用於測試鑽探控制系統的系統和方法

2023-05-05 16:26:16 1

專利名稱：用於測試鑽探控制系統的系統和方法
用於測試鑽探控制系統的系統和方法 序言 本發明涉及一種用於對船舶上的鑽探控制系統以及用於鑽探操作的固定鑽探單 元進行測試的系統和方法。鑽探控制系統受其上設置了被控制的鑽探系統的船舶和將要執 行的鑽探操作的影響。鑽探系統需要大量的能量。因而，在鑽探單元的功率管理系統與鑽 探控制系統之間具有互連。所有所述系統必須正確地交互，以允許在鑽探操作期間作為整 體的鑽探單元可以正常工作。雖然單獨的鑽探控制子系統(例如，頂部驅動、升沉補償和泥 漿泵)可以獨立地工作，但是它們的控制系統通常需要交互，可能從這些交互或從一個或 多個部件的故障或其間的互連引起失敗。 在本文中鑽探操作包括在準備、鑽探和井的完成(從鑽探單元的初始定位直到 井用於生產)期間所執行的任何操作。 一個系統中的故障會影響鑽探單元上的整個系統， 並且會引起嚴重失敗，導致鑽探單元損壞或嚴重的環境後果。當前，沒有測試系統能夠測試 在動態定位系統(DP)、功率管理系統(PMS)與鑽探控制系統(DCS)之間的交互的同時，測試 會引起潛在的危險的情況或危險情況。此外，本發明有利於在所述系統與其打算控制的系 統斷開時，對控制系統進行測試，首先可以避免損害系統，其次能夠測試很少發生(該情況 是非常不期望發生的)的情況以及潛在的破壞的情況。當多個控制系統製造商在頂層控制 系統中提供要被互連的控制系統時，對控制系統的交互進行測試是特別困難的。如果出現 錯誤，那麼會導致鑽探停止(其會帶來巨大的損失)，或者在最壞情況下導致設備失敗。由 於在石油生產和鑽探中，即使較小的延遲也將產生非常高的代價，在與控制系統相關的潛 在問題發生之前對其進行檢測並且採取適當的校正操作，這在經濟以及環境方面具有重要 意義。 本發明通過模擬鑽探單元上的至少一個或多個真實系統並向多個控制系統提供 真實和/或模擬信號，以確定當提供不同的模擬和/或真實場景或真實和模擬場景組合時 (所述場景由信號來表示)，多個相互依賴的控制系統是否可以用適當的方式來響應，以使 得至少減少一些上述問題。根據本發明的系統還可以包括信號修改計算機，其用於修改在 真實控制系統與模擬物理系統之間往復的信號流，以在信號中生成錯誤或修改，以允許在 控制系統的功能模式測試和失敗模式測試的組合中進行測試。
背景技術：
用於單元測試的硬體環路(hardware-in-the-loop)模擬 鑽探單元的控制系統和安全系統可以包括用於不同子系統的多個控制系統和安 全系統。當前，在控制系統的單元測試中，單獨對控制系統和安全系統進行測試，其包括頂 層控制系統，即鑽探控制系統。 根據背景技術，通過在硬體環路模擬中設置測試從屬控制子系統，在單元測試中 測試每個單獨的鑽探控制子系統。在正常操作中，控制子系統將輸出驅動器控制信號(其 被傳送到各自的鑽探子系統的驅動器)，並且控制子系統將從相關子系統傳感器中輸入傳 感器信號。控制子系統包括至少一臺計算機，其中算法基於來自相關的傳感器的輸入信號以及來自操作者的可能的輸入命令信號來計算到驅動器的輸出信號。在硬體環路測試中， 鑽探控制子系統與鑽探系統分離，並且作為代替，連接至鑽探系統模擬器。在該設置中，從 鑽探控制子系統輸出的驅動器信號被傳送至鑽探系統模擬器。鑽探系統模擬器包括運行了 用於計算傳感器信號的算法的至少一臺計算機，其中所述傳感器信號是由在給定的適當的 初始條件的真實鑽探子系統以及從被測試的控制子系統所接收的驅動器輸出信號所產生 的。硬體環路測試的目的是調查鑽探控制子系統在例如足夠的精度、健壯性和帶寬方面是 否能夠符合要求地執行，當鑽探子系統由鑽探控制子系統控制時，鑽探控制子系統的指定 功能是否符合其功能描述。此外，可以使用硬體環路測試，當鑽探控制系統控制其相應的鑽 探子系統時，可以檢查鑽探控制子系統是否能夠適當地檢測和處理失敗情況。
在多個專利公開中，例如PCT/N02005/000138和PCT/N02005/000122， MarineCybernetics AS提出了用於對在動態定位系統(DP)與功率管理系統(PMS)之間的 交互進行測試的系統。然而，這些系統不包括在鑽探操作期間對處於使用中的控制系統之 間的交互進行測試。因此，就發明的範圍、申請的專利的技術領域以及提出的方法的執行而 言，申請人提出的在先申請與本發明之間都存在很大的不同。 Aker Kvaerner提出了用於模擬(http://www.akerkvaerner.com/NR/rdonlyres /65BEFA6C-36EB-4520-8662-lECC38CCD51A/14056/14DrillingControlMonitoringSystem s.pdf)所示的具有專利權的鑽探控制和管理系統的功能的模擬器。然而，沒有給出模擬方 法，其能夠測試在控制系統內的可能的互連或錯誤、故障或失敗。

發明內容
