国产钻机司钻控制系统的设计

国产钻机司钻控制系统的设计

1司钻房内部控制不统一,缺乏人性化设计近年来，中国独立开发的石油工具，以其可靠的质量、良好的信用和相对廉价的价格，吸引了国际市场的青睐。司钻控制房作为石油钻机的核心控制部件,被业界誉为石油钻机的“心脏”。目前国产钻机的司钻控制房基本上是由各个油田、井队根据自己使用钻机的情况定制,没有统一规范,内部控制元件布置有很大差异,甚至其主要功能的划分也没有统一规范,使得司钻在上岗前通常要接受大量的培训,以便分清和明确各种显示和操纵装置的功能及位置。面对各种仪表和监视系统,司钻每天必须要保持高度的注意力,在司钻房内工作长达十几个小时,还要随时处理一些意外情况,因此,司钻的工作是最繁重的。如果显示系统和操作设施设计不合理,使用、操作繁琐,即使经过培训,司钻也难免疲劳、出错。这样的人机界面无论在生理还是心理上都不符合人性化设计。出现这种情况的原因是在设计钻机时只注意完成功能,而忽略了在整个系统中司钻房的人性化设计。因此,制定钻机司钻控制系统布置规范迫在眉睫。2产品了解目建立“以人为本”的设计理念,以心理学和社会心理学为依据,进行设计调查是正确设计的前提,其目的是了解用户使用该产品的目的和动机,了解用户的操作过程和思维过程,从而掌握用户需要。设计调查主要是建立用户模型和人与物的关系。通过多次对四川地区石油钻井施工队和西南石油大学自制司钻控制系统模拟器进行访谈式设计调查,发现国产钻机司钻控制系统存在问题。2.1用户的思维模型2.1.1车的控制器设计a)操作过程不确定因素很多,很多情况下需要灵活处理,所以往往用人工操作更灵活、方便,但是增加了人的工作负荷,自动送钻装置可以大大减轻司钻的精神和体力负担。例如,将电磁刹车的控制部分设计成类似汽车的换挡装置,这样可减少操作的复杂性。b)每一步操作都必须要保持注意力高度集中,眼睛容易疲劳,心理压力较大,有时会出现注意力透支,造成误操作。c)改善操作环境,将司钻房整体设计为圆形;司钻座椅可移动和旋转;将仪表操作键盘等设计在司钻身体两边,操作更方便;可在司钻房内小范围移动,避免视觉死角;头顶上玻璃窗的窗帘应采用冷色调,原有的暖色调会给人一种想睡觉的感觉。d)噪声可作为司钻判断钻机设备是否正常工作的一个依据,例如,通过柴油机发出的声音能判断其工作是否正常,可及时采取相应措施。2.1.2司钻房设计注意事项a)显示屏的4个画面之间切换是通过1个键循环切换全屏模式,如果设计成每一个画面都有一个对应的键进行切换,将会很方便。b)控制元件应具有方便性和可操作性。如刹车手柄是木制的,操作时手易出汗、打滑,可设计成带有花纹的橡胶手柄。c)将常用控制元件放置在控制台面上能触手可及,不常用的放到一个抽屉里,用时抽出来,不用时推进去。例如,可将控制柴油机的一排小阀门放进抽屉里。d)多采用操作按钮,指示性强;尽量不用按键操作。e)原有的司钻房功能不全、布局乱、没有进行整体规划,许多功能为用户自己改装。设计时要充分考虑用户的需要,整体规划所有功能,暂时不用的功能不显示,用到的时候即能显示。f)司钻通过耳麦与现场其他岗位进行联系,设备中有2个耳麦,一个与二层台联系;一个可以呼叫10个岗位,有10个数字,每个数字对应1个岗位。各岗位通过装在安全帽上的耳麦与司钻联络,使安全帽重心偏向装耳麦的一侧,对耳朵产生压迫感,所以现场一般都不戴耳麦,这就造成了司钻和各岗位联系不方便,只能喊叫人来传达任务。期待设计出好的传呼耳麦,以保证每个岗位都能互相联络(现使用的耳麦只能和司钻一个人联络,不能互相联络),这样既加快了工作效率,也减轻了司钻的负担。g)学习评价。实际上按照目前司钻控制房的设计,每个司钻都已成为了一个专家用户,他们能够熟练的使用司钻系统,评价司钻系统的操作性能,并在实际工作中思考了很多人与机器不适应的问题,能够在出现问题时自己检修来排除故障。但是具备这种能力是以司钻必须要牢记操作,熟练工作流程来实现的,在工作中也要求人来适应机器、习惯机器的性能,这不符合“以人为本”的设计原则。2.2司钻的安全乘车操作a)司钻操作台是通过司钻持续地观察各种仪表和显示器,同时用手控制操作器来实现动力系统、传动系统、执行系统的相互协调动作并准确可靠地完成工作任务的装置。其中,主要要观察指重表、工况显示屏和仪表显示屏,偶尔观察其他仪表和户外情况;操作系统中主要使用刹车制动(刹把)和辅助刹车,偶尔使用其他操作键。b)司钻操作流程。①启动防喷控制台。②所有离合器挂空挡,确保其处在关闭状态。③启动柴油机,观察与柴油机相对应的仪表(非司钻工作)。④为空挡并车提供动力。⑤挂挡开泵,打开其驱动装置,用绞车提钻杆(此时可配合用脚踩油门)。⑥提升钻杆到一定高度后刹车,可用刹车制动装置或用手动刹车。⑦注意观察指重表和显示屏,右手持续使用刹把,左手偶尔使用辅助刹车。