钻机控制系统的制作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年4月6日提交的美国临时专利申请序列号62/143，442和2015年6月30日提交的美国非临时专利申请序列号14/788124的优先权，所述临时申请均以引用的方式整体并入本文。
背景
钻机控制系统可由钻机控制系统制造商建造，其主要涉及钻机设备的安全操作。这些钻机控制系统安装在钻探机上，其通常由钻机承包商操作。在钻探操作期间，若干钻探服务提供商可来到钻机以执行各种钻探操作，诸如定向钻探、测量和记录和/或钻探优化。这些服务提供商通常携带他们自己的采集和/或控制系统作为他们计算资源的部分。为了改进钻探操作的效率和/或安全性，来自钻探服务提供商的计算资源可与钻机控制系统交互。
服务提供商的计算资源与钻机控制系统之间的通信可基于非确定且高延时中间件。此外，由来自不同服务提供商的不同系统采集的数据可能在时间或深度上不适当地对准。这可能限制另外控制算法在现有控制系统中实现的能力。另外，在钻机控制系统中获得的传感器数据可能不暴露至这些第三方服务提供商的计算资源，从而造成针对操作的硬件冗余和/或冲突测量。
概述
本公开的实施方案可提供一种用于控制钻探机的系统。所述系统包括第一层，其包括与多个钻机子系统联接的多个子系统控制器，所述多个子系统控制器被配置来控制多个钻机子系统的操作参数。所述系统还包括第二层，其被配置来基于多个钻机子系统的操作从第一层接收信息并提供多个钻机子系统的控制。所述系统还包括第三层，其被配置来执行一个或多个过程应用并向第二层提供基于任务的命令。
本公开的实施方案可还提供一种用于控制钻探机的系统。所述系统包括多个第一控制器，其各自被配置来控制钻探机的多个钻机子系统的相应钻机子系统的操作参数并从其接收传感器数据，其中多个第一控制器被配置来提供用于执行与操作参数相关的命令的反馈回路。所述系统还包括第二控制器，其被配置来从多个第一控制器接收传感器数据并协调多个钻机子系统的控制。
本公开的实施方案可另外提供一种用于控制钻探机的方法。所述方法包括使用第一层中的多个子系统控制器控制多个钻机子系统的操作参数。多个子系统控制器中的每一个独立于多个子系统控制器中的其他者控制多个钻机子系统中的一者。所述方法还包括使用第一层来基于多个钻机子系统的操作生成反馈信息，以及在第二层处从第一层接收反馈信息。所述方法另外包括使用第二层协调多个钻机子系统的操作。
提供上述概述以介绍以下更详细讨论的特征的子集。因此，这个概述不应被考虑为对所公开的实施方案或所附权利要求书是穷尽或限制性的。
附图简述
所附附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分，其说明本
技术实现要素：
内容连同描述的实施方案，用来解释本发明内容的原理。在附图中：
图1示出根据一个实施方案的钻探机和控制系统的示意图。
图2示出根据一个实施方案的钻探机和远程计算资源环境的示意图。
图3a、3b和4示出根据一个实施方案的钻机控制系统的概念示意图。
图5示出根据一个实施方案的用于控制钻机子系统的方法的流程图。
图6示出根据一个实施方案的用于将传感器数据暴露至过程应用的系统的示意图。
图7示出根据一个实施方案的用于将传感器数据暴露至过程应用的方法的流程图。
图8示出根据一个实施方案的用于修改子系统的一个或多个操作参数的系统的示意图。
图9示出根据一个实施方案的用于修改子系统的一个或多个操作参数的方法的流程图。
图10示出根据一个实施方案的具有协调控制的钻机控制系统的示意图。
图11示出根据一个实施方案的用于协调钻机系统的控制的方法的流程图。
图12示出根据一个实施方案的在子系统与钻机控制系统之间具有防火墙的钻机控制系统的示意图。
图13示出根据一个实施方案的用于选择性地允许子系统至钻机控制系统的通信的方法的流程图。
图14示出根据一个实施方案的计算系统的示意图。
详述
现在将详细地参见如在附图和图中所示的具体实施方案。在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的充分理解。然而，本领域的普通技术人员将明白，可以在脱离这些具体细节的情况下实践实施方案。在其他情况下，众所周知的方法、程序、部件、电路以及网络并未进行详细描述，以便不会不必要地混淆实施方案的方面。
