（计算机应用技术专业论文）新型钻井工程培训考核模拟系统的设计与实现.pdfVIP

abs t ract a c c o r d i n g t o t h e p r e s e n t s i m u l a t i o n o f p r o c e s s s y s t e m t r a i n i n g s i m u l a t o r s t u d y , w e a n a l y z e t h e n e c e s s i t y , i m p o r t a n c e , f e a s i b i i i t y a n d s u p e r i o r i t y o f s e t t i n g u p o p e n a n d r e a l t i m e t r a i n i n g s i m u l a t o r , i n c l u d i n g t h e d e v e l o p m e n t o f h i g h a n d n e w l y t e c h n o l o g y e s p e c i a l l y t h a t o f c o m p u t e r s c i e n c e a n d n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n; i t e x p l a i n s t h e p r o b l e m a n d s o l u t i o n t o t h e d e s i g n o f t h e p r o c e s s s y s t e m t r a i n i n g s i m u l a t o r ; i t d i s c u s s e d t h e w h o l e p r o c e s s o f n e w p e t r o l e u m d r i l l i n g s i m u l a t o r w i t h t r a i n i n g a n d e x a m i n i n g， w h i c h i s c o n c e r n e d a b o u t t h e a n a l y s i s o f f e a s i b i l i t y , t h e d e s i g n o f h a r d w a r e , m a i n c o n t r o l u n i t a n d s c e n e r y s i m u l a t i o n e t c ; t h i s t h e s i s f o c u s o n d i s c u s s i n g u s e d m e t h o d s a n d t e c h n o l o g y i n s o f t w a r e d e s i g n . i n a d d i t i o n , i t s h o w s t h e i m p r o v e m e n t a v a i l a b l e i n t h e s y s t e m a n d e x p e c t s t h e p r o s p e c t o f p r o c e s s s y s t e m t r a i n i n g s i m u l a t o r k e y w o r d s : p r o c e s s s y s t e m t r a i n i n g s i m u l a t o r c o m p u t e r s i m u l a t i o n m a i n c o n t r o l u n i t t h e a n a l y s i s o f f e a s i b i l i t y d e v i c e d r i v e r 第一章前言 自 计算机问 世以 来， 随着系统理论、 计算机技术、 建模技术的发展， 仿真技术得到了迅速发展。一方面， 现代高新技术的发展推动了 仿真技 术的发展;另一方面，社会的进步、技术的更新又给仿真技术提出诸多 问 题，要求仿真技术不断持续发展。仿真技术己经成为分析、研究各种 系统， 尤其是复杂系统的工具。 特别是近2 0 年来， 随着系统工程与科学 的迅速发展，仿真技术己从传统的工程领域扩展到非工程领域，因而在 社会经济系统、环境生态系统、能源系统、生物医学系统、教育系统得 到了 广泛的 应用。仿真技术正是从其广泛的应用中获得了日 益强大的生 命力，而仿真技术的发展反过来使其得到愈来愈广泛的应用。 随 着“ 大规 模并 行处理技 术” ( m a s s i v e l y p a r a l l e l p r o c e s s in g ) , “ 多媒 体 技 术” ( m u lt im e d ia ) , “ 面向 对 象技 术” ( o b j e c t es o r ie n t e d ) 和“ 开 放系统 技术” ( o p e n s y s t e m ) 的发展，计算机系统应不仅仅是建立在单一数字信 息的基础上，而应基于多维信息空间。