本發明公開了一種用於測試集成控制系統的設備，其中所述集成控制系統用於控 制鑽探單元，所述鑽探單元用於鑽探操作，所述集成控制系統包括
鑽探控制系統DCS，用於控制鑽探系統， 所述DCS用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號，並且用於向所述鑽探系統 提供控制信號以實施期望的鑽探操作， 所述DCS用於控制多個鑽探操作，並且包括多個控制子系統， 所述設備用於測試由所述集成控制系統中的一個或多個控制子系統的失敗產生 的、或者由所述集成控制系統中的控制子系統之間的交互的失敗產生的、或者兩者組合產 生的所述集成控制系統中的錯誤。 本發明還公開了一種用於測試集成控制系統的方法，所述集成控制系統用於在鑽 探操作期間控制鑽探單元，所述集成控制系統包括 DCS，用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號，並且用於向鑽探系統提供控制 信號以實施期望的鑽探操作， 所述DCS用於控制多個鑽探操作，並且包括多個控制子系統，所述測試包括向所 述集成控制系統提供錯誤的、模擬的、真實的或修改的信號或其組合，其用於測試所述集成 控制系統中的一個或多個控制子系統的失敗產生的、或者由所述集成控制系統中的控制子 系統之間的交互的失敗產生的、或者兩者組合產生的所述集成控制系統中的錯誤。
在所附的獨立權利要求中公開了本發明的其它優選的實施例。


圖1示出了根據本發明實施例的集成控制系統(l)，其包括鑽探控制系統(3)、功 率管理系統(4)和DP控制系統(5)。示出了控制系統，其控制在鑽探單元(2)上的各種 設備和系統，這裡船舶(2)上設置了動力裝置(6)。還示出了用於控制船舶位置的驅動器 (21)。指示了各種鑽探操作和用於這些操作的設備，作為鑽探系統(7)的一部分示意性地 示出了這些設備，例如管道處理(pipe handing)、鑽柱升沉補償、絞車、動滑輪、頂部驅動、 泥漿泵、升沉補償器、立管(riser)、鑽柱和B0P。 圖2說明了推薦的測試設置，其中說明了集成控制系統(l)，其包括如圖l所示的 相同部件。在本發明的該實施例中，鑽探單元(2)、動力裝置(6)和鑽探作業系統(7)由相 應的模擬單元代替；S卩，所謂的硬體環路HIL測試結構中的模擬鑽探單元(2')、模擬動力裝 置(6，)和模擬鑽探操作(7，)。 圖3說明了推薦的測試裝置，其中說明了集成控制系統(l)，其包括如圖l所示的 相同部件。在本發明的該實施例中，鑽探單元(2)、動力裝置(6)和鑽探作業系統(7)由相應 的模擬單元代替；模擬鑽探單元(2')、模擬動力裝置(6')和模擬鑽探操作(7')。在集成 控制系統(1)與所述集成控制系統(1)控制的真實和/或模擬系統之間設置中斷箱(break out box)，其用於將一個或多個信號在集成控制系統(1)與信號修改計算器(80)(其中可 以在信號發送前對其進行修改)之間往復進行路由。 圖4是根據本發明的各種裝置以及模擬的鑽探控制系統的部分的概貌。
圖5是根據本發明的用於對DCS進行HIL測試的通用設置的概貌。
發明實施例 下文將參考附圖來描述本發明，並且將描述根據本發明的多個實施例。應當注意 到，本發明不應局限於本公開所描述的實施例，並且本發明精神內的任意實施例也應當被 認為是本公開的一部分。 本發明公開了一種用於測試集成控制系統(1)的設備，其中所述集成控制系統 (1)用於控制鑽探單元(2)。鑽探單元(2)可以是浮式鑽探平臺、鑽探船、系泊(moored)浮 式單元、推進器和DP受控浮式單元、半潛式裝置或用於海上鑽探操作的任意類型的浮式裝 置。根據本發明的設備還可以包括陸上或海上的固定裝置，例如固定平臺、地面鑽探單元 或類似的固定系統(其中不需要DP系統)。所述鑽探單元(2)用於鑽探操作，其中多個控 制系統控制所需操作的不同的方面。所述多個控制系統可以被稱為集成控制系統(1)，並且 至少包括用於控制鑽探系統(7)的鑽探控制系統DCS(3)。在本發明的一些實施例中，用於 控制動力裝置(6)的功率管理系統PMS(4)可以認為是集成控制系統(1)的一部分。動力 裝置(6)應當向鑽探系統(7)提供足夠的功率以使得可以以滿意並且安全的方式來實施鑽 探操作。DCS(3)用於接收與鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且用於向鑽探系統(7)提 供鑽探控制信號(33)，以使得執行所需的鑽探操作。在本發明實施例中，DCS(3)應當將鑽 探功率控制信號(32)提供給說明鑽探系統(7)的能量需求的PMS(4)。根據本發明的設備 用於對集成控制系統(1)的部件之間的互連引起的、集成控制系統中的錯誤進行測試。
顯然，在陸地的或固定的鑽探單元與浮式鑽探單元(2)之間存在一些差別，但是， 這些差別主要在於系統之間交互的數量，而不是測試本身的特性。由於本發明涉及對設置 在鑽探單元(2)上的系統的交互進行測試，兩個實施例都被包括在本公開中。
