CN112727432A - 一种石油钻机自动化流程控制系统及机具模拟测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种石油钻机自动化流程控制系统及机具模拟测试方法，包括：区域管理子系统，用于接收集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下发错误命令停止指令，并将各设备状态信息发送给一键联动子系统；集控子系统，用于接收区域管理子系统下发的错误命令停止指令和一键联动子系统下发的命令指令，将指令下发给各设备终端，采集各设备状态信息，同时将采集到的信息发送给区域管理子系统和一键联动子系统；一键联动子系统，用于接收区域管理子系统和集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下达命令控制指令。本发明在传统集成控制系统的基础上增加一键联动功能，对自动化作业程序进行更进一步封装，操作更加统一方便。

Description

一种石油钻机自动化流程控制系统及机具模拟测试方法

技术领域

本发明涉及石油钻机领域，尤其涉及一种石油钻机自动化流程控制系统及机具模拟测试方法。

背景技术

针对常规的钻机钻台面作业，基本上是工人通过操作机械工具完成，这需要大量人力，且属于重体力劳动，工作非常危险，现场设备伤人事故频发；如今，越来越多的自动化工具在钻机上出现并普及，它替代了人对工具或钻具的直接接触，提升了安全。比如二层台机械手，它取代了以前的井架工，人不再需要爬到二十多米的高空去作业；比如钻台机械手和铁钻工，它取代了台面钻工，钻机台面不再需要过多的人员，节省了大量的重体力劳动，安全得到了极大提升；比如自动化猫道，它取代了传统吊车移运钻具上钻台面的方式，不再有高空作业危险，安全得到了保证；自动化工具的普及和应用，将是石油钻机发展的必然趋势。

但是，每套自动化设备都有各自的功能和特点，操作者除了需要对作业工序、工艺有很好的掌握以外，对各个设备的操作方式和工作特点也有清醒的认识，这无形中给操作者带来很大的工作压力。同时，在不熟悉、不熟练的情况下，整套自动化系统运行效率会变低，极大影响了自动化机具的实用价值。目前很多自动化钻机都配备了像二层台机械手、铁钻工、钻台机械手等自动化机具，但实际应用过程中，因为只有一个操作终端，造成同一时间点只能操作一个设备，而且这些设备各自为战，没有揉合成一个系统，这导致了整套系统的运行效率较低，司钻操作容易出错，自动化工具在井队的普及受到很大阻力和挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石油钻机自动化流程控制系统及机具模拟测试方法，将整套钻机揉捏成一个系统，针对高度重复的作业过程，预先进行流程设计，让系统控制流程的执行，按计划触发各个设备的动作指令，操作者适当参与流程掌控安全，极大提升自动化设备操作效率和安全。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种石油钻机自动化流程控制系统，包括集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统：

所述区域管理子系统，分别连接集控子系统和一键联动子系统，用于接收集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下发错误命令停止指令，并将各设备状态信息发送给一键联动子系统；

所述集控子系统，分别连接区域管理子系统和一键联动子系统，用于接收区域管理子系统下发的错误命令停止指令和一键联动子系统下发的命令指令，将指令下发给各设备终端，采集各设备状态信息，同时将采集到的信息发送给区域管理子系统和一键联动子系统；

所述一键联动子系统，分别连接区域管理子系统和集控子系统，用于接收区域管理子系统和集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下达命令控制指令。

所述自动化流程控制系统还包括通信模块，所述通信模块用于连接集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统，同时连接集控子系统与各终端设备。

所述通信模块为以太网通信，通信协议为TCP/IP。

所述自动化流程控制系统还包括设备终端，所述设备终端包括：绞车、顶驱、二层台机械手、钻台机械手、铁钻工、猫道。

所述自动化流程控制系统还包括操作终端，所述操作终端为司钻椅或司钻操作台，用于用户对自动化设备进行操作，显示设备运行状态。

所述区域管理子系统采用矩阵分析方法进行逻辑分析设计。

所述一键联动子系统还包括机具特征梳理模块、流程设计模块、模拟测试模块；

所述机具特征梳理模块用于对各机具特征进行梳理，并将梳理完成的机具特征发送给流程设计模块；

所述流程设计模块接收机具特征梳理模块发送的机具特征，并根据所述机具特征进行流程设计；

所述模拟测试模块通过流程设计模块预设的流程对各自动化机具进行模拟测试，根据测试结果判断流程设计是否合理。

所述模拟测试模块还包括定时器。

所述模拟测试模块模拟测试流程如下：

S1.接收一键联动子系统下发的一键指令；

S2.定时器工作，根据一键指令模拟设备运动过程；

S3.计时到点后，状态刷新到目标状态；

S4.将“完成信号”反馈给一键联动子系统。

本发明的有益效果：

1、提出一种基于流程的步进化控制方式，将整套钻机糅合成一个系统，针对高度重复的作业过程，预先进行流程设计，工作中，让系统控制流程的执行，按计划触发各个设备的动作指令，操作者适当参与流程掌控安全，极大提升自动化设备操作效率；