在这种需求下，虚拟现实技术不 断发展起来了。 虚拟现实( v i rt u a l r e a l i t y -v r ) 目 前还没有一 个公认的 权威性的定 义，可理解为一种创建和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟环境由计算 机和电子技术生成，通过视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等作用于人， 从而使人产生身临其境的感觉。 虚拟现实技术与一般的交互式仿真的主要区别在于: ( 1 ) 信息的多维性v r基于多维信息，包括图象、图形、声音、位 姿、力反馈、触觉等。 ( 2 ) 人机交互的自 然性传统的人机交互是借助于键盘、鼠标等输 3 入设备。 v r使计算机可以识别人的位姿、手势， 数据头盔、 数据手套、 数据衣等成为了人机自 然交互的基本手段。 ( 3 ) 理想的v r 应达到使人与在实际环境下的感觉一样即除了三 维视觉效果外，还应该能识别人的听觉、 触觉、力觉、 运动， 甚至味觉、 嗅觉等感知。 ( 4 ) 计 算机系统除了 计算功能 外， 还具有知识、 智能 功能。 虚拟现实系统一般应具有以下三个特征: ( 1 ) 沉浸( i m m e r s i o n ) v r追求的是尽量使用户在计算机产生的三 维虚拟环境中有身临其境的感受，如同己 经在实际环境中。 ( 2 ) 交互 ( i n t e r a c t i o n ) 虚拟环境与 用 户的交 互是 三维的， 用 户是交互 的主体，并且具有多感知性。 ( 3 ) 创意( i m a g in a t i o n ) 交互式仿真中， 用户只能 根据定量计 算为主 的结果来加深对对象的认识，而v r可从定量和定性两个方面来得到感 性和理性的认识，得到启发并产生新意。 1 、系统仿真向纵深发展，向广度扩展。 冶金、 化工、电力、 船舶、汽车、核能、通讯、 铁路、教育、经济 等许多部门 都先后应用系统仿真，而且结出了丰盛的硕果。 有些部门虽 然起步较晚， 但是起点不低， 纷纷采用计算机辅助、网络通讯、 多媒体、 人工智能、虚拟现实等高新技术，大有后来居上之势，特别是各种过程 系统培训仿真器，如雨后春笋般地涌现。电力部门规定，凡三十万千瓦 以上的电站，其工人必须培训上岗，这就大大促进了电站培训仿真器的 发展。 2 、系统仿真发展的第二个动向是 “ 虚拟制造” 近几年来，在计算机集成制造系统 c i m s ( c o m p u t e r i n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n g ) 之后， 精益生产 ( l e a n p r o d u c t i o n ) , 敏捷制造 ( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) ，并行i - 程 ( p a r a l l e l e n g i n e e r i n g ) ，虚拟制造 ( v i rt u a l m a n u f a c t u ri n g ) ， 分布虚拟环境( d i s t r ib u t e d v i r t u a l e n v i r o n m e n t ) 相继 应 运而生。最有代表性的事例就是美国波音7 7 7 飞机的 研制生产几乎到了 “ 无图纸”地步。 其研制、 整机设计、 部件测试、 整机装配、以 及各种 试飞，均是在计算机上完成的。产品不仅质量好，而且开发周期由原来 的8 年降为5 年，节省经费数百万美元。 3 、第三个重要发展动向是分布交互式仿真d i s 有了新的发展。 1 9 9 5 年 1 0 月， 美国国防部正式 颁布建模与仿真主计划，试图 把各 部力量汇集起来解决下 述建模与仿真中的 共同问 题。 1 ) 建模与仿真必须满足高级体系结构h l a ( h i g h l e v e l a r c h i t e c t u r e ) . ( 2 ) 建 立任务空间的 概念模型c m m s ( c o n c e p t u a l mo d e l o f m i s s i o n s p a c e ) ， 为仿 真 提供一 致性， 权威性 表达的 基础。 ( 3 )建立表达模型、仿真系统中的数据标准。 ( 4 )提供自 然环境、 有关系统、人的行为权威描述。 ( 5 )建立并合理分布适当 数量的建模与仿真系统。 ( 6 )建立必要的w 另一部分采用 模型。 这样，既可以 避免新系统对原有系统的破坏或影响， 又可以大大 缩短开发周期，提高系统投入的一次成功率。 