CN101711304B - 用于测试钻探控制系统的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于测试集成控制系统(1)的设备，其中所述集成控制系统(1)用于控制钻探单元(2)，所述钻探单元(2)用于钻探操作，所述集成控制系统(1)包括：钻探控制系统DCS(3)，其用于控制钻探系统(7)，所述DCS(3)用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号(31)，并且用于向所述钻探系统(7)提供控制信号(33)以实施期望的钻探操作，所述DCS(3)用于控制多个钻探操作，并且包括多个控制子系统，所述设备用于测试由所述集成控制系统中的一个或多个控制子系统的失败引起的、或者由所述集成控制系统(1)中的控制子系统之间的交互的失败引起的、或者两者组合引起的所述集成控制系统(1)中的错误。
Description
序言
本发明涉及一种用于对船舶上的钻探控制系统以及用于钻探操作的固定钻探单元进行测试的系统和方法。钻探控制系统受其上设置了被控制的钻探系统的船舶和将要执行的钻探操作的影响。钻探系统需要大量的能量。因而，在钻探单元的功率管理系统与钻探控制系统之间具有互连。所有所述系统必须正确地交互，以允许在钻探操作期间作为整体的钻探单元可以正常工作。虽然单独的钻探控制子系统(例如，顶部驱动、升沉补偿和泥浆泵)可以独立地工作，但是它们的控制系统通常需要交互，可能从这些交互或从一个或多个部件的故障或其间的互连引起失败。
在本文中钻探操作包括：在准备、钻探和井的完成(从钻探单元的初始定位直到井用于生产)期间所执行的任何操作。一个系统中的故障会影响钻探单元上的整个系统，并且会引起严重失败，导致钻探单元损坏或严重的环境后果。当前，没有测试系统能够测试在动态定位系统(DP)、功率管理系统(PMS)与钻探控制系统(DCS)之间的交互的同时，测试会引起潜在的危险的情况或危险情况。此外，本发明有利于在所述系统与其打算控制的系统断开时，对控制系统进行测试，首先可以避免损害系统，其次能够测试很少发生(该情况是非常不期望发生的)的情况以及潜在的破坏的情况。当多个控制系统制造商在顶层控制系统中提供要被互连的控制系统时，对控制系统的交互进行测试是特别困难的。如果出现错误，那么会导致钻探停止(其会带来巨大的损失)，或者在最坏情况下导致设备失败。由于在石油生产和钻探中，即使较小的延迟也将产生非常高的代价，在与控制系统相关的潜在问题发生之前对其进行检测并且采取适当的校正操作，这在经济以及环境方面具有重要意义。
本发明通过模拟钻探单元上的至少一个或多个真实系统并向多个控制系统提供真实和/或模拟信号，以确定当提供不同的模拟和/或真实场景或真实和模拟场景组合时(所述场景由信号来表示)，多个相互依赖的控制系统是否可以用适当的方式来响应，以使得至少减少一些上述问题。根据本发明的系统还可以包括信号修改计算机，其用于修改在真实控制系统与模拟物理系统之间往复的信号流，以在信号中生成错误或修改，以允许在控制系统的功能模式测试和失败模式测试的组合中进行测试。
背景技术
用于单元测试的硬件环路(hardware-in-the-loop)模拟
钻探单元的控制系统和安全系统可以包括用于不同子系统的多个控制系统和安全系统。当前，在控制系统的单元测试中，单独对控制系统和安全系统进行测试，其包括顶层控制系统，即钻探控制系统。
根据背景技术，通过在硬件环路模拟中设置测试从属控制子系统，在单元测试中测试每个单独的钻探控制子系统。在正常操作中，控制子系统将输出驱动器控制信号(其被传送到各自的钻探子系统的驱动器)，并且控制子系统将从相关子系统传感器中输入传感器信号。控制子系统包括至少一台计算机，其中算法基于来自相关的传感器的输入信号以及来自操作者的可能的输入命令信号来计算到驱动器的输出信号。在硬件环路测试中，钻探控制子系统与钻探系统分离，并且作为代替，连接至钻探系统模拟器。在该设置中，从钻探控制子系统输出的驱动器信号被传送至钻探系统模拟器。钻探系统模拟器包括运行了用于计算传感器信号的算法的至少一台计算机，其中所述传感器信号是由在给定的适当的初始条件的真实钻探子系统以及从被测试的控制子系统所接收的驱动器输出信号所产生的。硬件环路测试的目的是调查钻探控制子系统在例如足够的精度、健壮性和带宽方面是否能够符合要求地执行，当钻探子系统由钻探控制子系统控制时，钻探控制子系统的指定功能是否符合其功能描述。此外，可以使用硬件环路测试，当钻探控制系统控制其相应的钻探子系统时，可以检查钻探控制子系统是否能够适当地检测和处理失败情况。
在多个专利公开中，例如PCT/NO2005/000138和PCT/NO2005/000122，MarineCybernetics AS提出了用于对在动态定位系统(DP)与功率管理系统(PMS)之间的交互进行测试的系统。然而，这些系统不包括在钻探操作期间对处于使用中的控制系统之间的交互进行测试。因此，就发明的范围、申请的专利的技术领域以及提出的方法的执行而言，申请人提出的在先申请与本发明之间都存在很大的不同。
