CN103760776B - 石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统，包括显示屏通过显示屏通讯网络与图像处理器连接，图像处理器一路与外部扩展监控通讯网络连接，图像处理器另一路通过系统图形工作站与外部扩展监控通讯网络连接；系统图形工作站与主交换机连接，主交换机分别与外部扩展监控通讯网络、主副司钻操控通讯网络、PLC控制站通讯网络同时连接；主副司钻操控通讯网络上连接有主、副司钻图形工作站及工业监视图形工作站；PLC控制站通讯网络上连接有主、副司钻监控PLC站和冗余PLC智能控制站，主、副司钻监控PLC站分别与主、副司钻操控座椅连接。本发明的装置，实现高度集成的一体化司钻控制。

Description

石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统

技术领域

本发明属于自动化控制技术领域，涉及一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统。

背景技术

石油钻井作业是在司钻的组织、操作和指挥下，由多工种配合、集体完成的一项工程作业。人们常说司钻手中掌握着“三条命”即：钻井工人、井眼和钻井设备的命运，一旦司钻操作失误有可能造成火灾、人员伤亡、设备毁坏、污染自然环境等严重后果。如何高效率低成本的培训出合格的司钻，是石油钻井企业培训部门长期盼望解决、但仍未能妥善解决的难题。由于钻井作业的性质，给司钻培训带来以下难点：其一、钻井作业是集体作业的工程项目，司钻需要与多人配合完成钻探任务，配合不到位或操作失误均会造成一些事故发生。其二、钻井作业中司钻操作依靠对各种仪表参数的分析，间接地了解在地下数千米工作的钻头状况和井眼情况，并做出判断，而仪表数据的显示往往是多解的。因此要求司钻有较高的综合分析判断能力，这种能力需经反复训练，才能提高。其三、培训成本高，例如：在一套实物钻机上培训司钻，需要大量的培训费、燃料费、设备磨损费、维护费等，且存在一定的风险，每个人员的培训成本很高。其四、司钻对井下复杂情况和事故的判断以及处理能力是司钻岗位的一项重要技能，但钻井中的复杂情况和事故，是难以人为再现的，很多技能司钻不能在钻井现场培训得到锻炼。

总体来说，传统的现场培训方式存在着周期长、操作不规范、设备磨损严重、成本高、绝对安全难以得到保障等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统，解决了现有技术中存在的现场培训方式周期长、操作不规范、设备磨损严重、成本高、绝对安全难以得到保障的问题。

本发明采用的技术方案是，一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统，包括显示屏，显示屏通过显示屏通讯网络与多功能的图像处理器连接，图像处理器一路与外部扩展监控通讯网络直接连接，图像处理器另一路通过系统图形工作站与外部扩展监控通讯网络连接；

所述的系统图形工作站另外与主交换机连接，主交换机分别与外部扩展监控通讯网络、主副司钻操控通讯网络、PLC控制站通讯网络同时连接；主副司钻操控通讯网络上连接有主司钻图形工作站、副司钻图形工作站及工业监视图形工作站；

所述的PLC控制站通讯网络上连接有主司钻监控PLC站、副司钻监控PLC站和冗余PLC智能控制站，主司钻监控PLC站与主司钻操控座椅连接，副司钻监控PLC站与副司钻操控座椅连接。

本发明的石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统，其特点还在于：

显示屏由六块等离子显示单屏拼接而成。

主司钻图形工作站上连接有主司钻监控屏一和主司钻监控屏二，副司钻图形工作站上连接有副司钻监控屏一和副司钻监控屏二，工业监视图形工作站上连接有主司钻CCTV屏和副司钻CCTV屏。

外部扩展监控通讯网络NET2上连接有音频单元、视频单元及防火墙，防火墙通过互联网或远程网络单元与远程办公室单元连接。

本发明的有益效果是：采用集成化控制司钻系统、虚拟现实技术、数字样机实现钻机所有关键设备的集中控制和监视，利用等离子拼接屏、大型的图像处理器、高配置的工作站、西门子PLC智能控制站、集成化的操控元件、主副操控一体化座椅构建了虚拟操作培训系统，应用多处理器、多线程、图像拼接技术和虚拟仿真技术，以Ethernet通讯的方式，实现了所有钻井设备、电控系统、工业监视、钻井仪表的集成，系统方案配备多个接口，可接收多路视频信号、音频信号等，主副两套操作座椅完全相同，互为备用。具体包括以下几个方面：