7
鑽探控制系統(3)可以安裝在新一代鑽探單元(2)或翻新的現有鑽探單元(2) 上。控制系統主要基於軟體，並且可以設置在鑽探工的儀表倉(鑽探艙)附近或之內。 現今最常使用的一些鑽探控制系統是National oilwell Varco製造的"Cyberbase"、 OEM的"數字鑽探控制系統"(DDCS) 、 Aker Kvaerner製造的"鑽探控制和監視系 統"(DCMS)/ "Drillview"以及Sense EDM製造的"0n Track"。 根據本發明的另一種可能是提供一種測試系統，其中在通過向其提供特定的測試 序列來安裝之後，可以測試集成控制系統(1)。可以存儲響應，並且在稍後的時間點，可以重 新測試系統以確定集成控制系統(1)是否在第一測試之後以類似的方式響應。可以執行該 測試以確定在系統中已經發生了不可預料的改變，還是出現在控制系統等內改變的元件 之後。 鑽探控制系統(3)控制高度複雜的鑽探系統(7)的多個功能。下文描述了鑽探系 統的一些主要部件。根據本發明測試並且驗證鑽探系統的所有操作的足夠的功能以及鑽探 控制子系統之間的所有可能的交互。 頂部驅動本質上是用於旋轉鑽杆的電動機，其通常是電驅動的。頂部驅動應當在 每個方向上向鑽柱提供旋轉轉矩。其應當在鑽探操作期間設置鑽探轉矩，並且當連接管道 中鄰近的管道長度之間連接時，還可以提供所需的上扣(make-up)轉矩。在鑽探期間，鑽柱 的旋轉速度應當由頂部驅動來設置。 頂部驅動還應當可以運行頂部驅動管道處理機，其中所述頂部驅動管道處理機控 制多個其它鑽柱操作，例如打開和關閉遠程操作的閥門1.B0P、打開和關閉立管、擺動立管 提環(bail)進出、形成或斷開頂部驅動水龍頭到鑽柱的連接，並且還可以包括用於升高或 降低、或將頂部驅動水龍頭安裝至鑽柱或從其上脫離的設備。 頂部驅動控制系統應當接收頂部驅動傳感器信號，並且將控制信號提供給頂部驅 動系統，為頂部驅動系統提供鑽柱的正確旋轉方向、期望的速度，以小心地控制鑽柱的旋轉 速度，並且提供期望的鑽探轉矩或裝配(make-up)轉矩。在"停轉(stall out)"情況下，在 鑽探工將轉矩設置到0之後，頂部驅動控制系統應當提供控制信號以在大約10秒的時間段 內自動降低轉矩設置。此外，當連接管道時或當使用轉矩扳手制動時，頂部驅動控制系統不 應允許頂部驅動的旋轉。 顯然，頂部驅動控制系統提供大量控制信號，並且接收大量傳感器信號，所有這些 信號應當被適當地處理。由於對信號不正確的處理，因此發生了多個事件，例如鑽柱的未受 控的逆向旋轉。作為示例，將鑽柱插入2300米的實際垂直深度(TVD)。在鑽柱將要鬆動之 前，應當從鑽柱上釋放轉矩。轉矩大約是250001bs/ft。該動作應當相當快地完成。在鑽探 控制系統中，轉矩設置為"O"，所述系統將功率立即釋放在鑽柱上，鑽柱未受控地逆向旋轉。 這會損耗底部鑽具組件(bottom-hole-assembly)，並且幾乎使得頂部驅動與鑽柱脫離，導 致進行打撈操作，而喪失了一天半鑽井時間。使用向下傾斜(ramp down)功能來設計系統 以防止該未受控的逆向旋轉，然而，示出了由於頂部驅動控制系統中的安全功能，未適當地 執行這些操作。 升沉補償系統是鑽探系統(7)的關鍵任務部件。系統用於在鑽頭上保持恆定重 量，或者在鑽頭上保持恆定張力。有兩種升沉補償系統
主動式升沉補償系統，
被動式升沉補償系統。 主動式系統可以安裝在頂部或者可以是絞車的一部分。主動式系統可以使用垂直 參考單元以檢測升沉，並且根據所檢測的升沉進行響應。被動式系統通常裝在頂部，或者被 包括在絞車系統中。升沉補償系統可以包括氣壓或液壓補償系統，其用於抑制鑽柱和同樣 重要的立管的升沉移動。用於主動式升沉補償系統的控制系統應當從垂直參考單元接收傳 感器信號，並且應當提供對鑽柱補償器上的閥門進行控制的控制信號，增加或減少鑽柱補 償器中的壓力、打開或關閉空氣壓力容器或液壓壓力容器、激活和停用鑽柱補償器。除了升 沉補償系統的這些基本功能，升沉補償控制系統還可以控制與鑽柱連接的旁路閥門。
測試應當確保對於打開並關閉所有閥門、控制主動式鑽柱補償器以及在緊急關 閉的情況下還可以操作鑽柱補償器，升沉補償控制系統可以適當地做出響應。如果水力或 電力出現故障，那麼會發生多個不期望的情況(例如從故障至災難)。如果鑽頭處於海底， 並且在升沉補償中存在損耗，或者升沉補償未適當地執行，那麼鑽柱可能會被卡住，這是個 問題。然而，如果執行井口工作，鑽柱被卡住，那麼鑽柱會斷裂，導致鑽探停止，會導致鑽柱 損耗。 絞車系統包括多個制動器、齒輪和離合器，用於增加和減少吊鉤速度。還應當控制 主制動器和緊急制動器的操作。可選的，應當控制電制動器，例如從0_100%的感應制動器。 如果絞車具有多個齒輪，那麼絞車控制系統應當控制齒輪的移動，例如，在低與高之間。絞
