CN112012695B - 一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备及其指导方法 - Google Patents

一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备及其指导方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备及指导方法，包括边缘服务器，边缘服务器分别通过通讯系统连接有信号采集系统、监测终端；信号采集系统用于采集石油钻机参数；通讯系统用于将采集的石油钻机参数传输至边缘服务器；边缘服务器用于对石油钻机参数进行分析计算，并将分析结果发送至监测终端；监测终端用于显示分析结果。通过边缘服务器对信号采集系统采集的数据进行计算分析，并通过监测终端进行故障提示，实现井下故障辅助智能预警及维保提示；无需专人值守，大幅度降低了劳动强度。

Description

一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备及其指导方法
技术领域
本发明属于钻井设备技术领域，涉及一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，还涉及上述指导系统的指导方法。
背景技术
石油钻机司钻控制系统是石油钻井装备其工作性能的好坏直接影响钻井效率和成本。石油钻井装备在作业过程中出现故障，将影响生产效率，增加人员作业风险，普遍做法为石油钻井装备运行出现问题后，才由现场人员前往进行排查，当现场人员不足以解决问题时，甚至要停机通知设备供应商厂家进行询问，总之现有维保模式存在不能够及时发现和处理的问题。目前没有一种系统能够在石油钻井装备工作现场对钻井装备进行故障辅助智能预警及维保提示，用于解决钻井装备故障发生前和发生后的处理工作，实现根据钻井装备运行参数、工艺参数、运维管理参数进行本地分析计算，并给出石油钻井装备故障预警信息和维保建议，智能辅助现场使用人员进行维护的石油钻机辅助指导系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，解决了现有技术中存在的无法进行故障辅助智能预警及维保提示的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，包括边缘服务器，边缘服务器分别通过通讯系统连接有信号采集系统、监测终端；信号采集系统用于采集石油钻机参数；通讯系统用于将采集的石油钻机参数传输至边缘服务器；边缘服务器用于对石油钻机参数进行分析计算，并将分析结果发送至监测终端；监测终端用于显示分析结果。
本发明的特点还在于：
信号采集系统包括控制器数据采集系统、传感器信号采集系统，控制器数据采集系统用于通过每个装备的控制器采集相关数据，传感器信号采集系统用于采集石油钻井装备的运行状态参数。
通讯系统包括互相连接的数采网关、设备层交换机，数采网关与控制器数据采集系统连接，设备层交换机与传感器信号采集系统连接；还包括有应用层交换机，应用层交换机分别与边缘服务器、监测终端连接。
边缘服务器包括数据存储库、故障模型库、故障辅助查询库、维保规则库、钻机档案资料库、告警规则库；数据存储库用于存储信号采集系统获取的采集数据，故障模型库用于对采集数据进行分析并与正常运行参数进行比对，分析设备是否出现故障，故障辅助查询库用于存储目前设备所出现的故障现象及故障原因，维保规则库用于存储各个装备的维护保养条款，并定期进行保养提醒，钻机档案资料库用于存储钻机各个装备的资料和档案，告警规则库用于对故障进行数据分析，并与告警模型、单参数和多参数报警阈值信息进行比对，输出告警信息。
监测终端包括APP、上位机，APP通过路由器与应用层交换机连接，上位机与应用层交换机连接。
本发明的另一目的是提供一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导方法。
本发明所采用的另一技术方案是，一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备的指导方法，利用上述基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，包括以下步骤：
步骤1、信号采集系统实时采集石油钻机各装备的数据及运行状态参数；
步骤2、通过通讯系统将采集的各装备的数据及运行状态参数发送至数据存储库；故障模型库对采集的各装备的数据及运行状态参数进行分析，并与正常的数据、运行参数进行比对，分析该装备是否出现故障；若出现故障，告警规则库对故障进行分析，并与库中告警模型、单参数报警阈值或多参数报警阈值进行比对，输出告警信息；同时通过故障辅助查询库查询故障现象对应的故障原因；然后通过钻机档案资料库查找故障设备的相关资料和档案，并结合维保规则库找出故障原因对应的维保方案；
步骤3、通讯系统将告警信息、故障原因、维保方案传输至监测终端，并进行显示。
本发明的有益效果是：
本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，通过边缘服务器对信号采集系统采集的数据进行计算分析，并通过监测终端进行故障提示，实现井下故障辅助智能预警及维保提示；无需专人值守，大幅度降低了劳动强度；石油钻机钻井装备的运行状态以数字化、信息化的方式呈现，充分利用制造商对于钻井装备的维护保养、故障诊断方面的专业知识，保障钻井装备在健康状态运行。本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导方法，能实现钻机数据的边缘处理，有效分担远程专家中心系统的数据存储及运算压力。
附图说明
图1是本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备的结构示意图；
图2是本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备中控制器数据采集系统的结构示意图；
图3是本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备中传感器信号采集系统的结构示意图。