例如，我国徒河电站 2 5 万千瓦发电 机组的安装，由于事先在电厂仿真系统上己进行了细致的分 系统实验，对全部自 动装置的参数都做了校正，在实际机组安装完毕的 同时，自 动装置也全部调试完成，很快投入了运行。 3 随着各项技术的发展和社会的进步，系统的规模越来越庞大，系统 的结构越来越复杂， 系统设计方案的正确性与合理性检验也越来越困难， 结果给系统的实施带来了巨大的风险。因此，仿真技术成为设计这类系 统的不可缺少的工具。 另外， 利用仿真技术可以大大节约系统开发费用。 例如， 澳大利亚武器研究机构和英国皇家航空研究院联合研制工程的警 犬 ( b l o o d h o u n i )导弹。 在该项研制工程中，一开始就知道经费有 限，不可能单靠飞行试验来确定系统性能，因此决定采用仿真技术。 他 们交替地进行仿真试验和发射，只用9 2 次实际发射就完成了 该项研制 工程，而其中7 9 次发射是专用于验证模型，只有1 3 次发射是用于面 向用户的研制。 2 、仿真技术在系统分析中的应用 为了 达到对系统分析的目 的，就必须对系统进行试验， 通过试验来 了解系统的结构及其内部发生的活动，从而达到对系统的正确评价。具 体的试验方案主要有两种: 一种是直接在真实系统上进行， 如飞机试飞、 轮船试航、汽车试车等。另一种是按实际系统构造模型，对模型进行仿 真试验。尽管有些试验在真实系统上进行是必不可少的，但由于某些原 因 ， 仿 真 试 验愈 来愈 被 普遍 采 用. 如: a ) 在 真实 系 统 上 试 验 会 破坏 系统 的正常运行; b )由 于实际系统的客观限 制， 难以 按预期的 要求改变参 数， 得不 到试验 所需的 条 件; c ) 试验时间 太长， 费 用太大或 有危险 等等。 3 、仿真技术在教育与训练中的应用 凡是需要由人进行操作、控制、管理的实际系统，都需要对人员进 行训练、培养。早期的培训大多数是在实际系统或设备上进行的。随着 系统规模的加大、复杂程度的提高，特别是造价日 益昂贵，培训时因操 作不当引起破坏而带来的损失大幅度增加;另外，在实际系统中某些特 殊情况很少发生，而这些情况一旦发生，可能产生严重的后果，要在实 际系统中 完成对人员发生特殊情况技能的培训显然是几乎不可能的。以 石油钻井工人的培训为例，每打一口井需要花费上百万甚至上千万元， 如果在钻井过程中发生严重事故，损失是相当大的，虽然对上岗的人员 都进行了实际现场培训，但大部分都是正常环境下的正常操作培训，一 些特殊情况下的 操作培训基本上未进行，因为实际 环境很少发生特殊情 况，如井架垮塌、井口 着火等。 培训仿真系统是利用计算机并通过运动设备、 操纵设备、 显示设备、 仪器仪表等重现所模拟的对象行为，并 产生与之相应的 环境，为培训人 员提供与实际情况相差无几的环境。 根据模拟对象、培训的目的，一般可将仿真系统分为三大类: ( 1 )载体 操纵型:这是与 运载工具 有关的 仿真系统， 包括 航空、 航 天、火车、汽车等地面运载工具，以培训驾驶员的操作技术为目的。 ( 2 ) 过程控制型:用于对设备或装置操作过程的培训 ( 3 ) 博弈决 策型: 用于 企业管理人员、 交通管 制人员、 指挥人员的 培训。 4 、 仿真技术在产品开发及制造过程中的 应用 2 0 世纪9 0 年 代以 来， 虚 拟产品 开发 ( v ir t a l p r o d u c t d e v e l o p m e n t ) 技术 引 起 了 广 泛 关 注 ， 近 年 来 ， 人 们 又 提 出 了 虚 拟 制 造 virt u a l m a n u f a c t u r in g ) 的概念。虚拟制造是实际制造过程在计算机上的本质实现。即采用仿真 技术和虚拟现实技术， 在计算机上建立产品的 三维全数字化模型，生产 出许多的 “ 软”样机，从而，在设计阶段， 可对所设计的零件甚至整机 进行可制造性分析，设计人员或用户可进入虚拟的制造环境检验设计、 加工、装配和操作，而不同于传统对原型样机反复修改。这是仿真技术 以 制造过程为对象的 应用。最有代表性的事 例就是美国 波音7 7 7 飞机的 研制生产几乎到了“ 无图纸”地步。 其研制、 整机设计、 部件测试、整 机装配、以 及各种试飞，均是在计算机上完成的。产品不仅质量好，而 且开发周期由原来的s 年降为5 年，节省经费数百万美元。 总之， 仿真技术之所以能得到迅速的发展， 其主要动力来源于应用， 同时， 2 . 2 仿真技术的广泛应用又进一步推动了 仿真技术的发展。 过程培训仿真器的现状和发展 一个现代化企业的成功运行与许多因素有关，其中一个重要因素是 具有较高技术水平和操作技能的操作人员和工程技术人员。就过程工业 而言，传统培训操作人员的方法是在实际装置上以“ 师傅带徒弟”的方 式进行。由于实际装置通常需要在正常工作情况下运行，所以 被培训者 很少有自 己动手练习的机会，开停过程和故障处理这些特殊技能往往是 操作人员水平的重要组成部分。随着一些大型、复杂的生产装置不断出 现和集散控制系统的应用，现代企业中的人员培训问 题愈来愈突出。