2、配置一键联动功能，在集成控制系统的基础上，对自动化作业程序进行更进一步封装，操作更加统一方便；

3、提出一种自动化流程控制系统，取代传统钻机钻台面作业人对工具或钻具的直接接触，保障工作人员安全。

附图说明

图1是自动化控制流程系统组成图；

图2是钻机总体布局图；

图3是矩阵分析示意图；

图4是一键联动功能设计流程图；

图5是单手柄“步进自动+人工确认”操作流程图；

图6是“一键联动”系统与单个设备经典控制逻辑图；

图7是系统模拟测试框图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

本实施例中，如图1所示，一种石油钻机自动化流程控制系统，包括集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统：

所述区域管理子系统，分别连接集控子系统和一键联动子系统，用于接收集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下发错误命令停止指令，并将各设备状态信息发送给一键联动子系统，实现安全操作；

所述集控子系统，分别连接区域管理子系统和一键联动子系统，用于接收区域管理子系统下发的错误命令停止指令和一键联动子系统下发的命令指令，将指令下发给各设备终端，采集各设备状态信息，同时将采集到的信息发送给区域管理子系统和一键联动子系统，实现集中操作；

所述一键联动子系统，分别连接区域管理子系统和集控子系统，用于接收区域管理子系统和集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下达命令控制指令，实现流程化操作；

具体的说，所述集控子系统作为整套系统对外的接口，负责与各个自动化设备进行通讯，交互指令与状态；这是整套系统应用的前提，各个控制对象必须与集控台建立通讯，且开放控制接口；

所述区域管理子系统是整套系统安全运行的重要保证；系统从防止设备碰撞、防止管具交接掉落、防止管具拉扯等多个方面，对于整个操作过程进行密切监控，当可能有危险发生时，系统会及时阻止错误指令的输出，最大程度的保证作业安全；该技术引用专利《一种ZMS区域管理系统及方法》。

所述自动化流程控制系统还包括通信模块，所述通信模块用于连接集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统，同时连接集控子系统与各终端设备。

所述通信模块为以太网通信，通信协议为TCP/IP。

所述自动化流程控制系统还包括设备终端，所述设备终端包括：绞车、顶驱、二层台机械手、钻台机械手、铁钻工、猫道。

所述自动化流程控制系统还包括操作终端，所述操作终端为司钻椅或司钻操作台，用于用户对自动化设备进行操作，显示设备运行状态。

如图2和图3所示，所述区域管理子系统采用矩阵分析方法进行逻辑分析设计，所述矩阵分析方法包括以下步骤：

S1.梳理控制对象，画出钻机总体布局，明确保护范围；

S2.逐一分析控制逻辑，采用矩阵的方式，两两考虑，避免遗漏；

需要说明的是，表格中，横向设备表示参考设备，纵向设备表示被阻止设备。系统所有逻辑均两两考虑，即当横向设备处于什么状态时，禁止纵向设备做什么动作。所以，两个设备之间会有两种关系状态；

从防碰撞角度，需要设计的逻辑至少包括：游车在低位，铁钻工不能伸出；铁钻工在井口，游车不能下放到低位；游车在低位，排管机不能朝井口伸出；铁钻工在井口，猫道不能伸到钻台面

从防管具交接掉落的角度考虑，需要设计的逻辑至少包括：吊卡开启，卡瓦不能开启；排管机在井口，吊卡开启，排管机夹持器不能开启

从防管具拉扯的角度考虑，需要设计的逻辑至少包括：排管机与吊卡在高空交接，吊卡与排管机夹持器均处于关闭状态，排管机机械臂不能收缩；铁钻工在井口上卸扣，有钳子关闭，游车不能上提。

