻杆分界面需要人工辅助的现状，研制了钻杆作业界面自动判定系统[7]，实现了对钻杆中心和两个钻杆分界面的全自动检测。该系统具有操作简单、效率高、可视性强的优点，能够有效降低现场操作人员的劳动强度，提升铁钻工自动化水平。

经过现场伸缩臂式铁钻工的调试试验，验证了该系统的适应性、准确性和可靠性，可以满足铁钻工连接或拆卸钻杆的作业要求。

该系统具有三个创新点：

(1) 用直线位移传感器代替感应限位开关，用300 PLC可编程控制器处理采集到的信号，通过不同信号界面转换，拓展了直线位移传感器信号采集范围，用一个直线位移传感器，既检测了钻杆中心，又检测了两个钻杆分界面位置。

(2) 运用西门子300 PLC控制器的编程，将采集到的信号数字化处理，通过西门子MP 377触摸屏，将操作过程和结果用数字和画面显示，让铁钻工的操作更加直观。

(3) 通过连杆机构，将鼠洞或井口区域采集信号转移到铁钻工的侧后方，避免了泥浆或油污对信号采集元器件的损伤。

总而言之，要想提高小学语文课堂教学的有效性，就不能仅仅关注具体的教学手段的运用。更重要的是转变教学观念，在以学生为本的教学理念的指导下开展教学活动。不要被教室的四堵墙限制了教学模式的变革，让语文教学回归到文学的源头——现实生活和自然中。

参考文献

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