计 算机仿真在人员培训方面的应用为解决上述问题提供了一种有效的方 法。 通过它，新的操作人员可以 在很短的时间内熟悉装置的各种特性并 积累丰富的操作技能;而对于企业的 老操作人员来说可以方便地练习和 巩固处理故障的能力， 从而使自己的操作技能永远保持在较高的水平上。 可见，工业过程计算机仿真培训系统是以计算机仿真为基础的人一机实 时仿真系统。它集成了计算机科学、系统理论、信息技术、光电技术和 c a i 的最新成果，其目 的是利用计算机仿真及各种物理工程技术，构造 一种以训练和教学为目 的的自 动系统，在某种程度上再现一个真实的系 统，使接受培训者获得必要的 有关真实系统的感性与理性知识。 u 七十年代末，随着科学技术，尤其是计算机技术的迅猛前进和西方 国家现代化工业的高速发展， 高效的人员素质培训成为一个迫切的问 题。 美国、日 本、 德国 等相 继推出了 以d c s ( d ig i t a l c o n t r o l s y s t e m ) 为控制环 境的石油化工过程的计算机仿真培训系统。如美国 s i m c o n公司的 p r u g r e 3 2 0 0 ( 1 9 8 6 年) ，日 本横河公司推出的增强型c e n t u m仿真器 ( 1 9 8 8 年) ，德国斯图家特大学推出的d i v a ( 1 9 9 0 年) 。 八十年代中期， 随着改革开放的不断深入， 过程工业新装置的不断 投产，先进集散控制系统开发的广泛应用，各企业都先后遇到了如何提 高其应用效果，加强人员培训的问题，国内开始了仿真培训系统的引进 和研制工作。1 9 9 3年由中国科技大学自 动化系推出的 d e t e c e通用工 业过程d c s 仿真器开发和应用平台， 标志着在过程工业训练仿真器的研 制水平处于国际先进行列。 d e t e c e实现了 硬件平台的无关性，可以在 微机系统、工作站和小型机上使用，而且价格便宜，具有开放和开发功 能。 然而，随着技术的进步， 尤其是计算机技术和信息技术的发展，使 得计算机软、硬件系统功能日 益强大的同时价格大幅度下降。这种技术 的更新给仿真培训系统提出了挑战， 一方面新技术可以使仿真的逼真度、 实时性、可信度得到大幅度提高，另一方面要求培训系统的发展和升级 具有可持续性。目 前的d c s 仿真培训系统存在下列问 题。 1 、采用以数据结构为中心的过程式软件设计方法存在着致命的弱 点，即对于 d c s仿真培训系统这样一个既需要对工业过程进行模拟仿 真， 又要对d c s 操作环境进行逼真再现的 大型软件来说， 软 件代码量极 大，使得软件的复杂度呈指数形式增长而难以控制，并且缺乏有效的测 试手段，使得软件质量难以保证，其直接后果是代码量大的过程式软件 将带来很高的维护代价。 2 、基于d o s 系统的应用软件需要用户自 己开发并管理各种标准的 基本资源，如鼠 标设备的使用、 汉字的显示、 各种菜单和对话框的显示 等，这也在很大程度上增加了软件的代码量和复杂度。 3 、过程式软件不利于软件的二次开发，因此软件的可重用性差。 4 、可移植性差，现有软件只能局限于具体的硬件平台和操作系统。 5 、 以d o s 为客户机的操作系统使得软件开发受到d o s 的本身缺陷 的限 制，并且软件系统在多媒体等先进技术方面的 可扩展性差。 6 、未能对 c a i 教学给予充分的 系统级支持， 仿真培训在本质上是 一个c a i 的 过程，因此教学效果应该是系统开发者的 最高追求目 标。 此外， 由于仿真教学培训系统是以 教学培训为目的， 应用面向大众， 因此价格便宜，容易获取系统设计的主要目 标。 利用现代的系统理论和 信息技术，建立资源重用、平台 无关、 应用资源共享的智能化开放的开 发平台是解决这些问题的必然趋势。 2 . 3 培训模拟系统的特点 用模拟器对人员进行培训， 与用实物或到现场进行实战性培训相比， 主要有以下特点: 1 、 经济性: 模拟器的发展， 主要受经济的 推动。 对于许多耗用设备、 材料较多的工程项目 来说，若要用真实的设备到现场进行实战性培训， 其费用开支是相当 惊人的，如飞机驾驶员、 汽车驾驶员的培训、大型和 超大型集中控制中心的一次培训费用都 相当 可观，更何况有许多受训的 课目 不可能一次就能做好。而使用模拟器使受训人员在最终接受实战训 练前，先对各种科目 进行反复的训练，使其达到相当的熟练程度，从而 可以大大减少实战培训的次数和恶性事故发生的机率，因此可以极大的 1 3 减少培训费用。 2 、可重复性:对于许多大型或复杂系统操作人员的培训来说，除 了 要使其熟练地掌握常规的操作以外，对于突发的事故或灾难事件也需 要进行快速的判断，并采取相应的措施，而在实战培训中，这种突发事 件的发生是很有限的，甚至是不允许发生的。 