以上是开钻时司钻要做的工作,但是实际上钻机开始工作后,司钻最常做的是第7项工作,由于开钻后钻机不能够停钻,司钻每天要连续工作十几个小时,虽然有副司钻,但是长时间保持注意力高度集中使司钻非常疲惫。c)设计本身没有为用户提供操作顺序指南,设备的操作过程需要花大量的时间去记忆。因为过程比较复杂、灵活性高、可变化性强,整个过程需要在实践中不断摸索熟悉,因此,增加了工作难度。d)司钻控制房其实就是整个钻井系统的一个中转站,需要进行决策的情况很多,许多指令都从这里发出,希望能减少司钻的工作强度和压力。e)不同的控制按钮应设置成不同的颜色,容易误操作的地方设置成醒目的红色,容易混淆的按钮在颜色或距离上分开,以解决误操作问题。f)司钻在操作过程中存在视觉死角。注视井口时,前方有一红色液压大钳,操作此设备的工人有时会遮挡住司钻看井口的视线。g)对设备中不常用的功能或根本不用的应考虑放置在其他位置。例如刹车,工作刹车——持续使用;紧急刹车——发生紧急情况时使用,一般不用;驻动刹车——司钻稍作停顿或临时有事时,用作临时停车,经常会用;安全刹车——使用后所有设备都动不了,不轻易使用,一般不用。还有一些如节能发电机、动力选择、风动旋钮、自动压风机、转盘惯刹等在四川地区用不上,是钻机生产厂考虑了大多数用户的需求,设定的功能比较全面。2.3司钻下一步工作缓慢,造成工作不集中。据年龄控制a)新上岗司钻因不熟悉操作步骤而误操作由于各个操作是独立的、无连贯性,各操作之间没有必然联系,在操作区的功能划分上又不明显,并且没有提示来告诉司钻下一步应该做什么,所以对于新司钻,时常在“下一步怎么操作?”、“要观察什么?”上犯错误。b)司钻注意力不集中而误操作人在长时间注意力高度集中状态下工作,眼睛和四肢容易疲劳;工作环境的改善和适宜的温度以及用坐姿工作,使人更容易犯困。这两种情况下易出现错误操作。2.4工作区域内的不适合使用“左驳子”操作a)应将工作刹车设计在司钻身体两边、手自然下垂的位置,以减轻肩部的劳累度,且右手累了可换左手操作,同时适用于“左撇子”操作。b)参数显示屏的倾斜角度不适合眼睛观察的位置,且反光,容易引起眼睛疲劳。c)工作台面高度不合适,顶着司钻的膝盖,台面下部空间小,不够放腿。长期工作腰、肩、背酸疼。d)辅助刹车和工作刹车距离太远,不便操作辅助刹车。e)工作椅子是固定的,不能移动和转动,不方便。2.5司钻房增加了规范管理a)二层平台和井口等出现问题需要司钻到司钻房外面去观察时,应有一刹车键可以保持绞车处于刹住状态。b)司钻换班时应有一刹车键能保持绞车是刹车状态。c)如果出现事故,必须要保证有一个键可以使动力全部停止,并能发出警报告知其他工作人员。d)应设置2个紧急情况下的逃生出口;司钻房房顶设计为防弹玻璃,并且安装铁丝网,以防重物砸伤司钻;顶部有防晒窗帘。3机器在功能设计和结构设计方面的应用“以人为本”是指以人机学、心理学为基础,以人物关系或人机界面设计带动功能设计和结构设计。具体来说,是机器在操作界面上的特性应当适应人的生理、心理特性。根据设计调查分析结果,按照设计心理学和人机工程学理论,对司钻控制系统人机界面设计提出了建议。3.1自动送钻装置设计a)认真研究操作过程中哪些可以用机器来实现,哪些需要人工操作,是否可以采用飞机自动飞行的技术来设计自动送钻装置,以减轻操作者的精神和体力负担。b)从用户使用心理的角度来分析目前使用的操作界面,使操作过程符合用户的知觉和认知特性。例如,在操作界面上增加操作信息引导和信息反馈,以减少新手操作的学习负担。3.2司钻的视觉死线网a)充分利用司钻房空间,扩大司钻视野,将司钻房设计为圆形;工作椅改为可移动、旋转的椅子;解决视觉死角;顶部防晒窗帘采用冷色调,以改善司钻工作时犯困的问题。b)进行模块化设计,将操作元件进行功能区域和使用频率划分,对不常用或不用的功能操作元件应考虑放置在类似于计算机键盘的抽屉中,需要时拉出来即可使用。3.3操作键da)对整体进行大的区域划分,主、辅工作区域明确,使司钻一看到就能明确主要观察什么,主要使用什么。b)在主工作区明确的状态下,对辅助工作区进一步细化,将显示装置和相对应的操作装置布置在一起;对一些常用键按照它们的功能和颜色进行划分区域布置,使各个功能的使用区域明显,使司钻在使用时能快速、准确地找到,避免使用中的误操作。c)参数显示屏和工作台面按照人机学理论设计,避免因设计不佳给操作者带来额外的精神和体力负担。d)将主要操作元件放置在司钻手的两边,使人的手臂处在自然放松状态,缓解静态施力对司钻的影响。e)操作键设计带有一定的喻意,在按键、旋钮较多的位置,改变不同功能元件的大小或形状以便于区分。f)操作显示装置满足人机工程学要求,使司钻能在方便、舒适、高效的环境下工作。g)设计类似汽车驾驶员使用的可以调节距离和高度的工作椅。h)设计一种适合现场工作人员工作性质的专