Aker Kvaerner提出了用于模拟(http://www.akerkvaerner.com/NR/rdonlyres/65BEFA6C-36EB-4520-8662-1ECC38CCD51A/14056/14DrillingControlMonitoringSystems.pdf)所示的具有专利权的钻探控制和管理系统的功能的模拟器。然而，没有给出模拟方法，其能够测试在控制系统内的可能的互连或错误、故障或失败。
发明内容
本发明公开了一种用于测试集成控制系统的设备，其中所述集成控制系统用于控制钻探单元，所述钻探单元用于钻探操作，所述集成控制系统包括：
钻探控制系统DCS，用于控制钻探系统，
所述DCS用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号，并且用于向所述钻探系统提供控制信号以实施期望的钻探操作，
所述DCS用于控制多个钻探操作，并且包括多个控制子系统，
所述设备用于测试由所述集成控制系统中的一个或多个控制子系统的失败产生的、或者由所述集成控制系统中的控制子系统之间的交互的失败产生的、或者两者组合产生的所述集成控制系统中的错误。
本发明还公开了一种用于测试集成控制系统的方法，所述集成控制系统用于在钻探操作期间控制钻探单元，所述集成控制系统包括
DCS，用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号，并且用于向钻探系统提供控制信号以实施期望的钻探操作，
所述DCS用于控制多个钻探操作，并且包括多个控制子系统，所述测试包括向所述集成控制系统提供错误的、模拟的、真实的或修改的信号或其组合，其用于测试所述集成控制系统中的一个或多个控制子系统的失败产生的、或者由所述集成控制系统中的控制子系统之间的交互的失败产生的、或者两者组合产生的所述集成控制系统中的错误。
在所附的独立权利要求中公开了本发明的其它优选的实施例。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的集成控制系统(1)，其包括钻探控制系统(3)、功率管理系统(4)和DP控制系统(5)。示出了控制系统，其控制在钻探单元(2)上的各种设备和系统，这里船舶(2)上设置了动力装置(6)。还示出了用于控制船舶位置的驱动器(21)。指示了各种钻探操作和用于这些操作的设备，作为钻探系统(7)的一部分示意性地示出了这些设备，例如：管道处理(pipe handing)、钻柱升沉补偿、绞车、动滑轮、顶部驱动、泥浆泵、升沉补偿器、立管(riser)、钻柱和BOP。
图2说明了推荐的测试设置，其中说明了集成控制系统(1)，其包括如图1所示的相同部件。在本发明的该实施例中，钻探单元(2)、动力装置(6)和钻探操作系统(7)由相应的模拟单元代替；即，所谓的硬件环路HIL测试结构中的模拟钻探单元(2’)、模拟动力装置(6’)和模拟钻探操作(7’)。
图3说明了推荐的测试装置，其中说明了集成控制系统(1)，其包括如图1所示的相同部件。在本发明的该实施例中，钻探单元(2)、动力装置(6)和钻探操作系统(7)由相应的模拟单元代替；模拟钻探单元(2’)、模拟动力装置(6’)和模拟钻探操作(7’)。在集成控制系统(1)与所述集成控制系统(1)控制的真实和/或模拟系统之间设置中断箱(break out box)，其用于将一个或多个信号在集成控制系统(1)与信号修改计算器(80)(其中可以在信号发送前对其进行修改)之间往复进行路由。
图4是根据本发明的各种装置以及模拟的钻探控制系统的部分的概貌。
图5是根据本发明的用于对DCS 进行HIL测试的通用设置的概貌。
发明实施例
下文将参考附图来描述本发明，并且将描述根据本发明的多个实施例。应当注意到，本发明不应局限于本公开所描述的实施例，并且本发明精神内的任意实施例也应当被认为是本公开的一部分。
本发明公开了一种用于测试集成控制系统(1)的设备，其中所述集成控制系统(1)用于控制钻探单元(2)。钻探单元(2)可以是浮式钻探平台、钻探船、系泊(moored)浮式单元、推进器和DP受控浮式单元、半潜式装置或用于海上钻探操作的任意类型的浮式装置。根据本发明的设备还可以包括陆上或海上的固定装置，例如：固定平台、地面钻探单元或类似的固定系统(其中不需要DP系统)。所述钻探单元(2)用于钻探操作，其中多个控制系统控制所需操作的不同的方面。所述多个控制系统可以被称为集成控制系统(1)，并且至少包括用于控制钻探系统(7)的钻探控制系统DCS(3)。在本发明的一些实施例中，用于控制动力装置(6)的功率管理系统PMS(4)可以认为是集成控制系统(1)的一部分。动力装置(6)应当向钻探系统(7)提供足够的功率以使得可以以满意并且安全的方式来实施钻探操作。DCS(3)用于接收与钻探操作相关的传感器信号(31)，并且用于向钻探系统(7)提供钻探控制信号(33)，以使得执行所需的钻探操作。在本发明实施例中，DCS(3)应当将钻探功率控制信号(32)提供给说明钻探系统(7)的能量需求的PMS(4)。根据本发明的设备用于对集成控制系统(1)的部件之间的互连引起的、集成控制系统中的错误进行测试。