图中，1.信号采集系统，101.控制器数据采集系统，10101.绞车控制器，10102.顶驱控制器，10103.液压站控制器，10104.铁钻工控制器，10105.泥浆泵控制器，10106.转盘控制器，10107.动力猫道控制器，10108.二层台机械手控制器，10109.钻台机器人控制器；102.传感器信号采集系统，1021.信号采集器，10201.绞车传感器，10202.顶驱传感器，10203.液压站传感器，10204.铁钻工传感器，10205.泥浆泵传感器，10206.转盘传感器，10207.动力猫道传感器，10208.二层台机械手传感器，10209.钻台机器人传感器，2.通讯系统，201.数采网关，202.设备层交换机，203.应用层交换机，204.路由器，3.边缘服务器，301.数据存储库，302.故障模型库，303.故障辅助查询库，304.维保规则库，305.钻机档案资料库，306.告警规则库，4.监测终端，401.APP，402.上位机。
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。
一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，如图1所示，包括边缘服务器3，边缘服务器3分别通过通讯系统2连接有信号采集系统1、监测终端4；信号采集系统1用于采集石油钻机参数；通讯系统2用于将采集的石油钻机参数传输至边缘服务器3；边缘服务器3用于对所述石油钻机参数进行分析计算，并将分析结果发送至监测终端4；监测终端4用于显示所述分析结果。
信号采集系统1包括控制器数据采集系统101、传感器信号采集系统102，控制器数据采集系统101用于获得通过每个装备的控制器采集每个装备的相关数据，传感器信号采集系统102用于采集石油钻井装备的运行状态参数；如图2所示，控制器数据采集系统101包括绞车控制器10101、顶驱控制器10102、液压站控制器10103、铁钻工控制器10104、泥浆泵控制器10105、转盘控制器10106、动力猫道控制器10107、二层台机械手控制器10108、钻台机器人控制器10109等。如图3所示，传感器信号采集系统102包括信号采集器1021、绞车传感器10201、顶驱传感器10202、液压站传感器10203、铁钻工传感器10204、泥浆泵传感器10205、转盘传感器10206、动力猫道传感器10207、二层台机械手传感器10208、钻台机器人传感器10209等，绞车传感器10201、顶驱传感器10202、液压站传感器10203、铁钻工传感器10204、泥浆泵传感器10205、转盘传感器10206、动力猫道传感器10207、二层台机械手传感器10208、钻台机器人传感器10209均通过信号采集器1021与设备层交换机202连接。
通讯系统2包括互相连接的数采网关201(NSE-3240)、设备层交换机202(EKI-2528)，数采网关201与控制器数据采集系统101连接，设备层交换机202与传感器信号采集系统102连接；还包括有应用层交换机203(西门子X005、X400)，应用层交换机203分别与边缘服务器3、监测终端4连接。应用层交换机203将边缘服务器3内的存储数据与分析结果上传至监测终端4，并通过设备层交换机202及应用层交换机203更新边缘服务器3内的存储数据。
边缘服务器3包括数据存储库301、故障模型库302、故障辅助查询库303、维保规则库304、钻机档案资料库305、告警规则库306；数据存储库301用于存储信号采集系统1获取的采集数据；故障模型库302、故障辅助查询库303、维保规则库304、钻机档案资料库305、告警规则库306用于实现档案资料查询、维保方案制定、故障报警与诊断。故障模型库302用于对采集到的数据进行分析并与正常的运行参数进行比对，分析设备是否出现故障，模型库中存储的有各个设备相关的算法；故障辅助查询库303用于存储目前设备所出现的故障现象及故障原因，供现场查询；维保规则库304用于存储监测对象的所有的维护保养条款，并定期进行保养提醒；钻机档案资料库305用于存储钻机所有设备的资料和档案，通过人工输入的方式进行汇总、归档；告警规则库306中存储有告警模型、单参数和多参数报警阈值信息，用于对故障进行数据分析，并与告警模型、单参数和多参数报警阈值信息进行比对，输出告警信息。
监测终端4包括APP401、上位机402，APP401通过路由器204与应用层交换机203连接，上位机402与应用层交换机203连接。监测终端4用于展示边缘服务器3分析石油钻机钻井装备运行数据处理后的结果，根据设备的使用情况和专家知识库的规则推送维保信息及告警信息，设备出现故障时推送故障诊断信息，辅助监查钻井装备的各部件状态、故障、报警等信息等。上位机402主要作用是通过网页或软件型式显示设备数据、告警信息、档案查询等功能，就是前端显示设备；APP401主要作用是在手机或移动终端上安装的软件，可供显示设备数据、告警信息、档案资料等功能；应用层交换机203向上位机402、APP401分别传输显示来自边缘服务器分析的数据结果及现场的实时数据等信息数据。
一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备的指导方法，包括以下步骤：
步骤1、控制器数据采集系统101通过控制器实时采集每个装备的相关数据，传感器信号采集系统102实时石油钻井装备的运行状态参数；
步骤2、数采网关201将采集的每个装备的相关数据、每个装备的运行状态参数发送至设备层交换机202，设备层交换机202将控制器数据、石油钻井装备的运行状态参数发送至数据存储库301；故障模型库302通过各个设备相关的算法对采集到的数据进行分析，并与正常的运行参数进行比对，分析设备是否出现故障；若出现故障，告警规则库306对故障进行分析，并与库中告警模型、单参数报警阈值或多参数报警阈值进行比对，输出告警信息；同时通过故障辅助查询库303查询故障现象对应的故障原因；通过钻机档案资料库305查找故障设备的相关资料和档案，并结合维保规则库304找出故障原因对应的维保方案；
步骤3、应用层交换机203分别向上位机402、APP401传输来自边缘服务器分析的数据结果及现场的实时数据等信息数据，并通过上位机402、APP401显示设备数据、告警信息、档案资料等功能，供工作人员查看。
通过以上方式，本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，通过边缘服务器对信号采集系统采集的数据进行计算分析，并通过监测终端进行故障提示，实现井下故障辅助智能预警及维保提示；无需专人值守，大幅度降低了劳动强度；石油钻机钻井装备的运行状态以数字化、信息化的方式呈现，充分利用制造商对于钻井装备的维护保养、故障诊断方面的专业知识，保障钻井装备在健康状态运行。本发明一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导方法，能实现钻机数据的边缘处理，有效分担远程专家中心系统的数据存储及运算压力。