如飞机在飞行过程中发动 机坏， 钻井过程中井喷失控、 钻井过程中的 各种井下复杂事故的发生等， 都是极具风险性的课目，实战培训中 是不允许发生这样的事情的，而用 模拟器培训，则可 将各种各样的可能事件反复地展现在培训人员面前， 使受训者有足够的机会接受突发事件的挑战，从而培训出更全面的操作 人员. 3 、 可普及性: 由于培训用模拟器不需要实战中所使用的设备和材料， 可以 不受环境材料的限制，在任何教育和培训部门 都可在室内安装模拟 器对人员进行培训，因此可以大大提高受训比例和培训课程难度，达到 提高整个操作队伍的业务和水平的目 的。 2 . 4钻井及井控模拟器发展概况 七十年代后期，美国i mc o公司研制成功了i mc o b o s s 井控模拟 器装置，它用于培训钻井工程技术人员。这套模拟实物装置主要由司钻 面板、水下面板、阻流面板、监查面板、可编程计数器，显示装置和记 录器等部件组成。它装在一个能快速安装、便于操作的一种非常轻便的 系统内，具有灵活与真实的特点。其程序运行由计数器控制，故存在数 据存储量小，可处理程序不多等缺陷。 到了八十年代， 由于微机的广泛使用， 出 现了一些用计算机进行模 拟的钻井模拟装置和微型井控模拟器。8 0年代初就有 d i g i t r a n, s i m i t r n等专门 从事石油天然气勘探和开发用模拟器的研究和生产厂 1 4 家，其模拟器产品在几乎全部石油公司得到承认，并用这些模拟器提供 的培训课程对上岗人员进行了广泛的培训。 d i g i t r a n全尺寸钻井模拟 装置代表了世界钻井模拟装置的先进水平。 1 9 8 6 年， t u l s a 大学a .l p o d i 。 等人完 成了i b m计 算机的 钻井模拟器 ( s p e 1 4 7 3 ) 。 这篇文章中 模拟出来的数据与全尺寸实验井得出的数据相 近似， 但这套模拟器不能用于模拟培训和教学，只能用于模拟计算。 1 9 8 7年，美国 w y o m i n g大学研制成功了 一种微型井控模拟器 ( s p e 1 6 4 9 7 ) 。这套井控模拟器在计算机的屏幕上能同时显示井身剖面 和模拟操作的压井数据， 其模拟压井曲线只能在模拟完成后才可以看到。 它同 样是将井内溢流考虑成纯气柱。在这套井控模拟器中， 有司钻法和 工程师法两种压井控制方法。 近年来，随着计算机技术的高速发展，特别是多媒体技术的发展， 使模拟器从简单的形似发展到声音、视觉效果的相似，对井下部分也通 过三维动画图 形方式加强其直观感。 我国 从八十年代初开始引进一些钻井模拟器， 到目 前为止， 石油行 业内 部己 有d i g i t r a n . s i m i t r a n公司的培训模拟器八套 左右。 在钻 井人员培训方面发挥了一定的作用，但因如下的原因限制了这类模拟器 的进一步引进。 1 、模型的实用性:培训模拟器的核心是各种专业计算分析模型。 由于国 外开发的 模拟器主要针对本国的地质环境和管理习惯等，因此有 相当部分不适合我国的实际情况， 从而使模拟结果与国内实际存在一定 的差距，甚至有相违之处。 2 、软 件的 适合性:现引进的 模拟器软件均未汉化，且大多英制单 位给国内 人员的使用造成困 难，特别是英制单位不符合国内 现行的国际 标准，有的软件在单位转换上做了一些工作但由于并未做彻底，反而使 有些结果产生差异和矛盾。 3 ,售后服务的及时性: 由于d i g i t r a n和s m t r a n等模拟器公 司在国内尚无代理，加上早期的模拟器硬件故障较多，许多设备故障从 通知厂方到得到答复需数月之久。要请厂方来人服务更需要长时间的磋 商和讨论，待着手解决问题时己耗费了大量的时间，最终能否得到解决 却仍是未知数。 4 、产品的换代及 “ 卡脖子” :由于电子技术近年来发展很快，而 模拟器正是电 子技术与专业相结合的产物，因此，更新换代也相当快。 以至一种模拟器问世不到两年就已 被淘汰，而事先卖方又不愿提供足够 的备件，使设备在使用的过程中因缺乏备件难以得到补充，进而造成全 套设备的瘫痪。若要与外商讨论补充备件之事，要么回答已不生产，从 而使用完全掌握在外国厂家手中，被别人 “ 卡住脖子” 基于上述的原因，我国开始投入力量开发国产的钻井培训模拟器。 “ 新型钻井工程培训考核模拟器”的功能已达到和部分超过了国外一些 机构所研制产品的水平，在井控模拟器方面迈出了可喜的一步，另外， 该模拟器还新增了考核的功能，这是其它模拟装置所不具有的功能。本 论文主要讨论的也正是这套装置的研制及其相关技术。 2 . 5 新型钻井工程培训考核模拟系统 2 . 5 . 1研制开发的目 的和目 标 石油钻井作业是一项资金投资大，作业风险大，技术要求高，作业 难度大，操作条件艰苦的复杂工程施工。要保证投资的效益和效率，工 程施工及操作的质量起着决定性的作用。而这些质量又由 钻井现场的工 程技术人员和操作者共同控制，因此，现场工程技术人员和操作者的技 术状况和操作水平是保证投资的最主要因 素。 钻井工程技术人员的技术状况、技术工人的操作水平等能力的提高 必须在大量的实践中锻炼和积累，或靠 “ 师傅”的传授。这种传统的人 才培养方式必然造成: 1 、 培养周期长: 要在实践中见到并处理各种钻井工程中的问题一般 需要许多年的时间，对一些特殊性问 题甚至可能几十年也难以一见。 