还应了解，虽然在本文中可能使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一对象可称为第二对象或步骤，并且类似地，第二对象可称为第一对象或步骤。
本发明的描述中使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的并且不意图限制。除非上下文另外明确指示，否则如本发明的说明书和所附的权利要求中所用的单数形式“一个(种)”和“所述”还意图包括复数形式。还将理解，如本文使用的术语“和/或”涉及并且涵盖一个或多个相关联列出项目的任何和所有可能组合。将进一步理解，术语“包括(includes/including/comprises)”和/或“包括(comprising)”在用于本说明书中时，规定存在所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。此外，如本文所使用，术语“如果”可解释为表示“在......时”或“在......后”或“响应于确定”或“响应于检测到”，这取决于上下文。
图1示出根据一个实施方案的用于钻探机102的控制系统100的概念示意图。控制系统100可包括钻机计算资源环境105，其可位于钻探机102现场，并且在一些实施方案中，可具有协调控制装置104。控制系统100还可提供监控系统107。在一些实施方案中，控制系统100可包括远程计算资源环境106，其可不在钻探机102现场。
远程计算资源环境106可包括不在钻探机102现场并可通过网络访问的计算资源。“云”计算环境是远程计算资源的一个实例。云计算环境可通过网络连接(例如，wan或lan连接)与钻机计算资源环境105通信。在一些实施方案中，远程计算资源环境106可至少部分地位于现场，例如，从而允许钻探机102的各方面在现场通过远程计算资源环境105(例如，通过移动装置)的控制。因此，“远程”不应限制于远离钻探机102的任何特定距离。
此外，钻探机102可包括具有不同传感器和用于执行钻探机102的操作的设备的各种系统，并且可通过控制系统100，例如，钻机计算资源环境105监测并控制。另外地，钻机计算资源环境105可提供对钻机数据的安全访问以便有助于现场和非现场用户装置监测钻机，从而向钻机发送控制过程等。
图1描绘钻探机102的各种示例系统。例如，钻探机102可包括井下系统110、流体系统112和中央系统114。这些系统110、112、114还可以是钻探机102的“子系统”的实例，如本文所述。在一些实施方案中，钻探机102可包括信息技术(it)系统116。井下系统110可包括例如沿着钻柱设置的井底组件(bha)、泥浆电动机、传感器等，和/或被配置来部署到井眼中的其他钻探设备。因此，井下系统110可指设置在井眼中的工具，例如，作为用于钻井的钻柱的部分。
流体系统112可包括例如钻探泥浆、泵、阀、胶合剂、泥浆装载设备、泥浆管理设备、压力管理设备、分离器以及其他流体设备。因此，流体系统112可执行钻探机102的流体操作。
中央系统114可包括起重和旋转平台、顶部驱动器、旋转台、方钻杆、绞车、泵、发电机、管状装卸设备、吊杆、桅杆、底部结构以及其他合适的设备。因此，中央系统114可执行钻探机102的发电、起重和旋转操作，并且作用为用于钻探设备的支撑平台和用于钻机操作，诸如连接构成等的分级地面。it系统116可包括软件、计算机和用于实现钻探机102的it操作的其他it设备。
控制系统100可例如通过钻机计算资源环境105的协调控制装置104监测来自钻探机102的多个系统的传感器并向钻探机102的多个系统提供控制命令，使得来自多个系统的传感器数据可用于向钻探机102的不同系统提供控制命令。例如，系统100可从钻探机102收集时间和深度对准的地面数据和井下数据并存储所收集数据用于钻探机102处的现场访问或通过钻机计算资源环境105的非现场访问。因此，系统100可提供监测能力。另外，控制系统100可包括通过监控系统107的监控。
在一些实施方案中，井下系统110、流体系统112和/或中央系统114中的一个或多个可由不同供应商制造和/或操作。在这种实施方案中，某些系统可能不能够统一控制(例如，由于不同协议、对控制许可的约束、针对不同控制系统的安全问题等)。然而，控制系统100的统一的实施方案可提供对钻探机102及其相关系统(例如，井下系统110、流体系统112和/或中央系统114等)的控制。此外，井下系统110可包括一个或多个井下系统。类似地，流体系统112和中央系统114可分别包含一个或多个流体系统和中央系统。