車控制系統還可以包括緊急停止系統，其用於防止動滑輪碰撞定滑輪。當正常工作時，絞車 控制系統應當適當控制絞車的速度、制動器、動滑輪和齒輪改變，並且當應用緊急制動器時 防止絞車運行。下面給出了絞車制動器失敗的結果的示例 已經發現，通過讓絞車以高負載工作，絞車制動器沒有足夠快地啟用。由於在制動 器啟用之前，負載降低了一米，這導致旋轉的分流器外殼脫離。這導致轉盤下的分流器外殼 被甩下去，喪失了 14天的鑽井時間而用於維修。這是由於在調整所謂的鑽探工座椅之前， 子系統承包商之間缺乏溝通。 泥漿泵系統用於控制鑽探期間泥漿的循環和密度。泥漿泵系統中的失敗會導致鑽
頭損壞或爆裂情況。泥漿泵控制系統應當能夠控制泥漿泵以降低泵速率或控制泥漿壓力。
泥漿泵控制系統還應當確保將泥漿抽送到正確的方向並確保泥漿泵的速率。如果達到某些
壓力閾值，那麼泥漿泵控制系統不應當發出停止命令，而是自動降低泵的速度。 鑽探操作控制系統的單獨的種類可以被歸類為管道處理控制系統設備。有多個子
系統，其可以被歸類為管道處理設備 水平和垂直管道處理機(導杆/齒條臂) 水平至垂直管道處理機 機械手臂 立管滑道(氣壓/液壓操作) 鐵鑽工、M/U轉矩、鑽探鉗/Eazy轉矩、遠程操作的CSG鉗 這些系統都由不同的控制系統來控制，所述系統可以調節管道處理設備的移動部 分的移動，並且控制系統應當總體上控制和驗證管道處理操作所需的移動、定位和轉矩。盡 管相對簡單，但是應當對不同的操作以及它們的控制進行測試以減少錯誤。
在背景技術中，BOP和分流器不受集成鑽探控制系統的控制。然而，在鑽探期間， BOP應當始終受控制，以防止出現潛在的危險情況。因此，在鑽探時，可以將BOP控制系統當 作全部集成控制系統的一部分，並且應當提供用於打開和關閉閥門的控制信號，並且接收 指示閥門位置的信號，接收用於提供命令信號的壓力信號以調整多支管和環形防噴器上的 壓力。這同樣適用於控制節流管匯(chokemanifold)。為了避免潛在的爆裂，必須進行BOP 控制。 防撞控制系統 主要有兩種防撞控制系統。 設計防撞系統以防止具有頂部驅動的動滑輪碰撞井架內的其它管道處理設備。這
些系統提供了接近度(proximity)傳感器和/或可以計算動滑輪的位置。設計頂部(crown)
保護器和地面保護器系統以防止動滑輪撞擊鑽架頂部的滑輪或防止撞擊鑽臺。這些系統是
基於對滑輪、頂部驅動以及接近度傳感器的高度、重量和速度進行計算來設計的。 這兩種控制系統的基本功能是連續提供傳感器信號，其向鑽探工提供所有涉及的
部件的位置的概況，並且當一些部件處於碰撞的危險時，向託架系統的所有操作者以及鑽
探工提供警報。 一些系統還可以包括允許系統外的一些部件的旁路。因此，防撞系統應當
適當地能夠進行以下操作 連續定義動滑輪和頂部驅動的位置； 連續定義動滑輪和頂部驅動速度； 連續定義動滑輪和頂部驅動系統的總重量； 連續定義所有系管臂和剌臂(stabbing arm)以及鐵鑽工的位置；
當一些部件處於碰撞的危險時，向託架系統的所有操作者以及鑽探工提供警報；
停止處於與動滑輪和頂部驅動碰撞的危險中的部件的操作，釋放絞車離合器，並 且通過使用電制動器來儘量減少動滑輪和頂部驅動速度，或者利用緊急制動器來最終停止 動滑輪和頂部驅動； 當動滑輪和頂部驅動處於在定滑輪下的碰撞的危險時，防止鑽柱補償器的上升。
防撞控制系統還應當控制下列制動系統 主制動器通常是帶式制動器，其具有在絞車巻筒之間的平衡架的兩條獨立帶。
緊急制動器使用機械彈簧負載的驅動器組來啟動盤式制動器和帶式制動器(故 障安全)。在正常操作中，液壓保持那些彈簧組打開。 可以設想其它制動器系統，例如直接裝配在絞車主軸上的電制動器。 典型的關閉絞車順序可以是鬆脫離合器、啟動電制動器並且嚙合緊急制動器。 如果一個或多個傳感器、控制信號、在其兩者之間的互連、控制算法中的任意一項
有誤，或信號線失效，那麼會出現多種情況。下文給出的示例絕非窮舉所有示例，而是僅給
出了可能發生的失敗的指示。應當注意，應當根據本發明的方法來測試由失敗、失敗模式、
或系統的功能故障或其任意組合引起的任意錯誤。 接近度位置傳感器中的失敗會在沒有向操作者提供任何警告情況下，導致部件會 在頂部驅動水龍頭動滑輪可以運行的區域內工作。為了防止發生這種情況，可以設置分離 的和獨立的傳感器系統，然而，如果控制系統錯誤地解釋信號或者未發出或忽略了失敗警 報，那麼會發生碰撞。
10
在擴展動滑輪和頂部驅動系統的情況下，當一個或多個部件處於不安全區域中 時，會發生碰撞。當動滑輪和頂部驅動位於井中心時，也會發生碰撞。 在電驅動工作失敗的情況下，驅動工作緊急制動器不能在動滑輪碰撞鑽臺、定滑
輪或齒條臂之前停止。當使用常規非電驅動工作制動器時，顯然也可能發生這種情況。 驅動工作緊急制動器可以中止，導致即使在已經嚙合緊急制動器後，動滑輪和頂
部驅動水龍頭也會撞擊鑽臺。這將導致對動滑輪和頂部驅動水龍頭的損害。 如果當動滑輪和頂部驅動水龍頭接近定滑輪時，鑽柱補償器上升，那麼動滑輪會