所述一键联动子系统还包括机具特征梳理模块、流程设计模块、模拟测试模块；

所述机具特征梳理模块用于对各机具特征进行梳理，并将梳理完成的机具特征发送给流程设计模块；

所述流程设计模块接收机具特征梳理模块发送的机具特征，并根据所述机具特征进行流程设计；

所述模拟测试模块通过流程设计模块预设的流程对各自动化机具进行模拟测试，根据测试结果判断流程设计是否合理；

具体的说，所述一键联动子系统是整个软件系统的核心；当“一键联动”功能没有启用时，系统是在集控程序的指挥下，只能完成基于单个设备的独立操作，无法在同一时间控制两个或多个设备；而当“一键联动”功能启用后，系统能够根据选择的工况，自动执行预设好的作业流程；流程进行中，系统会自动触发一个或多个设备的控制指令，达到联动的效果。同时，由于流程的合理化设计和ZMS的运行，以保证流程的安全执行。

需要说明的是，本专利所提到的一键联动系统，最大特点是完成单司钻单手柄操作设计，即一个操作人员、通过一只手柄，即能完成整套钻机的自动化控制。这是本套系统的核心。在减少司钻数量（2到3名，缩减为1名）、台面钻工（2到3名，缩减为1名）的同时，又能大幅度提升工作效率，有效化解了用户在自动化机具使用上对效率的担心。

如图4所示，一键联动功能设计流程大致分为以下几个部分：

梳理各个机具自动化特征：自动化设备的配备是整套系统运行的基础，设计前，要求对各个机具的自动化特征做完整的梳理，同时，对设备也要提出具体的要求，包括：钻机方面：DBS（电动变频）钻机，配备有顶驱；自动化机具方面：二层台机械手，要求能够一键排管、一键取管；铁钻工，要求能够一键上扣、一键卸扣；钻台机械手，要求能够一键到井口、一键到指梁；配备有自动吊卡、自动卡瓦；

根据设备特点，流程设计：自动化作业流程的分析和设计是整套系统的核心，它共具备以下几个特点：设计标准流程、联动特征，单手柄“步进自动+人工确认”的操作方式，ZMS、联动功能为一体的安全及授权机制，人工干预-恢复机制；

模拟测试、验证：系统具备模拟测试和验证的功能，在实验室环境中，系统能够模拟出各个自动化机具对象，启用一键联动功能后，各个机具对象能按照一键联动输出的指令进行动作，并模拟状态反馈到一键联动系统；通过该方法，能够对一键联动系统预设的流程进行提前演练，并提前验证流程设计是否合理。

具体的说，设计标准流程、联动特征：钻井现场的作业流程很多，但会频繁用到自动化设备，并具有重复性特征的作业流程为起钻、下钻和接、卸立根。通常，我们会以起钻和下钻作为流程设计对象。一口井，接立根和卸立根只会进行一次，而起钻、下钻往往会进行多次，所以，起、下钻流程设计更具备实用价值；设计中，根据标准作业程序，以及各个机具的自动化特征，梳理具体步骤，梳理各步骤各设备动作要求，并尽量设计在同一时间段内，多个设备的同时动作，这是流程设计的指导思想。流程设计时，会多次用到单个设备的“一键”功能，这也是为什么要对单个设备提出自动化性能的要求；不同配置的钻机，具体流程设计上有一定出入，故流程的具体步骤不在本专利内定义。

具体的说，单手柄“步进自动+人工确认”的操作方式：操作过程采用了单手柄“步进自动+人工确认”的方式，即系统按照设计好的工艺流程编写代码，驱动设备按照既定流程步骤执行；根据步骤号，在每个步骤中赋予手柄不同的功能含义，同时在操作界面上呈现手柄具体的控制对象和功能含义；

如图5所示，针对个别步骤（图5情形1），设备自动化程度高，设备可靠性高，则采用设备本身闭环执行的方式；联动系统发出执行指令->设备完成动作->反馈“完成信号”给集控系统->流程跳转到下一步；整个过程不需要人工操作，同时手柄无功能定义；比如，排管机自动排管步骤、铁钻工自动上扣、卸扣步骤等；

针对个别步骤（图5情形2），设备自动化程度不高或者不可靠，则采用人工操作的方式；执行到该步骤时，系统将当前操作对象的功能赋予到一只手柄上->人工操作手柄完成动作->双击手柄“确认”按钮告知集控系统->流程跳转到下一步；本步骤操作的对象可能是一个或多个设备；比如，在一只手柄上可分配：钻台机械手回转、伸缩、夹持器开关+绞车上提、下放；