2 、 知识片面: 任何一个“ 师傅” 的知识或经验都是十分有限的， 传 授给 “ 徒弟”的也仅是 “ 师傅”经历的一部分，这样培养的人才只能一 代不如一代。 3 、 特殊问题的处理能力差: 井下钻井事故或复杂等特殊问 题一个人 在实践中不可能全部碰到，一旦突发时往往缺乏经验，现场也不允许进 行这方面的反复训练。 4 、 对人员的技术考核和操作评价缺乏客观性: 人为地在现场进行考 评时， 要么因问 题太复杂无法考核( 如对井下事故的分析、 判断和处理) ， 要么因人为判断标准不同而产生太大差别。 研制新型钻井工程培训模拟装置的目 的就是为了用现代的计算机仿 真技术来解决钻井工程技术人员和主要技术工人的岗位培训和技能考核 问 题，使人员的培训和考核能跟上技术发展的需要和生产建设的需要， 使钻井工程主要技术队 伍的 教育和提高有保证。 本项目的主要目 标是: 1 、能对钻井工程技术人员和钻井专业的学生进行部分钻井工艺原 理及钻井新工艺技术方面的直观教学和训练。 2 、能对钻井司钻岗位的技术工人进行本岗 位的操作训练和考核。 2 . 5 . 2功能及特点 模拟装置应能完成如下操作培训内 容: 1 7 1 、 起下钻操作 . 下钻操作 ( 1 )正常下钻操作 ( 2 )下钻遇阻情况下的操作 ( 3 )控制波动压力的下钻操作 . 起钻操作 ( 1 )正常起钻操作 ( 2 ) 起钻遇阻情况下的操作 ( 3 )控制波动压力的起钻操作 2 、钻进操作 ( 1 )正常钻进及接单根操作 ( 2 )不同地层可钻性条件下钻进操作 ( 3 )正常钻进及整跳下的钻进操作 ( 4 )高压地层钻进及接单根的操作 ( 5 )低压地层钻进及接单根操作 ( 6 )通过实钻确定p , n 的操作 ( 7 )易斜地层的 钻进操作 3 、井下事故及复杂情况的判断和处理 ( 1 )粘附卡钻的判断及处理 ( 2 )地层坍塌卡钻的判断和处理 ( 3 )缩径卡钻的判断和处理 ( 4 )公锥打捞钻具操作 ( 5 )井下落物磨铣操作 4 、井控操作 . 关井操作 ( 1 )钻井过程中发生溢流的关井操作 ( 2 )起下钻过程中发生溢流的关井操作 ( 3 )起下钻挺时发生溢流的关井操作 ( 4 )空井发生溢流的关井操作 . 压井操作 ( 1 )工程师法压井 ( 2 )司钻法压井 ( 3 )超重法压井 ( 4 )空井压井 2 . 5 . 3技术及性能指标 本装置要达到如下性能指标: 1 、 仿真环境: ( 1 ) 司钻控制台选用标准f 3 2 0 钻机控制台， 操作台上的控制与显示 与实际保持一致。 ( 2 )泥浆控制台 ( 参数显示)选用指定的国内生产厂家的产品，其 上的操作控制和显示参数除保持原产品内 容外，根据甲方需要进行适当 补充和改进。 ( 3 ) 防喷器和阻流器控制台选用指定的国内 生产厂家的 产品， 其上的 操作控制和显示参数保持原产品内容。 ( 4 )立管管汇和阻 流管汇按指定的国内 生 产厂家的 产品结 构及布局， 其上的操作控制与实际产品保持一致。 2 ,操作与感觉: ， ( 1 )刹把手感好:刹把位置高低手感应不同，起车时刹把有自 动上 抬趋势，转盘负荷有较大变化时刹把上有相应感觉。 1 9 ( 2 ) 指重表反应真实: 井内钻柱长度不同， 指重表反应的悬重不同; 起下钻中，指重表在士1 0 0千牛间随机摆动;在钻进和起下钻中能反应 阻卡情况。 ( 3 )离合器操作真实:离合器的 摘开、挂合操作与刹把的操作要能 协调动作，否则进行适当扣分。 ( 4 ) 能检测司钻目 视指重表、 井口、 绞车及二层平台的情况并评分。 ( 5 )操作控制与图形同步:钻进和起下钻时，刹把的位置与图形的 表现要同步， 刹把处于不同 位置时能 产生与实际相吻合的图 形动作。 ( 6 )游车的位置与绞车上钢丝绳的 位置对应:钻进或起下钻时游车 ( 吊 卡)的位置要与绞车上的钢丝绳的缠绕圈数及位置相对应。 3 、图 形图 像: ( 1 )静态图形 ( 图像) :主要用做动画的背景。 ( 2 )可控动画:主要表现与操作同步图形运动或变化过程; ( 3 )不可控动画:主要表现一些与司钻操作无关的动作过程 ( 如钻 柱上、卸扣过程等) 。 4 、声音与声光报苦: ( 1 )具有仿真的声音系统。声音的起停要与操作、图形、 状态相一 致。 ( 2 )具有声光报警系统， 报警的启动要与操作、 图 形、 状态相一致。 5 、考核与测评: ( 1 )能测定钻柱下放时间与钻柱动载的大小，并作为评定起下钻技 能的主要依据。 ( 2 )能测定钻进速度的 快慢和钻头承载的 均匀性，并作为评定钻进 技能高低的主要依据。 ( 3 )能根据详细设计中的操作要领和扣分标准对操作情况进行客观 公正的评分。 6 、系统安全及可靠性: ( 1 )系统能对前端设备的各种元器件的情况进行自 动检测，以确定 前端设备是否正常。 ( 2 )统能对操作过程及参数的设置等情况进行检测并提示问题的原 因，以便检查和正常状态的恢复。 ( 3 ) 系统连续工作时间必须保证在2 4 小时以 上。 平均无故障工作时 间多1 0 0 0 小时。 