另外，协调控制装置104可与用户装置(例如，人机接口)118、120交互。例如，协调控制装置104可从用户装置118、120接收命令并且可使用钻机系统110、112、114等中两个或更多个执行命令，使得两个或更多个钻机系统110、112、114的操作一致地作用和/或可避免钻机系统110、112、114中的非设计情况。
图2示出根据一个实施方案的控制系统100的概念示意图。钻机计算资源环境105可使用网络108(例如，广域网(wan)，诸如互联网)与非现场装置和系统通信。此外，钻机计算资源环境105可通过网络108与远程计算资源环境106通信。图2还描绘钻探机102的上述示例系统，诸如井下系统110、流体系统112、中央系统114以及it系统116。在一些实施方案中，一个或多个现场用户装置118还可包括在钻探机102中。现场用户装置118可与it系统116交互。现场用户装置118可包括任何数量的用户装置，例如，意图安置在钻探机102处的固定用户装置和/或便携式用户装置。在一些实施方案中，现场用户装置118可包括桌上型计算机、膝上型计算机、智能电话、个人数据助理(pda)、平板部件、可穿戴计算机或其他合适的装置。在一些实施方案中，现场用户装置118可与钻探机102的钻机计算资源环境105、远程计算资源环境106或两者通信。
一个或多个非现场用户装置120还可包括在系统100中。非现场用户装置120可包括桌上型计算机、膝上型计算机、智能电话、个人数据助理(pda)、平板部件、可穿戴计算机或其他合适的装置。非现场用户装置120可被配置来通过与钻机计算资源环境105的通信从钻探机102接收信息和/或将信息发射到钻探机102(例如，监测功能)。在一些实施方案中，非现场用户装置120可提供用于控制钻探机102的各种系统的操作的控制过程。在一些实施方案中，非现场用户装置120可通过网络108与远程计算资源环境106通信。
用户装置118和/或120可以是人机接口的实例。这些装置118、120可允许显示来自各种钻机子系统的反馈并允许由用户键入命令。在各种实施方案中，此类人机接口可以是现场的或非现场的或两者。
钻探机102的系统可包括各种传感器、致动器和控制器(例如，可编程逻辑控制器(plc))，其可提供用于在钻机计算资源环境105中使用的反馈。例如，井下系统110可包括传感器122、致动器124和控制器126。流体系统112可包括传感器128、致动器130和控制器132。另外地，中央系统114可包括传感器134、致动器136和控制器138。传感器122、128和134可包括用于钻探机102的操作的任何合适的传感器。在一些实施方案中，传感器122、128和134可包括照相机、压力传感器、温度传感器、流速传感器、振动传感器、电流传感器、电压传感器、电阻传感器、手势检测传感器或装置、声控或识别装置或传感器或其他合适的传感器。
以上描述的传感器可向钻机计算资源环境105(例如，向协调控制装置104)提供传感器数据反馈。例如，井下系统传感器122可提供传感器数据140，流体系统传感器128可提供传感器数据142，并且中央系统传感器134可提供传感器数据144。传感器数据140、142和144可包括例如设备操作状态(例如，接通或断开、向上或向下、设置或释放等)、钻探参数(例如，深度、吊钩负荷、扭矩等)、辅助参数(例如，泵的振动数据)以及其他合适的数据。在一些实施方案中，所采集的传感器数据可包括指示何时采集传感器数据的时间戳(例如，日期、时间或两者)或与其相关联。此外，传感器数据可与深度或其他钻探参数对准。