1）控制高度集成，优化了控制界面，降低了成本。所有钻井设备集中控制，实现了软件和硬件设备的高度集成，将引领今后钻机集成控制系统的发展方向。

2）司钻实景体验，可实现司钻的模拟培训，降低培训风险。能够模拟各种钻井设备操作、各种钻井工艺、井下事故，培训合格司钻，降低培训风险。

3）三维立体展示，可实现虚拟漫游。借助三维数字样机可展示常规钻机、新产品的结构参数，实现产品设备的立体展示，设定路径，可是产品数字样机的虚拟漫游。

4）本系统可以实现产品控制系统的辅助验证。在实物样机产出前可借助该系统进行程序算法验证和优化，提前排除设计隐患，缩短研发周期，降低样机设计、制造和调试成本。

总体来说，石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统应用于陆地钻机和海洋平台上所有钻井设备的模拟操控，能够安全、高效的实现石油钻机虚拟仿真操作，能够方便、快捷的培训合格的司钻人员，并带来新的司钻控制理念，实现高度集成的一体化司钻控制系统，为培训、控制、产品展示和新产品控制系统的辅助验证等带来了便利。

附图说明

图1是本发明石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统的网络拓扑图。

图中，1.显示屏，2.图像处理器，3.系统图形工作站，4.主司钻图形工作站，5.副司钻图形工作站，6.工业监视图形工作站，7.主司钻监控屏一，8.主司钻监控屏二，9.副司钻监控屏一，10.副司钻监控屏二，11.主司钻CCTV屏，12.副司钻CCTV屏，13.主交换机，14.主司钻监控PLC站，15.副司钻监控PLC站，16.冗余PLC智能控制站，17.主司钻操控座椅，18.副司钻操控座椅，19.音频单元，20.视频单元，21.防火墙，22.远程网络单元，23.远程办公室单元；

另外，NET1代表显示屏通讯网络；

NET2代表外部扩展监控通讯网络；

NET3代表主副司钻操控通讯网络；

NET4代表PLC控制站通讯网络；

NET5代表无线或有线远程监控通讯网络；

CCTV代表工业监视的英文缩写。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，本发明石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统的结构是，

包括等离子拼接方式的显示屏1，显示屏1通过显示屏通讯网络NET1与多功能的图像处理器2连接，图像处理器2一路与外部扩展监控通讯网络NET2直接连接，图像处理器2另一路通过系统图形工作站3与外部扩展监控通讯网络NET2连接；系统图形工作站3另外与主交换机13连接，主交换机13分别与外部扩展监控通讯网络NET2、主副司钻操控通讯网络NET3、PLC控制站通讯网络NET4同时连接；主副司钻操控通讯网络NET3上连接有主司钻图形工作站4、副司钻图形工作站5及工业监视图形工作站6，主司钻图形工作站4上连接有主司钻监控屏一7和主司钻监控屏二8，副司钻图形工作站5上连接有副司钻监控屏一9和副司钻监控屏二10，工业监视图形工作站6上连接有主司钻CCTV屏11和副司钻CCTV屏12；PLC控制站通讯网络NET4上连接有主司钻监控PLC站14、副司钻监控PLC站15和冗余PLC智能控制站16，主司钻监控PLC站14与主司钻操控座椅17连接，副司钻监控PLC站15与副司钻操控座椅18连接；

外部扩展监控通讯网络NET2上连接有音频单元19、视频单元20及防火墙21，防火墙21通过互联网或远程网络单元22（即无线或有线远程监控通讯网络NET5）与远程办公室单元23连接。

显示屏1由六块等离子显示单屏拼接而成，位于下方的四块显示屏用于模拟实际的司钻前方视野，显示对应的钻台面画面，用于观测井口、绞车、转盘等钻台面设备的工作状态；位于上方的两块倾斜显示屏用于模拟司钻的仰视视野，显示对应的二层台画面，用于观测二层台、顶驱、游动系统等设备的工作状态。