显然，在陆地的或固定的钻探单元与浮式钻探单元(2)之间存在一些差别，但是，这些差别主要在于系统之间交互的数量，而不是测试本身的特性。由于本发明涉及对设置在钻探单元(2)上的系统的交互进行测试，两个实施例都被包括在本公开中。
钻探控制系统(3)可以安装在新一代钻探单元(2)或翻新的现有钻探单元(2)上。控制系统主要基于软件，并且可以设置在钻探工的仪表仓(钻探舱)附近或之内。现今最常使用的一些钻探控制系统是National oilwell Varco制造的“Cyberbase”、OEM的“数字钻探控制系统”(DDCS)、Aker Kvaerner制造的“钻探控制和监视系统”(DCMS)/“Drillview”以及Sense EDM制造的“On Track”。
根据本发明的另一种可能是提供一种测试系统，其中在通过向其提供特定的测试序列来安装之后，可以测试集成控制系统(1)。可以存储响应，并且在稍后的时间点，可以重新测试系统以确定集成控制系统(1)是否在第一测试之后以类似的方式响应。可以执行该测试以确定：在系统中已经发生了不可预料的改变，还是出现在控制系统等内改变的元件之后。
钻探控制系统(3)控制高度复杂的钻探系统(7)的多个功能。下文描述了钻探系统的一些主要部件。根据本发明测试并且验证钻探系统的所有操作的足够的功能以及钻探控制子系统之间的所有可能的交互。
顶部驱动本质上是用于旋转钻杆的电动机，其通常是电驱动的。顶部驱动应当在每个方向上向钻柱提供旋转转矩。其应当在钻探操作期间设置钻探转矩，并且当连接管道中邻近的管道长度之间连接时，还可以提供所需的上扣(make-up)转矩。在钻探期间，钻柱的旋转速度应当由顶部驱动来设置。
顶部驱动还应当可以运行顶部驱动管道处理机，其中所述顶部驱动管道处理机控制多个其它钻柱操作，例如打开和关闭远程操作的阀门I.BOP、打开和关闭立管、摆动立管提环(bail)进出、形成或断开顶部驱动水龙头到钻柱的连接，并且还可以包括用于升高或降低、或将顶部驱动水龙头安装至钻柱或从其上脱离的设备。
顶部驱动控制系统应当接收顶部驱动传感器信号，并且将控制信号提供给顶部驱动系统，为顶部驱动系统提供钻柱的正确旋转方向、期望的速度，以小心地控制钻柱的旋转速度，并且提供期望的钻探转矩或装配(make-up)转矩。在“停转(stall out)”情况下，在钻探工将转矩设置到0之后，顶部驱动控制系统应当提供控制信号以在大约10秒的时间段内自动降低转矩设置。此外，当连接管道时或当使用转矩扳手制动时，顶部驱动控制系统不应允许顶部驱动的旋转。
显然，顶部驱动控制系统提供大量控制信号，并且接收大量传感器信号，所有这些信号应当被适当地处理。由于对信号不正确的处理，因此发生了多个事件，例如钻柱的未受控的逆向旋转。作为示例，将钻柱插入2300米的实际垂直深度(TVD)。在钻柱将要松动之前，应当从钻柱上释放转矩。转矩大约是25000lbs/ft。该动作应当相当快地完成。在钻探控制系统中，转矩设置为“0”，所述系统将功率立即释放在钻柱上，钻柱未受控地逆向旋转。这会损耗底部钻具组件(bottom-hole-assembly)，并且几乎使得顶部驱动与钻柱脱离，导致进行打捞操作，而丧失了一天半钻井时间。使用向下倾斜(ramp down)功能来设计系统以防止该未受控的逆向旋转，然而，示出了由于顶部驱动控制系统中的安全功能，未适当地执行这些操作。
升沉补偿系统是钻探系统(7)的关键任务部件。系统用于在钻头上保持恒定重量，或者在钻头上保持恒定张力。有两种升沉补偿系统：
主动式升沉补偿系统，
被动式升沉补偿系统。
主动式系统可以安装在顶部或者可以是绞车的一部分。主动式系统可以使用垂直参考单元以检测升沉，并且根据所检测的升沉进行响应。被动式系统通常装在顶部，或者被包括在绞车系统中。升沉补偿系统可以包括气压或液压补偿系统，其用于抑制钻柱和同样重要的立管的升沉移动。用于主动式升沉补偿系统的控制系统应当从垂直参考单元接收传感器信号，并且应当提供对钻柱补偿器上的阀门进行控制的控制信号，增加或减少钻柱补偿器中的压力、打开或关闭空气压力容器或液压压力容器、激活和停用钻柱补偿器。除了升沉补偿系统的这些基本功能，升沉补偿控制系统还可以控制与钻柱连接的旁路阀门。
测试应当确保：对于打开并关闭所有阀门、控制主动式钻柱补偿器以及在紧急关闭的情况下还可以操作钻柱补偿器，升沉补偿控制系统可以适当地做出响应。如果水力或电力出现故障，那么会发生多个不期望的情况(例如从故障至灾难)。如果钻头处于海底，并且在升沉补偿中存在损耗，或者升沉补偿未适当地执行，那么钻柱可能会被卡住，这是个问题。然而，如果执行井口工作，钻柱被卡住，那么钻柱会断裂，导致钻探停止，会导致钻柱损耗。