7 、软件质量 ( 1 )易学易用，界面友好，操作方便。 ( 2 )软件编制符合软件工程规范。 2 . 5 . 4技术路线 新型钻井工程培训模拟装置是集计算机硬件和软件为一体的复杂系 统，系统分为软件和硬件两大部分: 1 、计算机硬件方面: ( 1 ) 考 虑到工 业现场的 工况 ( 如环境中 灰尘、 干 扰、 潮湿等) ， 前端 设备由四台 性能稳定的s t d工业计算机控制，这样不仅便于系统扩展、 任务分散， 而且易于维修。 各s t d主要完成所在设备的 参数采集、 显示 和状态控制。 ( 2 ) 教师控制台由一台高可靠性通用计算机及相应接口 和外设构 成，主要完成主控模型的计算、前端参数的 采集和计算参数的回送、 模 拟参数的确定、培训题目的选择、数字和图形界面的输出等。 ( 3 ) 图 形处理单元由 一台高可靠性的通用计算机、 一块专业级图形 加速卡以 及相应接口 和外设构成，主要完成全部动画控制参数的采集、 2 1 动画制作和图形投影系统的输出等。 ( 4 ) 立管管汇、 阻 流管汇等其余前端设备单元分别由 防喷 器控制台 和阻流器控制台内的s t d计算机完成参数采集和状态控制。 ( 5 ) 教师控制台中的 智能通讯卡， 前端s t d计算机中的a / d , d / a , 声音处理卡以及各前端设备上的变换 础上进行功能的 扩展和可靠性的提高 、驱动卡等均自 行设计，在原有基 ( 6 ) 两台 微机的 通 讯采用i e e e 4 8 8 标准， 保证了 传输速度。 2 、计算机软件方面: ( 1 ) 前 端s t d的 控制软 件用q u i c k c和汇编完成。 ( 2 ) 教 师控制台 和图 形处 理软 件均以wn d o w s 9 5 为系统 支撑环境。 ( 3 ) 教 师 控 制台 主 控 程 序 用v i s u a l c + + 完 成， 与 前端s t d 通讯的 程 序是利用wi n d o w s s d k , a p i 函数以及汇编等编写的设备驱动程序;与 图形处理机通讯是通过调用i e e e 4 8 8 通讯卡提供的动态链接库实现; 利 用v i s u a l c 什编写 通用数据库程序，完成对数据的增加、修改、删除、 浏览、查询、调用等功能; 参数界面用v i s u a l c + + 提供的控件实现. () 图 形 处 理 单 元 利 用图 像处 理 软 件p h o t o s h o p 、 图 形处 理 标准语 言 o p e n g l 、 图 形绘制 及处 理软 件3 d m a x、 程 序设计工具c + + b u i l d e r 等 工具， 采用多种图 形处理技术实现对钻井现场的模拟。 第三章系统分析与设计 3 . 1系统概况 新型钻井工程培训模拟系统由前端硬件和后端软件两部分组成。前 端硬件由4台s t d工控机组成，后端又分为两部分，一部分是主控台， 另一部分为图形处理， 主控台一方面完成与s t d的通讯， 另一方面完成 将从前端接受来的信息通过处理后发送给图形机进行图形处理。系统总 体结构见图3 . 1 : 图3 . 1 系统总体结构图 3 . 2硬件部分 3 . 2 . 1司钻控制台 1 、 基本功能: 令 对绞车的升降控制; 令 对转盘的转速控制; 4 对柴油机功率的 监视控制; 2 , 基本参数: 采集参数:绞车离合器位置，绞车档位，转盘离合器位置，转盘档 位， 泵调节器位置，柴油机功率调节器位置等 ( 详见表3 . 1 ) 0 1 .紧急停车开关2 . 1 # 柴油机离合器 3 . 2 # 柴油机离合器 4 . 3 # 柴油机离合器 5 .1 # 泥浆泵离合器6 . 2 # 泥浆泵离合器 7 . 1 # , 2 # , 3 4 柴油机油门8 . 1 # 柴油机油门 9 . 2 # , 3 # 柴油机油门1 0 . 4 # , 5 # 柴油机油门 1 1 . 转盘离合器控制1 2 . 滚筒离合器控制 1 3 ， 中间手柄调压阀: 控制滚筒刹车 汽缸 1 4 . 复位手柄调压阀:控制卸扣摩擦猫 头 ( 外钳 ) 1 5 ， 复位手柄调压阀: 控制卸扣摩擦 猫头( 内 钳) 1 6 . 手柄调节阀: 控制水刹车水箱水 位. 1 7 . 4 + 5位排挡气开关: 控制绞车换 挡 1 8 . 四通气开关二 控制绞车总离合器 1 9 . 四通气开关: 控制猫头离合器2 0 . 按钮阀:控制绞车轴微摆机构 2 1 . 按钮阀: 控制滚筒轴刹车汽缸放 气 2 2 . 三通旋塞阀: 2 3 . 三通旋塞阀:2 4 . 三通旋塞阀: 控制低压报等器开关 2 5 . 三通旋塞阀: 控制大钳平衡器2 6 . 三通旋塞阀: 控制外接气源 2 7 . 踏板调压阀: 2 8 . 参数表 1 2 9 . 参 数 表2一 3 0 . 参 数 表3 3 1 . 参数表43 2 . 参数表 5 3 3 . 参数表 6 表3 . 1司钻控制台参数 3 . 2 . 