撞擊定滑輪。 鑽探控制系統測試 開發了用於鑽探控制軟體和控制系統的HIL測試的HIL測試包。該軟體包括主鑽 探設備以使得可以驅動和測試鑽探控制系統和子系統。具有被包括在鑽探模擬器中的動態 模式和失敗模式的子系統包括 頂部驅動、絞車、泥漿泵、具有子系統的管道處理設備、升沉補償設備以及可能包 括的B0P系統。 根據本發明的測試包括功能測試，其是對計算機系統功能和模式的驗證，還包括 失敗測試，即對計算機系統檢測和處理失敗模式的測試。圖2中示出了根據本發明的HIL 結構。 此外，權利要求1中定義了本發明的設備實施例，本發明還體現為用於測試集成 控制系統(1)的方法，所述集成控制系統(1)用於在鑽探操作期間控制鑽探單元(2)，所述 集成控制系統(1)包括 DCS(3)，用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且用於向鑽探系統 (7)提供控制信號(33)以實施期望的鑽探操作， 所述DCS(3)用於控制多個鑽探操作並且包括多個控制子系統， 所述測試包括向所述集成控制系統(1)提供錯誤的、模擬的、真實的或修改的信
號或其組合，其用於測試由所述集成控制系統(1)內的一個或多個控制子系統中的失敗或
故障所引起的所述集成控制系統(1)中的錯誤、或由在所述集成控制系統(1)內的控制子
系統之間的交互中的失敗或故障所引起的錯誤、或者組合引起的錯誤。 根據本發明的實施例，可以實施所謂的FMEA (失敗模式和效果分析)。FMEA測試過
程涉及至少將一些控制系統放入控制環路中，將一些信號路由到系統外的集成控制系統，
並從集成控制系統將信號路由到信號修改計算機(80)，其中所述信號修改計算機修改路由
到其自身的一個或多個所述信號，並且將所述信號發送回受控制的所需的系統。這樣，可以
修改信號以使得可以給出真實信號的偏壓、延遲、幅度的改變、電壓的改變等。當測試具有
相對慢的反應的控制系統時，這種測試也可以很好地適應。圖3中示出了可能的FMEA測試
類型的結構。 在根據本發明的設備中，集成控制系統(1)可以包括用於控制動力裝置(6)的功 率管理系統(4)，其中所述DCS(3)用於針對由所述鑽探控制系統DCS(3)與所述功率管理系 統PMS(4)之間的交互所引起的錯誤，接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且將 控制信號(32)提供至說明所述鑽探系統(7)的能量需求的所述PMS(4)。
當所述動力裝置(6)不能向鑽探操作(7)提供足夠的功率時，會產生這種錯誤，當在信號傳輸中有錯誤時，有錯誤的布線，在信號DCS(3)與PMS(3)之間不兼容時，在傳感器、 接收機、信號線、控制系統等中出現故障或失敗。 在鑽探控制系統被設置在鑽探船(2)上時，鑽探控制系統可以從相同的功率系統 以及DP驅動器獲得能量。所以，集成控制系統(1)還可以包括動態定位控制系統DP(5)， 其中所述DP控制系統(5)用於向功率管理系統PMS(4)提供DP功率控制信號(51)，所述DP 控制系統(5)用於通過將定位控制信號(52)發送至所述鑽探船(2)的驅動器(21)來控制 所述鑽探船(2)的定位；說明所述驅動器(21)的能量需求的所述DP功率控制信號(51); 用於從所述動力裝置(6)接收功率的所述驅動器(21);針對由所述鑽探控制系統DCS(3)、 所述功率管理系統PMS(4)和/或所述DP(5)之間的交互引起的錯誤，測試所述集成控制系 統(1)的設備。 在許多情況下，由於DP(5) 、 PMS(4)和DCS(3)都可以被互連以確保集成控制系統 (1)中的鑽探船所需的操作。在對所有故障和失敗進行測試的本發明實施例中說明了集成 控制系統(l)，其中在操作包括三個提及的控制系統的集成控制系統(1)時會發生所述故 障和失敗。DP (5)和DCS(3)都向PMS(4)發送功率控制信號，並且在DP (5)和DCS(3)之間 還存在直接或間接的一些交互。 集成控制系統(1)可以包括動態定位控制系統DP(5)，其中所述DP(5)用於控制 所述鑽探單元(2)的位置，並且其中所述設備用於針對由所述鑽探控制系統DCS(3)和所述 DP(5)之間的交互所產生的錯誤，測試所述集成控制系統(1)。 在根據本發明的設備中，所述集成控制系統(1)可以與船舶(2)分離，並且被連接
到船舶模擬器(100)以使得在如例如圖1所示的硬體環路結構中測試所述系統。 在根據本發明的設備中，所述集成控制系統(1)所接收的至少一個或多個信號是
真實的，並且其中在將其提供到所述集成控制系統(1)之前，在信號修改計算機(80)中修
改一個或多個所述真實的信號，用於所述集成控制系統(1)的失敗模式和功能模式測試。 根據本發明的系統和設備適於在整個控制系統(1)在位置上安裝之後，測試集成
控制系統(1)。這種系統的特殊問題在於，有多個子承包商，其提供DCS(3)或集成控制系
統(1)的控制結構的不同部件。雖然在提供前，可以對集成控制系統(1)的每個分離的部