绞车系统包括多个制动器、齿轮和离合器，用于增加和减少吊钩速度。还应当控制主制动器和紧急制动器的操作。可选的，应当控制电制动器，例如从0-100％的感应制动器。如果绞车具有多个齿轮，那么绞车控制系统应当控制齿轮的移动，例如，在低与高之间。绞车控制系统还可以包括紧急停止系统，其用于防止动滑轮碰撞定滑轮。当正常工作时，绞车控制系统应当适当控制绞车的速度、制动器、动滑轮和齿轮改变，并且当应用紧急制动器时防止绞车运行。下面给出了绞车制动器失败的结果的示例：
已经发现，通过让绞车以高负载工作，绞车制动器没有足够快地启用。由于在制动器启用之前，负载降低了一米，这导致旋转的分流器外壳脱离。这导致转盘下的分流器外壳被甩下去，丧失了14天的钻井时间而用于维修。这是由于在调整所谓的钻探工座椅之前，子系统承包商之间缺乏沟通。
泥浆泵系统用于控制钻探期间泥浆的循环和密度。泥浆泵系统中的失败会导致钻头损坏或爆裂情况。泥浆泵控制系统应当能够控制泥浆泵以降低泵速率或控制泥浆压力。泥浆泵控制系统还应当确保将泥浆抽送到正确的方向并确保泥浆泵的速率。如果达到某些压力阈值，那么泥浆泵控制系统不应当发出停止命令，而是自动降低泵的速度。
钻探操作控制系统的单独的种类可以被归类为管道处理控制系统设备。有多个子系统，其可以被归类为管道处理设备：
水平和垂直管道处理机(导杆/齿条臂)
水平至垂直管道处理机
机械手臂
立管
滑道(气压/液压操作)
铁钻工、M/U转矩、钻探钳/Eazy转矩、远程操作的CSG钳
这些系统都由不同的控制系统来控制，所述系统可以调节管道处理设备的移动部分的移动，并且控制系统应当总体上控制和验证管道处理操作所需的移动、定位和转矩。尽管相对简单，但是应当对不同的操作以及它们的控制进行测试以减少错误。
在背景技术中，BOP和分流器不受集成钻探控制系统的控制。然而，在钻探期间，BOP应当始终受控制，以防止出现潜在的危险情况。因此，在钻探时，可以将BOP控制系统当作全部集成控制系统的一部分，并且应当提供用于打开和关闭阀门的控制信号，并且接收指示阀门位置的信号，接收用于提供命令信号的压力信号以调整多支管和环形防喷器上的压力。这同样适用于控制节流管汇(chokemanifold)。为了避免潜在的爆裂，必须进行BOP控制。
防撞控制系统
主要有两种防撞控制系统。
设计防撞系统以防止具有顶部驱动的动滑轮碰撞井架内的其它管道处理设备。这些系统提供了接近度(proximity)传感器和/或可以计算动滑轮的位置。设计顶部(crown)保护器和地面保护器系统以防止动滑轮撞击钻架顶部的滑轮或防止撞击钻台。这些系统是基于对滑轮、顶部驱动以及接近度传感器的高度、重量和速度进行计算来设计的。
这两种控制系统的基本功能是连续提供传感器信号，其向钻探工提供所有涉及的部件的位置的概况，并且当一些部件处于碰撞的危险时，向托架系统的所有操作者以及钻探工提供警报。一些系统还可以包括允许系统外的一些部件的旁路。因此，防撞系统应当适当地能够进行以下操作：
连续定义动滑轮和顶部驱动的位置；
连续定义动滑轮和顶部驱动速度；
连续定义动滑轮和顶部驱动系统的总重量；
连续定义所有系管臂和刺臂(stabbing arm)以及铁钻工的位置；
当一些部件处于碰撞的危险时，向托架系统的所有操作者以及钻探工提供警报；
停止处于与动滑轮和顶部驱动碰撞的危险中的部件的操作，释放绞车离合器，并且通过使用电制动器来尽量减少动滑轮和顶部驱动速度，或者利用紧急制动器来最终停止动滑轮和顶部驱动；
当动滑轮和顶部驱动处于在定滑轮下的碰撞的危险时，防止钻柱补偿器的上升。
防撞控制系统还应当控制下列制动系统：
主制动器：通常是带式制动器，其具有在绞车卷筒之间的平衡架的两条独立带。
紧急制动器：使用机械弹簧负载的驱动器组来启动盘式制动器和带式制动器(故障安全)。在正常操作中，液压保持那些弹簧组打开。
可以设想其它制动器系统，例如直接装配在绞车主轴上的电制动器。
典型的关闭绞车顺序可以是松脱离合器、启动电制动器并且啮合紧急制动器。
如果一个或多个传感器、控制信号、在其两者之间的互连、控制算法中的任意一项有误，或信号线失效，那么会出现多种情况。下文给出的示例绝非穷举所有示例，而是仅给出了可能发生的失败的指示。应当注意，应当根据本发明的方法来测试由失败、失败模式、或系统的功能故障或其任意组合引起的任意错误。
接近度位置传感器中的失败会在没有向操作者提供任何警告情况下，导致部件会在顶部驱动水龙头动滑轮可以运行的区域内工作。为了防止发生这种情况，可以设置分离的和独立的传感器系统，然而，如果控制系统错误地解释信号或者未发出或忽略了失败警报，那么会发生碰撞。
在扩展动滑轮和顶部驱动系统的情况下，当一个或多个部件处于不安全区域中时，会发生碰撞。当动滑轮和顶部驱动位于井中心时，也会发生碰撞。
在电驱动工作失败的情况下，驱动工作紧急制动器不能在动滑轮碰撞钻台、定滑轮或齿条臂之前停止。当使用常规非电驱动工作制动器时，显然也可能发生这种情况。
驱动工作紧急制动器可以中止，导致即使在已经啮合紧急制动器后，动滑轮和顶部驱动水龙头也会撞击钻台。这将导致对动滑轮和顶部驱动水龙头的损害。
如果当动滑轮和顶部驱动水龙头接近定滑轮时，钻柱补偿器上升，那么动滑轮会撞击定滑轮。