2参数监测台 1 、 基本功能: 令 对钻井参数、钻井液参数及压力参数的监视 令 对泥浆出口 参数的监视及报警控制 2 、 基本参数: 今 采集参数:泥浆报警开关，表盘读数调整开关。 令 受控参数: 钻压，大钩负荷，泵压，入口 排量，转盘转速， 进 尺， 钻头位置，出口 排量，出口 排量增量， 泥浆池液位高 度， 泥浆池总 体积等 ( 详见表3 .2 ) . 1 . 钻压2 .转盘转速 3 .立管压力 4 .转盘扭矩5 .钻井液入口密度6 .钻井液出口密度 7 .入口排量8 .出口 排量9 钻机气源压力 1 0储能器压力 1 1 .?1 2 井深 1 3 . 钻头位置1 4大钩高度1 5 . 方限井深 1 6 . 进尺1 7 . 钻时1 8 . 钻速 i 9 . 钻杆速度2 0 . 井底压力2 1 . 地层压力 2 2 . d c指数 2 3 .2 4 . 表3 .2参数控制台 参数 3 . 2 . 3防喷器控制台 1 、 基本功能: 令 对防喷器中 各组件进行开、 关控制; 令 对立管压力、套管压力、钻机气源等进行监视; 2 、 井口 方案 ( 如图3 .3 ) 3 、 基本参数: 令 采集参数:气源开关，万能防喷器开关，上、下闸板防喷器开 关，阻流及压井管汇控制开关等。 3 . 2 . 4 阻流器控制台 1 、基本功能: 令 关井后及压井作业时监视立管压力和套管压力; 冷 压井时控制立管压力和套管压力; 令 压井时计量排量 ( 替入量) 。 2 、 基本参数: 令 采集参数:钻机气源开关，阻流调节阀速度控制，阻流调节阀 控制; 4 受控参数:立管压力，套管压力，累计泵冲，入口排量，气源 压力。 2 、外观及面板布局 ( 如图3 . 5 ) 3 . 2 . 5指重表单元 1 、 基本功能: 令 显示钻压和悬重; 2 、 基本参数: 令 受控参数:钻压，悬重。 方案 1 方案 2 图3 6立管管汇方案设计 3 . 2 . ，目 视检测单元 基本功能: 检测 “ 眼到”情况; 卜个 2 、 基本参数: 奋 采集参数:指重表位置，转盘位置，天车位置，二层平台位置。 3 、主体设备:远红外光检测系统。 方 案， 方 案2 图3 .7阻流管汇方案设计 3 . 2 . 1 0声光报苦单元 1 、 基本功能: 令 溢流入井越限报警; 令 井漏越限报警; 令 钻井参数越限报警; 今 操作错误语音提示。 2 、 基本参数: 令 控制参数:各种声光报警开关 ( 电子开关) 。 3 、 主体设备: 警车报警系统一套。 3 . 2 . 1 1声音合成单元 基本功能: 模拟并合成各种现场声音:柴油机、转盘、泵冲、气动凡尔、 卜令 自 动压风机、油门、放喷、绞车刹车、 ; 2 、 基本参数: 命 控制参数:各种声音启动开关。 3 、主体设备:高质量组合音响一套。 3 . 3软件部分 3 . 3 . 1系统分析 新型钻井工程培训考核模拟系统的主控台部分是对过去旧的一套模 拟器主控台 程序的升级和改进。为此， 在建立新系统以前，必须对旧 系 统进行透彻的了解，找出问题，依据用户提出的要求和目 标，确立新系 统的范围和功能。 系统分析的任务就是建立一个满足用户需求的新系统 的蓝图。 系统分析的原则是: 1 ) 逻辑模型与物理模型分开考虑的原则。 系统的 逻辑模型， 是根据 用户的需要，规定出系统应具备的功能。及从抽象的角度看待系统，而 不问具体实现的技术手段: 2 ) 系统研制人员不断与用户沟通， 满足用户要求的原则 3 )采用结构化分析的原则。 1 、 初步调查与可行性分析 在旧的模拟器系统使用中，往往会出现一些信息处理技术的变化， 初步调查的目 的是明 确问 题和进行可行性分析，在本系统中，初步调查 内容如下: 1 )旧模拟器主控台的主要功能; 2 )旧模拟器主控台的实现软件平台为d o s ; 3 )旧 模拟器主控台存在的主要问 题和需改进的地方: ( 1 ) 旧软件在d o s 环境下生成，而目 前大多数软件均在w i n 9 5以 上系统平台上开发，程序有待升级。 ( 2 ) 旧 软件未能做到钻井工艺流程、图形显示单元、参数界面、 主控程序的几个部分的隔离， 使整个程序编写复杂， 且可靠性大大降低。 ( 3 ) 旧软件的界面不够美观，操作不够灵活方便。 可行性分析如下: 1 ) 技术上的可行性: 根据现有的技术条件， 能够达到所提出的要求 本系统是建立在w i n d o w s 9 5 上， 用v c + + 编写， 由于v c + + 和w i n d o w s 9 5 均 为微软公司开发的产品，故开发出的程序与系统软件兼容性良 好，且质 量可靠。 2 )经济上的可行性:所需工具软件均具备。 3 ) 管 理上的 可行性: 由 于 采 取了 较为 严格的管理 体制， 使得整个系 统中各部分配合较为协调。 2 、详细调查与结构化分析 详细调查是要了解新系统中信息处理的具体情况，而不是系统的外 部情况，是要弄清现行系统的基本逻辑功能及信息流程，其重点在于调 查分析系统内 部功能结构，包括数据流程、数据管理、业务流程等。 详细调查与分析是系统分析中最重要的工作。如果对具体情况不调 查清楚，就不能完整、正确地反