件徹底進行測試，但是如果它們由不同的廠商提供，那麼這些測試不能披露由系統中各種
部件之間的交互所引起的錯誤。本發明的目的是分析集成控制系統的性能以檢測並處理這
種錯誤。如果在安裝後，集成控制系統的部件需要替換或修改，那麼會出現單獨的問題，即
使在改變之前以適當的方式來執行系統，系統部件的增加或修改也會破壞系統的穩定，或
者引入尚未想到的錯誤。本發明的目的是解決這些問題。集成控制系統的部件的修改可以
包括更新或替換控制軟體或硬體的部分、或者甚至控制系統自身的整個部分。 如果替換由集成控制系統(1)控制的一個或多個物理部件，那麼將需要驗證新裝
置是否可以順利地集成在控制上部結構中，並且本發明的目的是測試在替換軟體或硬體之
後，集成控制系統能否恰當地工作。 顯然，根據本發明的測試設備可以作為用於對集成控制系統的每個部件進行測試 並且對集成控制系統自身的一部分進行測試的設備。由於可以模擬集成控制系統的所有不 同部分，因此顯然不僅可以模擬一個部分而且還可以模擬所有部分，從而使得設備可以作 為用於在集成控制系統內的單個設備的測試設備。設備的靈活性具有重要的現實意義，此外允許向系統容易地增加其它模擬器，用於模擬額外的參數。 在本發明的實施例中，多個模擬器可以是測試設備的一部分，其中每個模擬器模 擬不同的操作。這允許將測試分配給多個模擬器，由此在沒有滯後風險的情況下允許實時 運行模擬操作。在本發明的該實施例中，可以將模擬器分布在不同地理位置，以使得可以在 沒有移動物理的控制單元的情況下，將模擬器連接至要被測試的控制單元。在該實施例中， 模擬器將同時運行以使得來自其它模擬器的反饋信號和控制信號可以在內部進行通信。在 本發明的該實施例中，可以認為設備是用於集成控制系統(1)的分布式測試系統，其中測 試系統的部分沒有位於相同的區域中。在模擬器之間的互通可以由中央通信單元控制，或 通過其它已知方法來分發信號。 如上所述，可以測試獨立的或連接的測試目標，並且以FMEA模式來控制真實系 統。不同的測試模式允許不同的測試算法，因此還應當包括不同的功能。用於測試獨立系統 的模擬器應當包括用於模擬真實系統的功能，例如鑽探設備、船舶電源系統、船舶移動等， 其中這些系統用於從測試控制系統獲取命令並且向其提供反饋。在本發明實施例中，還可 以模擬與測試的控制系統交互的其它控制系統。這樣，可以測試命令結構的子部分或者命 令鏈中的連接等。 用於FMEA模式測試的模擬器應當模擬在信號、常用命令以及在控制器之間的反 饋系統中的信號故障。可以通過操作上述的一個或多個信號來執行。 在FMEA模式中，還可以用命令來操作控制系統，以使得在一定程度上，系統可以 測試控制系統的人機界面。這種測試系統允許更現實地測試操作者在系統中引起的故障或 錯誤，並且證明非常有價值。在許多情況下，可能很難想像在任何普通環境(其是人們由於 沒有經驗或是不幸引起的)中發生故障。應當可以測試這種錯誤，本發明可以對其進行測 試。 HIL模擬器應當測試人機界面(HMI)的正確的結構。這通常可以包括測試在HMI
中，控制系統是否在正確的位置顯示出正確的反饋。這還可以包括測試操作者的輸入是否
導致期望的操作。 HIL模擬器說明 為了允許根據本發明的測試設備的各種功能，HIL模擬器應當符合多個標準。HIL 模擬器應當可以實時地工作，以使得在信號處理中很少有滯後。這很重要，這使得可以以真 實的方式進行測試。 本發明的實施例中，模擬器應當是主信號樞紐以使得來自測試目標的輸入和輸出 信號應當被路由到HIL模擬器或從HIL模擬器發出信號，而不是路由至真實系統。在該結 構中，控制系統將響應直接來自於HIL模擬器或模擬器的反饋信號。同時，要被測試的控制 系統命令HIL模擬器以使得在理論上不能夠區分HIL模擬器與真實系統。
同樣，當對關於信號或設備的失敗模式進行模擬時，HIL模擬器應當將持續的反饋 提供給連接至它的所有系統。這應當包括下列情況，其中對影響到達和來自測試目標的反 饋或命令的信號失敗模式進行測試。實際上，這意味著當模擬關於一個或多個反饋信號的 故障模式時，模擬器應當運行而不受該模擬錯誤的影響。因此，僅作為故障被模擬的一個或 多個信號應當被影響，而其它信號應當保持不受影響。 這還意味著，當關於模擬的設備的失敗模式(其通常在多個反饋系統上具有同時擬時，事實上應當能夠這樣做。因此，模擬器(是根據本發明的測試 設備的一部分)能夠模擬失敗如何影響系統，並且還可以將相關的反饋信號提供給控制系 統或要被測試的系統。這還意味著，在信號之間應當是一致的以允許實際的測試。
信號之間必要的一致性的示例可以包括
-接近度傳感器反饋以及位置測量反饋 _電力系統的狀態與遵照命令的可變速驅動器的能力之間的一致性
-VRU傳感器與立管張力傳感器之間的一致性
-液壓系統的狀態與遵照命令的液壓系統的能力之間的一致性
-命令的轉矩以及張力反饋 顯然，由於有大量的其它信號，其示出了它們之間具有一致性，因此該列表是非排