钻探控制系统测试
开发了用于钻探控制软件和控制系统的HIL测试的HIL测试包。该软件包括主钻探设备以使得可以驱动和测试钻探控制系统和子系统。具有被包括在钻探模拟器中的动态模式和失败模式的子系统包括：
顶部驱动、绞车、泥浆泵、具有子系统的管道处理设备、升沉补偿设备以及可能包括的BOP系统。
根据本发明的测试包括功能测试，其是对计算机系统功能和模式的验证，还包括失败测试，即对计算机系统检测和处理失败模式的测试。图2中示出了根据本发明的HIL结构。
此外，权利要求1中定义了本发明的设备实施例，本发明还体现为用于测试集成控制系统(1)的方法，所述集成控制系统(1)用于在钻探操作期间控制钻探单元(2)，所述集成控制系统(1)包括：
DCS(3)，用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号(31)，并且用于向钻探系统(7)提供控制信号(33)以实施期望的钻探操作，
所述DCS(3)用于控制多个钻探操作并且包括多个控制子系统，
所述测试包括：向所述集成控制系统(1)提供错误的、模拟的、真实的或修改的信号或其组合，其用于测试由所述集成控制系统(1)内的一个或多个控制子系统中的失败或故障所引起的所述集成控制系统(1)中的错误、或由在所述集成控制系统(1)内的控制子系统之间的交互中的失败或故障所引起的错误、或者组合引起的错误。
根据本发明的实施例，可以实施所谓的FMEA(失败模式和效果分析)。FMEA测试过程涉及至少将一些控制系统放入控制环路中，将一些信号路由到系统外的集成控制系统，并从集成控制系统将信号路由到信号修改计算机(80)，其中所述信号修改计算机修改路由到其自身的一个或多个所述信号，并且将所述信号发送回受控制的所需的系统。这样，可以修改信号以使得可以给出真实信号的偏压、延迟、幅度的改变、电压的改变等。当测试具有相对慢的反应的控制系统时，这种测试也可以很好地适应。图3中示出了可能的FMEA测试类型的结构。
在根据本发明的设备中，集成控制系统(1)可以包括用于控制动力装置(6)的功率管理系统(4)，其中所述DCS(3)用于针对由所述钻探控制系统DCS(3)与所述功率管理系统PMS(4)之间的交互所引起的错误，接收与所述钻探操作相关的传感器信号(31)，并且将控制信号(32)提供至说明所述钻探系统(7)的能量需求的所述PMS(4)。
当所述动力装置(6)不能向钻探操作(7)提供足够的功率时，会产生这种错误，当在信号传输中有错误时，有错误的布线，在信号DCS(3)与PMS(3)之间不兼容时，在传感器、接收机、信号线、控制系统等中出现故障或失败。
在钻探控制系统被设置在钻探船(2)上时，钻探控制系统可以从相同的功率系统以及DP驱动器获得能量。所以，集成控制系统(1)还可以包括：动态定位控制系统DP(5)，其中所述DP控制系统(5)用于向功率管理系统PMS(4)提供DP功率控制信号(51)，所述DP控制系统(5)用于通过将定位控制信号(52)发送至所述钻探船(2)的驱动器(21)来控制所述钻探船(2)的定位；说明所述驱动器(21)的能量需求的所述DP功率控制信号(51)；用于从所述动力装置(6)接收功率的所述驱动器(21)；针对由所述钻探控制系统DCS(3)、所述功率管理系统PMS(4)和/或所述DP(5)之间的交互引起的错误，测试所述集成控制系统(1)的设备。
在许多情况下，由于DP(5)、PMS(4)和DCS(3)都可以被互连以确保集成控制系统(1)中的钻探船所需的操作。在对所有故障和失败进行测试的本发明实施例中说明了集成控制系统(1)，其中在操作包括三个提及的控制系统的集成控制系统(1)时会发生所述故障和失败。DP(5)和DCS(3)都向PMS(4)发送功率控制信号，并且在DP(5)和DCS(3)之间还存在直接或间接的一些交互。
集成控制系统(1)可以包括动态定位控制系统DP(5)，其中所述DP(5)用于控制所述钻探单元(2)的位置，并且其中所述设备用于针对由所述钻探控制系统DCS(3)和所述DP(5)之间的交互所产生的错误，测试所述集成控制系统(1)。
在根据本发明的设备中，所述集成控制系统(1)可以与船舶(2)分离，并且被连接到船舶模拟器(100)以使得在如例如图1所示的硬件环路结构中测试所述系统。
在根据本发明的设备中，所述集成控制系统(1)所接收的至少一个或多个信号是真实的，并且其中在将其提供到所述集成控制系统(1)之前，在信号修改计算机(80)中修改一个或多个所述真实的信号，用于所述集成控制系统(1)的失败模式和功能模式测试。
根据本发明的系统和设备适于在整个控制系统(1)在位置上安装之后，测试集成控制系统(1)。这种系统的特殊问题在于，有多个子承包商，其提供DCS(3)或集成控制系统(1)的控制结构的不同部件。虽然在提供前，可以对集成控制系统(1)的每个分离的部件彻底进行测试，但是如果它们由不同的厂商提供，那么这些测试不能披露由系统中各种部件之间的交互所引起的错误。本发明的目的是分析集成控制系统的性能以检测并处理这种错误。如果在安装后，集成控制系统的部件需要替换或修改，那么会出现单独的问题，即使在改变之前以适当的方式来执行系统，系统部件的增加或修改也会破坏系统的稳定，或者引入尚未想到的错误。本发明的目的是解决这些问题。集成控制系统的部件的修改可以包括更新或替换控制软件或硬件的部分、或者甚至控制系统自身的整个部分。