图像处理器2用于多通道DVI信号的拼接显示处理，提供多用户操作和管理模式，实现多个画面的开窗和重叠显示，并支持开启窗口的大小、位置及属性设置。

系统图形工作站3用于运行系统的总控制程序及三维虚拟仿真画面和程序，实现系统的控制逻辑保护，完成上位机和下位机的通讯；主司钻图形工作站4、副司钻图形工作站5分别用于运行主副司钻对应的人机界面监控程序，并实现与系统图形工作站3之间的通讯；工业监视图形工作站6用于运行模拟CCTV对应的三维虚拟仿真画面和程序，接收主司钻操控座椅17和副司钻操控座椅18的控制指令，完成对应的画面控制。

主司钻监控屏一7、主司钻监控屏二8、副司钻监控屏一9、副司钻监控屏二10用于显示对应主副司钻的人机界面画面、状态指示、故障报警、状态参数、嵌入式的CCTV控件画面等；主司钻CCTV屏11和副司钻CCTV屏12用于显示对应主副司钻工业监视摄像头的显示，可以实现2×2，3×3等各种组合画面。

主交换机13是整个网络交换的中枢，通过主交换机13把各个网络单元有机的整合成一个局域网，实现各个单元的相互通讯。

主司钻监控PLC站14、副司钻监控PLC站15运行主副司钻对应的控制程序，分别用于采集对应主司钻操控座椅17和副司钻操控座椅18发出的控制指令，通过以太网把指令发送给冗余PLC智能控制站16，经过冗余PLC智能控制站16的判断送控制指令至系统图形工作站3，利用三维仿真程序驱动三维画面完成对应设备动作。

主司钻操控座椅17、副司钻操控座椅18是整个系统的指令发出单元，是所有钻井设备控制中心，模拟钻机的实际操控，与实体钻机的操控完全一致。

音频单元19、视频单元20代表外接的音频信号和视频信号，可以实时送入系统显示，可以是影像视频画面也可以是摄像头监控画面。配置了扩展卡，预留了音频、视频和外接信号接口，实现了系统与外接信号的通讯。

防火墙21、远程网络单元22、远程办公室单元23构建了远程操控网络。防火墙21保证接入外网的安全性，远程网络单元22代表无线3G网络、卫星网络或者有线Internet网络链路；远程办公室单元23代表远程终端，可实现远程可视化操控。

显示屏通讯网络NET1构建了六个等离子屏的通讯网络；外部扩展监控通讯网络NET2构建了外界信号的输入输出通道；主副司钻操控通讯网络NET3构建了人机界面、参数设置等的通讯链路；PLC控制站通讯网络NET4构建了钻井设备PLC程序的网络通道；无线或有线远程监控通讯网络NET5构建了远程终端操控网络。

Claims (1)

1.一种石油钻机集成控制虚拟仿真操作系统，其特征在于：包括显示屏(1)，显示屏(1)通过显示屏通讯网络(NET1)与多功能的图像处理器(2)连接，图像处理器(2)一路与外部扩展监控通讯网络(NET2)直接连接，图像处理器(2)另一路通过系统图形工作站(3)与外部扩展监控通讯网络(NET2)连接；

所述的系统图形工作站(3)另外与主交换机(13)连接，主交换机(13)分别与外部扩展监控通讯网络(NET2)、主副司钻操控通讯网络(NET3)、PLC控制站通讯网络(NET4)同时连接；主副司钻操控通讯网络(NET3)上连接有主司钻图形工作站(4)、副司钻图形工作站(5)及工业监视图形工作站(6)；

所述的PLC控制站通讯网络(NET4)上连接有主司钻监控PLC站(14)、副司钻监控PLC站(15)和冗余PLC智能控制站(16)，主司钻监控PLC站(14)与主司钻操控座椅(17)连接，副司钻监控PLC站(15)与副司钻操控座椅(18)连接；

所述的显示屏(1)由六块等离子显示单屏拼接而成；

所述的主司钻图形工作站(4)上连接有主司钻监控屏一(7)和主司钻监控屏二(8)，副司钻图形工作站(5)上连接有副司钻监控屏一(9)和副司钻监控屏二(10)，工业监视图形工作站(6)上连接有主司钻CCTV屏(11)和副司钻CCTV屏(12)；

所述的外部扩展监控通讯网络(NET2)上连接有音频单元(19)、视频单元(20)及防火墙(21)，防火墙(21)通过互联网或远程网络单元(22)与远程办公室单元(23)连接。