针对个别步骤（图5情形3），设备动作完成后，需要人为判断执行情况，流程才能继续执行；执行到该步骤时，流程暂停->人工“双击”手柄确认->流程跳转到下一步；

具体的说，如图6所示，ZMS、联动功能为一体的安全及授权机制：原理及过程如下：

单个设备与联动系统的通讯正常，是本套系统安全运行的首要前提；在通讯正常的情况下，ZMS指令均有效，一旦ZMS判断出有危险情况，发出ZMS停止指令后，单个设备必须立即停止；如果通讯中断，ZMS将无法获取设备状态，单个设备也无法接收ZMS指令，系统无法保障设备的安全运行，因此，系统规定：系统要求通讯中断时，单个设备需要立即停止动作；同时，在确认安全可控的前提下，允许用户在设备系统中，旁路该通讯故障，允许设备通过其他终端操作；

设备的操作途径分为两类：设备的直接操作（集控/本地）和设备的间接操作（一键联动系统）；其中，设备的直接操作拥有最高的优先级；如果要启用一键联动系统，需要在单个设备端上完成“联动授权”，完成后，联动指令才有效，设备听从联动系统的指挥；一旦设备异常或者其他原因，“联动授权”会主动丢失，联动指令失效，设备立即停止；这是一种经典的授权控制设计。

具体的说，所述人工干预-恢复机制原理如下：系统具备人工干预功能，任何时间点，通过手柄操作，系统能够快速暂停，即所有设备立即停止动作；此时，允许用户切换到集控程序，对其中某个设备进行手动调整，调整完成后，重新回到流程前，系统会进行一个判断，如果判断条件成立，那么系统允许回到之前的步骤并继续；如果条件不成立，系统则无法继续。这是一种经典的安全机制；判断条件的定义是核心，它要求定义清楚每个步骤，每个设备的应有状态，这将作为流程能否继续执行的判断条件；流程执行过程中的确认操作，和系统暂停后的人工干预操作，均是通过同一只手柄来完成；通过一只手柄来完成整套系统的联动运行，是本系统的最大亮点和创新点。

如图7所示，所述模拟测试模块还包括定时器，所述模拟测试模块模拟测试流程如下：

S1.接收一键联动子系统下发的一键指令；

S2.定时器工作，根据一键指令模拟设备运动过程；

S3.计时到点后，状态刷新到目标状态；

S4.将“完成信号”反馈给一键联动子系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，包括集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统：

所述区域管理子系统，分别连接集控子系统和一键联动子系统，用于接收集控子系统上传的设备状态信息，向集控子系统下发错误命令停止指令，并将各设备状态信息发送给一键联动子系统；

所述集控子系统，分别连接区域管理子系统和一键联动子系统，用于接收区域管理子系统下发的错误命令停止指令和一键联动子系统下发的命令指令，将指令下发给各设备终端，采集各设备状态信息，同时将采集到的信息发送给区域管理子系统和一键联动子系统；

所述一键联动子系统，分别连接区域管理子系统和集控子系统，用于接收区域管理子系统和集控子系统上传的设备状态信息，同时向集控子系统下达命令控制指令。

2.根据权利要求1所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述自动化流程控制系统还包括通信模块，所述通信模块用于连接集控子系统、区域管理子系统和一键联动子系统，同时连接集控子系统与各终端设备。

3.根据权利要求2所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述通信模块为以太网通信，通信协议为TCP/IP。

4.根据权利要求1所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述自动化流程控制系统还包括设备终端，所述设备终端包括：绞车、顶驱、二层台机械手、钻台机械手、铁钻工、猫道。

5.根据权利要求1所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述自动化流程控制系统还包括操作终端，所述操作终端为司钻椅或司钻操作台，用于用户对自动化设备进行操作，显示设备运行状态。

6.根据权利要求1所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述区域管理子系统采用矩阵分析方法进行逻辑分析设计。

7.根据权利要求1所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述一键联动子系统还包括机具特征梳理模块、流程设计模块、模拟测试模块；

所述机具特征梳理模块用于对各机具特征进行梳理，并将梳理完成的机具特征发送给流程设计模块；

所述流程设计模块接收机具特征梳理模块发送的机具特征，并根据所述机具特征进行流程设计；

所述模拟测试模块通过流程设计模块预设的流程对各自动化机具进行模拟测试，根据测试结果判断流程设计是否合理。

8.根据权利要求7所述的一种石油钻机自动化流程控制系统，其特征在于，所述模拟测试模块还包括定时器。

9.一种自动化机具模拟测试方法，其特征在于，所述模拟测试方法包括以下步骤：

S1.接收一键联动子系统下发的一键指令；

S2.定时器工作，根据一键指令模拟设备运动过程；

S3.计时到点后，状态刷新到目标状态；

S4.将“完成信号”反馈给一键联动子系统。

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