如果替换由集成控制系统(1)控制的一个或多个物理部件，那么将需要验证新装置是否可以顺利地集成在控制上部结构中，并且本发明的目的是测试在替换软件或硬件之后，集成控制系统能否恰当地工作。
显然，根据本发明的测试设备可以作为用于对集成控制系统的每个部件进行测试并且对集成控制系统自身的一部分进行测试的设备。由于可以模拟集成控制系统的所有不同部分，因此显然不仅可以模拟一个部分而且还可以模拟所有部分，从而使得设备可以作为用于在集成控制系统内的单个设备的测试设备。设备的灵活性具有重要的现实意义，此外允许向系统容易地增加其它模拟器，用于模拟额外的参数。
在本发明的实施例中，多个模拟器可以是测试设备的一部分，其中每个模拟器模拟不同的操作。这允许将测试分配给多个模拟器，由此在没有滞后风险的情况下允许实时运行模拟操作。在本发明的该实施例中，可以将模拟器分布在不同地理位置，以使得可以在没有移动物理的控制单元的情况下，将模拟器连接至要被测试的控制单元。在该实施例中，模拟器将同时运行以使得来自其它模拟器的反馈信号和控制信号可以在内部进行通信。在本发明的该实施例中，可以认为设备是用于集成控制系统(1)的分布式测试系统，其中测试系统的部分没有位于相同的区域中。在模拟器之间的互通可以由中央通信单元控制，或通过其它已知方法来分发信号。
如上所述，可以测试独立的或连接的测试目标，并且以FMEA模式来控制真实系统。不同的测试模式允许不同的测试算法，因此还应当包括不同的功能。用于测试独立系统的模拟器应当包括用于模拟真实系统的功能，例如：钻探设备、船舶电源系统、船舶移动等，其中这些系统用于从测试控制系统获取命令并且向其提供反馈。在本发明实施例中，还可以模拟与测试的控制系统交互的其它控制系统。这样，可以测试命令结构的子部分或者命令链中的连接等。
用于FMEA模式测试的模拟器应当模拟在信号、常用命令以及在控制器之间的反馈系统中的信号故障。可以通过操作上述的一个或多个信号来执行。
在FMEA模式中，还可以用命令来操作控制系统，以使得在一定程度上，系统可以测试控制系统的人机界面。这种测试系统允许更现实地测试操作者在系统中引起的故障或错误，并且证明非常有价值。在许多情况下，可能很难想象在任何普通环境(其是人们由于没有经验或是不幸引起的)中发生故障。应当可以测试这种错误，本发明可以对其进行测试。
HIL模拟器应当测试人机界面(HMI)的正确的结构。这通常可以包括测试在HMI中，控制系统是否在正确的位置显示出正确的反馈。这还可以包括测试操作者的输入是否导致期望的操作。
HIL模拟器说明
为了允许根据本发明的测试设备的各种功能，HIL模拟器应当符合多个标准。HIL模拟器应当可以实时地工作，以使得在信号处理中很少有滞后。这很重要，这使得可以以真实的方式进行测试。
本发明的实施例中，模拟器应当是主信号枢纽以使得来自测试目标的输入和输出信号应当被路由到HIL模拟器或从HIL模拟器发出信号，而不是路由至真实系统。在该结构中，控制系统将响应直接来自于HIL模拟器或模拟器的反馈信号。同时，要被测试的控制系统命令HIL模拟器以使得在理论上不能够区分HIL模拟器与真实系统。
同样，当对关于信号或设备的失败模式进行模拟时，HIL模拟器应当将持续的反馈提供给连接至它的所有系统。这应当包括下列情况，其中对影响到达和来自测试目标的反馈或命令的信号失败模式进行测试。实际上，这意味着当模拟关于一个或多个反馈信号的故障模式时，模拟器应当运行而不受该模拟错误的影响。因此，仅作为故障被模拟的一个或多个信号应当被影响，而其它信号应当保持不受影响。
这还意味着，当关于模拟的设备的失败模式(其通常在多个反馈系统上具有同时和动态的效应)要被模拟时，事实上应当能够这样做。因此，模拟器(是根据本发明的测试设备的一部分)能够模拟失败如何影响系统，并且还可以将相关的反馈信号提供给控制系统或要被测试的系统。这还意味着，在信号之间应当是一致的以允许实际的测试。
信号之间必要的一致性的示例可以包括：
-接近度传感器反馈以及位置测量反馈
-电力系统的状态与遵照命令的可变速驱动器的能力之间的一致性
-VRU传感器与立管张力传感器之间的一致性
-液压系统的状态与遵照命令的液压系统的能力之间的一致性
-命令的转矩以及张力反馈
显然，由于有大量的其它信号，其示出了它们之间具有一致性，因此该列表是非排他性的，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。
还有各种所需的故障模式，其应当能够被模拟，其可以包括：
-电动机的功率损耗
-驱动器的液压损耗
-制动器失败
-所禁止的设备的移动或旋转。