他性的，這對本領域的技術人員來說是顯而易見的。 還有各種所需的故障模式，其應當能夠被模擬，其可以包括-電動機的功率損耗-驅動器的液壓損耗-制動器失敗-所禁止的設備的移動或旋轉。 顯然，由於有應當被模擬的大量其它失敗模式，因此該列表是非排他性的，這對本
領域的技術人員來說是顯而易見的。顯然，因為可以設想其它情況，因此應當能夠同時模擬
多個失敗模式。根據本發明還可以模擬多個失敗情況的組合。 存在能夠模擬的大量信號失敗，例如下文所列-數字反饋信號中的不一致-模擬反饋信號中的不一致-反向的數位訊號-凍結的(Frozen)數位訊號-閃爍的(Flicking)數位訊號-凍結的模擬信號-模擬信號上的噪聲-模擬信號中的漂移-模擬信號上的偏移 _最大值故障/超出範圍 _最小值故障/超出範圍 顯然，該列表是非排他的，因為顯然應該同時能夠模擬多個情況。 根據本發明的實施例，到達或從一個或多個模擬器發出的信號和控制系統可以由
本領域技術人員已知的硬體線路、總線接口、其組合或任何其它合適的信號傳輸單元來連接。 如圖4所示，用於測試DCS的設備可以包括大量子系統，其中可以同時使用一個或 多個子系統。在本發明的實施例中，系統自身是模塊化的，以使得沒有增加的特徵可以在稍 後的時間增加。圖5示出了用於對鑽探系統進行HIL測試的通用測試設置。根據需要，顯 然可以改變要被測試的開關、PC、接口和系統的數量。
14
因此，本發明能夠測試用於控制鑽探單元(2)的集成控制系統。
權利要求
一種用於測試集成控制系統(1)的設備，其中所述集成控制系統(1)用於控制鑽探單元(2)，所述鑽探單元(2)用於鑽探操作，所述集成控制系統(1)包括鑽探控制系統DCS(3)，其用於控制鑽探系統(7)，所述DCS(3)用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且用於向所述鑽探系統(7)提供控制信號(33)以實施期望的鑽探操作，所述DCS(3)用於控制多個鑽探操作，並且包括多個控制子系統，所述設備用於測試所述集成控制系統(1)中的錯誤，其中所述錯誤是由所述集成控制系統內的一個或多個控制子系統中的失敗或故障引起的，或者是由在所述集成控制系統(1)內的控制子系統之間的交互中的失敗或故障引起的，或者是由其組合引起的。
2. 根據權利要求l所述的設備，其中所述集成控制系統(1)還包括用於控制動力裝 置(6)的功率管理系統(4)，其中所述DCS(3)用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號 (31)並且向說明所述鑽探系統(7)的能量需求的所述PMS(4)提供控制信號(32)，其用於 針對所述鑽探控制系統DCS(3)與所述功率管理系統PMS(4)之間的交互所引起的錯誤，測 試所述集成控制系統(1)。
3. 根據權利要求2所述的設備，其中所述集成控制系統(1)還包括動態定位控制系 統DP(5)，其中所述DP控制系統(5)用於向PMS(4)提供DP功率控制信號(51)，所述DP控 制系統(5)用於通過將定位控制信號(52)提供給所述鑽探單元(2)的驅動器(21)來控制 所述鑽探單元(2)的定位；所述DP功率控制信號(51)說明所述驅動器(21)的能量需求； 所述驅動器(21)用於從所述動力裝置(6)接收功率；所述設備用於針對所述鑽探控制系統 DCS(3)、所述功率管理系統PMS(4)和/或所述DP(5)之間的交互所引起的錯誤，測試所述 集成控制系統(1)。
4. 根據權利要求l所述的設備，其中所述集成控制系統(1)還包括動態定位控制系統 DP(5)，其中所述DP(5)用於控制所述鑽探單元(2)的位置，並且其中所述設備用於針對由 所述鑽探控制系統DCS(3)與所述DP(5)之間的交互所產生的錯誤，測試所述集成控制系統 (1)。
5. 根據權利要求l所述的設備，其中所述集成控制系統(1)與船舶(2)分離，並且所述 集成控制系統(1)連接至船舶模擬器(100)以使得在硬體環路結構中測試所述系統。
6. 根據權利要求l所述的設備，其中由所述集成控制系統(1)接收的至少一個或多個 信號是真實的，並且其中，在一個或多個所述真實信號被提供給所述集成控制系統(1)之 前，在信號修改計算機(80)中修改一個或多個所述真實信號，用於所述集成控制系統(1) 的失敗模式和功能模式測試。
7. 根據權利要求1所述的設備，其中所述DCS(3)用於控制用於鑽探操作的下列單元中 的至少一個或多個頂部驅動設備，絞車設備，泥槳泵設備，管道處理設備，鑽柱升沉補償設備，立管升沉補償設備，以及爆裂防止器閥門設備。
8. 根據權利要求1所述的設備，其中所述DCS(3)用於控制防撞系統，所述防撞系統包 括下列一個或多個頂部保護器， 地面保護器，管道處理設備。
9. 根據權利要求1所述的設備，其中所述DCS(3)用於控制主動式升沉補償系統。
10. 根據權利要求1所述的設備，其中所述測試設備包括多個輔助測試設備。