Claims (4)

1.一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，其特征在于，包括边缘服务器(3)，所述边缘服务器(3)分别通过通讯系统(2)连接有信号采集系统(1)、监测终端(4)；所述信号采集系统(1)用于采集石油钻机参数；所述通讯系统(2)用于将采集的石油钻机参数传输至边缘服务器(3)；所述边缘服务器(3)用于对所述石油钻机参数进行分析计算，并将分析结果发送至监测终端(4)；所述监测终端(4)用于显示所述分析结果；
所述边缘服务器(3)包括数据存储库(301)、故障模型库(302)、故障辅助查询库(303)、维保规则库(304)、钻机档案资料库(305)、告警规则库(306)；所述数据存储库(301)用于存储信号采集系统(1)获取的采集数据，所述故障模型库(302)用于对采集数据进行分析并与正常运行参数进行比对，分析设备是否出现故障，所述故障辅助查询库(303)用于存储目前设备所出现的故障现象及故障原因，所述维保规则库(304)用于存储各个装备的维护保养条款，并定期进行保养提醒，所述钻机档案资料库(305)用于存储钻机各个装备的资料和档案，所述告警规则库(306)用于对故障进行数据分析，并与告警模型、单参数和多参数报警阈值信息进行比对，输出告警信息；
所述监测终端(4)包括APP(401)、上位机(402)，所述APP(401)通过路由器(204)与应用层交换机(203)连接，所述上位机(402)与应用层交换机(203)连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，其特征在于，所述信号采集系统(1)包括控制器数据采集系统(101)、传感器信号采集系统(102)，所述控制器数据采集系统(101)用于通过每个装备的控制器采集相关数据，所述传感器信号采集系统(102)用于采集石油钻井装备的运行状态参数。
3.根据权利要求2所述的一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，其特征在于，所述通讯系统(2)包括互相连接的数采网关(201)、设备层交换机(202)，所述数采网关(201)与控制器数据采集系统(101)连接，所述设备层交换机(202)与传感器信号采集系统(102)连接；还包括有应用层交换机(203)，所述应用层交换机(203)分别与边缘服务器(3)、监测终端(4)连接。
4.一种基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备的指导方法，利用权利要求1所述的基于边缘计算的石油钻机辅助指导设备，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、信号采集系统(1)实时采集石油钻机各装备的数据及运行状态参数；
步骤2、通过所述通讯系统(2)将采集的各装备的数据及运行状态参数发送至数据存储库(301)；所述故障模型库(302)对采集的各装备的数据及运行状态参数进行分析，并与正常的数据、运行参数进行比对，分析该装备是否出现故障；若出现故障，所述告警规则库(306)对故障进行分析，并与库中告警模型、单参数报警阈值或多参数报警阈值进行比对，输出告警信息；同时通过所述故障辅助查询库(303)查询故障现象对应的故障原因；然后通过所述钻机档案资料库(305)查找故障设备的相关资料和档案，并结合所述维保规则库(304)找出故障原因对应的维保方案；
步骤3、所述通讯系统(2)将告警信息、故障原因、维保方案传输至监测终端(4)，并进行显示。
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