显然，由于有应当被模拟的大量其它失败模式，因此该列表是非排他性的，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。显然，因为可以设想其它情况，因此应当能够同时模拟多个失败模式。根据本发明还可以模拟多个失败情况的组合。
存在能够模拟的大量信号失败，例如下文所列：
-数字反馈信号中的不一致
-模拟反馈信号中的不一致
-反向的数字信号
-冻结的(Frozen)数字信号
-闪烁的(Flicking)数字信号
-冻结的模拟信号
-模拟信号上的噪声
-模拟信号中的漂移
-模拟信号上的偏移
-最大值故障/超出范围
-最小值故障/超出范围
显然，该列表是非排他的，因为显然应该同时能够模拟多个情况。
根据本发明的实施例，到达或从一个或多个模拟器发出的信号和控制系统可以由本领域技术人员已知的硬件线路、总线接口、其组合或任何其它合适的信号传输单元来连接。
如图4所示，用于测试DCS的设备可以包括大量子系统，其中可以同时使用一个或多个子系统。在本发明的实施例中，系统自身是模块化的，以使得没有增加的特征可以在稍后的时间增加。图5示出了用于对钻探系统进行HIL测试的通用测试设置。根据需要，显然可以改变要被测试的开关、PC、接口和系统的数量。
因此，本发明能够测试用于控制钻探单元(2)的集成控制系统。
Claims (20)
1.一种用于测试集成控制系统（1）的设备，其中所述集成控制系统（1）用于控制钻探单元（2），所述钻探单元（2）用于钻探操作，所述集成控制系统（1）包括：
钻探控制系统（3），其用于控制钻探系统（7），
所述钻探控制系统（3）用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号（31），并且用于向所述钻探系统（7）提供钻探控制信号（33）以实施期望的钻探操作，
所述钻探控制系统（3）用于控制多个钻探操作，并且包括多个控制子系统，
所述设备用于测试所述集成控制系统（1）中的错误，其中所述错误是由所述集成控制系统内的一个或多个控制子系统中的失败或故障引起的，或者是由在所述集成控制系统（1）内的控制子系统之间的交互中的失败或故障引起的，或者是由其组合引起的；
其中，所述设备包括与所述集成控制系统（1）连接的模拟器，所述模拟器包括模拟钻探单元，所述模拟钻探单元被设置为接收来自所述钻探控制系统（3）的所述钻探控制信号（33）以及向所述多个控制子系统提供模拟信号。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成控制系统（1）还包括用于控制动力装置（6）的功率管理系统（4），其中所述钻探控制系统（3）用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号（31）并且向说明所述钻探系统（7）的能量需求的所述功率管理系统（4）提供钻探功率控制信号（32），其用于针对所述钻探控制系统（3）与所述功率管理系统（4）之间的交互所引起的错误，测试所述集成控制系统（1）。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述集成控制系统（1）还包括：动态定位控制系统（5），其中所述动态定位控制系统（5）用于向所述功率管理系统（4）提供动态定位功率控制信号（51），所述动态定位控制系统（5）用于通过将定位控制信号（52）提供给所述钻探单元（2）的驱动器（21）来控制所述钻探单元（2）的定位；所述动态定位功率控制信号（51）说明所述驱动器（21）的能量需求；所述驱动器（21）用于从所述动力装置（6）接收功率；所述设备用于针对所述钻探控制系统（3）、所述功率管理系统（4）和/或所述动态定位控制系统（5）之间的交互所引起的错误，测试所述集成控制系统（1）。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成控制系统（1）还包括动态定位控制系统（5），其中所述动态定位控制系统（5）用于控制所述钻探单元（2）的位置，并且其中所述设备用于针对由所述钻探控制系统（3）与所述动态定位控制系统（5）之间的交互所产生的错误，测试所述集成控制系统（1）。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述集成控制系统（1）与所述钻探单元（2）分离，并且所述集成控制系统（1）连接至船舶模拟器（100）以使得在硬件环路结构中测试所述系统。
6.根据权利要求1所述的设备，其中由所述集成控制系统（1）接收的至少一个或多个信号是真实的，并且其中，在一个或多个所述真实信号被提供给所述集成控制系统（1）之前，在信号修改计算机（80）中修改一个或多个所述真实信号，用于所述集成控制系统（1）的失败模式和功能模式测试。
7.根据权利要求1所述的设备，其中所述钻探控制系统（3）用于控制用于钻探操作的下列单元中的至少一个或多个：
顶部驱动设备，
绞车设备，
泥浆泵设备，
管道处理设备，
钻柱升沉补偿设备，
立管升沉补偿设备，以及