11. 一種用於測試集成控制系統(1)的方法，所述集成控制系統(1)用於在鑽探操作期 間控制鑽探單元(2)，所述集成控制系統(1)包括DCS(3)，用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且用於向鑽探系統(7) 提供控制信號(33)以實施期望的鑽探操作，所述DCS (3)用於控制多個鑽探操作並且包括多個控制子系統，所述測試包括向所述集成控制系統(1)提供錯誤的、模擬的、真實的或修改的信號或 其組合，其用於測試由所述集成控制系統(1)內的一個或多個控制子系統中的失敗或故障 所引起的所述集成控制系統(1)中的錯誤、或由在所述集成控制系統(1)內的控制子系統 之間的交互中的失敗或故障所引起的錯誤、或者由它們的組合所引起的錯誤。
12. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述集成控制系統(1)還包括控制動力裝置(6) 的功率管理系統PMS(4)，所述動力裝置(6)向所述鑽探系統(7)提供功率； 所述DCS(3)接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且向說明所述鑽探系統(7) 的能量需求的所述PMS(4)提供控制信號(32)，用於針對所述鑽探控制系統DCS(3)與 所述功率管理系統PMS(4)之間的交互所引起的錯誤，測試所述集成控制系統(1)。
13. 根據權利要求12所述的方法，其中所述集成控制系統(1)還包括動態定位控制 系統DP (5)，其中所述DP控制系統(5)，針對所述鑽探控制系統DCS (3)、所述功率管理系統 PMS(4)和/或所述DP(5)之間的交互所產生的錯誤，向所述PMS(4)提供DP功率控制信號 (51)，所述DP控制系統(5)用於通過將定位控制信號(52)提供給所述鑽探單元(2)的驅動 器(21)來控制所述鑽探單元(2)的位置，所述DP功率控制信號(51)說明所述驅動器(21) 的能量需求，所述驅動器(21)從所述動力裝置(6)接收功率。
14. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述集成控制系統(1)還包括動態定位控制系 統DP(5)，其中所述DP(5)用於控制所述鑽探單元(2)的位置，並且用於針對由所述鑽探控 制系統DCS(3)與所述DP(5)之間的交互所引起的錯誤，測試所述集成控制系統(1)。
15. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述集成控制系統(1)與鑽探單元(2)分離， 並且所述集成控制系統(1)連接至船舶模擬器(100)，利用模擬的傳感器信號替代真實 傳感器信號O，使用所述船舶模擬器(100)的期望的初始狀態，所述船舶模擬器(100)響應 來自所述集成控制系統(1)的控制信號，以使得在硬體環路結構中測試所述集成控制系統 (1)。
16. 根據權利要求ll所述的方法，其中由所述集成控制系統(1)接收的至少一個或 多個信號是真實的，並且其中在將一個或多個所述真實信號提供給所述集成控制系統(1) 之前，在信號修改計算機(80)中修改一個或多個所述真實的信號，用於所述集成控制系統(1)的失敗模式和功能模式測試。
17. 根據權利要求11所述的方法，其中所述DCS(3)控制用於鑽探操作的下列單元中的至少一個或多個頂部驅動設備，絞車設備，泥槳泵設備，管道處理設備，鑽柱升沉補償設備，立管升沉補償設備。
18. 根據權利要求11所述的方法，其中所述DCS(3)用於控制防撞系統，所述防撞系統包括下列中的一個或多個頂部保護器，地面保護器，管道處理設備。
19. 根據權利要求11所述的方法，其中所述DCS(3)用於控制主動式升沉補償系統。
20. 根據權利要求ll所述的方法，其中所述鑽探單元(2)是用於在陸地或海上鑽井的固定鑽探單元或浮式鑽探單元。
全文摘要
一種用於測試集成控制系統(1)的設備，其中所述集成控制系統(1)用於控制鑽探單元(2)，所述鑽探單元(2)用於鑽探操作，所述集成控制系統(1)包括鑽探控制系統DCS(3)，其用於控制鑽探系統(7)，所述DCS(3)用於接收與所述鑽探操作相關的傳感器信號(31)，並且用於向所述鑽探系統(7)提供控制信號(33)以實施期望的鑽探操作，所述DCS(3)用於控制多個鑽探操作，並且包括多個控制子系統，所述設備用於測試由所述集成控制系統中的一個或多個控制子系統的失敗引起的、或者由所述集成控制系統(1)中的控制子系統之間的交互的失敗引起的、或者兩者組合引起的所述集成控制系統(1)中的錯誤。
文檔編號E21B44/00GK101711304SQ200880019303
公開日2010年5月19日 申請日期2008年4月16日 優先權日2007年4月16日
發明者A·基奧斯維克, J·A·格羅姆斯拉德, O·莫 申請人:海運控制公司