爆裂防止器阀门设备。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述钻探控制系统（3）用于控制防撞系统，所述防撞系统包括下列一个或多个：
顶部保护器，
地面保护器，
管道处理设备。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述钻探控制系统（3）用于控制主动式升沉补偿系统。
10.根据权利要求1所述的设备，还包括多个辅助测试设备。
11.一种用于测试集成控制系统（1）的方法，所述集成控制系统（1）用于在钻探操作期间控制钻探单元（2），所述集成控制系统（1）包括：
钻探控制系统（3），用于接收与所述钻探操作相关的传感器信号（31），并且用于向钻探系统（7）提供钻探控制信号（33）以实施期望的钻探操作，
所述钻探控制系统（3）用于控制多个钻探操作并且包括多个控制子系统，
所述方法包括以下步骤：
连接模拟器至所述集成控制系统（1），其中，所述模拟器包括模拟钻探单元，所述模拟钻探单元接收所述钻探控制信号（33）；
将来自所述模拟钻探单元的模拟信号提供给所述多个控制子系统；以及
向所述集成控制系统（1）提供错误的、模拟的、真实的或修改的信号或其组合，其用于测试由所述集成控制系统（1）内的一个或多个控制子系统中的失败或故障所引起的所述集成控制系统（1）中的错误、或由在所述集成控制系统（1）内的控制子系统之间的交互中的失败或故障所引起的错误、或者由它们的组合所引起的错误。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述集成控制系统（1）还包括控制动力装置（6）的功率管理系统（4），所述动力装置（6）向所述钻探系统（7）提供功率；
所述钻探控制系统（3）接收与所述钻探操作相关的传感器信号（31），并且向说明所述钻探系统（7）的能量需求的所述功率管理系统（4）提供钻探功率控制信号（32），用于针对所述钻探控制系统（3）与所述功率管理系统（4）之间的交互所引起的错误，测试所述集成控制系统（1）。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述集成控制系统（1）还包括：动态定位控制系统（5），其中所述动态定位控制系统（5），针对所述钻探控制系统（3）、所述功率管理系统（4）和/或所述动态定位控制系统（5）之间的交互所产生的错误，向所述功率管理系统（4）提供动态定位功率控制信号（51），所述动态定位控制系统（5）用于通过将定位控制信号（52）提供给所述钻探单元（2）的驱动器（21）来控制所述钻探单元（2）的位置，所述动态定位功率控制信号（51）说明所述驱动器（21）的能量需求，所述驱动器（21）从所述动力装置（6）接收功率。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述集成控制系统（1）还包括动态定位控制系统（5），其中所述动态定位控制系统（5）用于控制所述钻探单元（2）的位置，并且用于针对由所述钻探控制系统（3）与所述动态定位控制系统（5）之间的交互所引起的错误，测试所述集成控制系统（1）。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述集成控制系统（1）与钻探单元（2）分离，并且所述集成控制系统（1）连接至船舶模拟器（100），利用模拟的传感器信号替代真实传感器信号，使用所述船舶模拟器（100）的期望的初始状态，所述船舶模拟器（100）响应来自所述集成控制系统（1）的控制信号，以使得在硬件环路结构中测试所述集成控制系统（1）。
16.根据权利要求11所述的方法，其中由所述集成控制系统（1）接收的至少一个或多个信号是真实的，并且其中在将一个或多个所述真实信号提供给所述集成控制系统（1）之前，在信号修改计算机（80）中修改一个或多个所述真实的信号，用于所述集成控制系统（1）的失败模式和功能模式测试。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述钻探控制系统（3）控制用于钻探操作的下列单元中的至少一个或多个：
顶部驱动设备，
绞车设备，
泥浆泵设备，
管道处理设备，
钻柱升沉补偿设备，
立管升沉补偿设备。
18.根据权利要求11所述的方法，其中所述钻探控制系统（3）用于控制防撞系统，所述防撞系统包括下列中的一个或多个：
顶部保护器，
地面保护器，
管道处理设备。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述钻探控制系统（3）用于控制主动式升沉补偿系统。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述钻探单元（2）是用于在陆地或海上钻井的固定钻探单元或浮式钻探单元。
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