将传感器数据采集到协调控制装置104中可促进相同物理特性在钻探机102的不同位置处的测量。在一些实施方案中，相同物理特性的测量可用于测量冗余以允许井的继续操作。在又一实施方案中，相同物理特性在不同位置处的测量可用于检测不同物理位置内的设备情况。在又一实施方案中，使用不同传感器对相同物理特性的测量可提供关于每个测量的相关质量的信息，从而导致“更高”质量的测量被用于钻机控制和过程应用。不同位置处的测量随时间推移的变化可用于确定设备性能、系统性能、预定维修到期日等。此外，将传感器数据从每个子系统聚集到集中式环境中可增强钻探过程和效率。例如，滑动状态(例如，进或出)可从传感器采集并提供到钻机计算资源环境105，其可用于针对自动控制限定钻机状态。在另一个实例中，流体样本的采集可由传感器测量并与由其他传感器测量的位深和时间相关。数据从照相机传感器的采集可促进钻探机102中的材料或设备的到达和/或安装的检测。材料或设备的到达和/或安装时间可用于评估材料的降解、设备的预定维修和其他评估。
协调控制装置104可促进单独系统(例如，中央系统114、井下系统或流体系统112等)的在每个单独系统的层面的控制。例如，在流体系统112中，传感器数据128可馈送到控制器132，其可响应以控制致动器130。然而，对于涉及多个系统的控制操作，控制可通过协调控制装置104协调。此类协调控制操作的实例包括在解扣期间井下压力的控制。井下压力可由流体系统112(例如，泵浦速率和节流位置)和中央系统114(例如，解扣速度)两者影响。当希望在解扣期间维持某个井下压力时，协调控制装置104可用于引导适当的控制命令。此外，对于采用复杂计算以达到控制设置点的基于模式的控制器，由于复杂性和高计算能力要求，所述复杂计算通常不在子系统plc控制器中实现，协调控制装置104可提供适当计算环境用于实现这些控制器。
在一些实施方案中，钻探机102的各种系统的控制可通过多层(例如，三层)控制系统提供，所述多层控制系统包括第一层控制器126、132和138、第二层协调控制装置104和第三层监控系统107。第一层控制器可负责安全性关键控制操作或快速回路反馈控制。第二层控制器可负责多个设备或子系统的协调控制，和/或负责基于复杂模型的控制器。第三层控制器可负责高级任务规划，诸如命令钻机系统维持某个井底压力。在其他实施方案中，协调控制可在不使用协调控制装置104的情况下由钻探机系统110、112和114中的一个或多个的一个或多个控制器提供。在此类实施方案中，钻机计算资源环境105可直接地向这些控制器提供用于协调控制的控制过程。例如，在一些实施方案中，控制器126和控制器132可用于钻探机102的多个系统的协调控制。
传感器数据140、142和144可由协调控制装置104接收并用于钻探机102和钻探机系统110、112和114的控制。在一些实施方案中，可对传感器数据140、142、144进行加密以产生加密的传感器数据146。例如，在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可对来自不同类型的传感器和系统的传感器数据进行加密以产生一组加密的传感器数据146。因此，如果未授权用户装置能够访问钻探机102的一个或多个网络，则加密的传感器数据146可能不可由此类装置(非现场或现场用户装置)观察。传感器数据140、142、144可包括如以上所讨论的时间戳和对准的钻探参数(例如，深度)。加密的传感器数据146可通过网络108发送到远程计算资源环境106并作为加密的传感器数据148存储。
钻机计算资源环境105可提供加密的传感器数据148，其可用于诸如通过非现场用户装置120不在现场观察和处理。对加密的传感器数据148的访问可通过在钻机计算资源环境105中实现的访问控制约束。在一些实施方案中，加密的传感器数据148可实时提供到非现场用户装置120，使得非现场人员可观察钻探机102的实时状态并基于实时传感器数据提供反馈。例如，加密的传感器数据146的不同部分可发送到非现场用户装置120。在一些实施方案中，加密的传感器数据可在传输之前由钻机计算资源环境105解密或在接收到加密的传感器数据之后在非现场用户装置上解密。
非现场用户装置120可包括客户端(例如，瘦客户端)，其被配置来显示从钻机计算资源环境105和/或远程计算资源环境106接收的数据。例如，多种类型的瘦客户端(例如，具有显示能力和最小处理能力的装置)可用于某些功能或用于观察各种传感器数据。
钻机计算资源环境105可包括用于监测并控制操作的各种计算资源，诸如具有处理器和存储器的一个或多个计算机。例如，协调控制装置104可包括具有处理器和存储器的计算机，其用于处理传感器数据、存储传感器数据以及响应于传感器数据发布控制命令。如以上所述，协调控制装置104可通过来自一个或多个钻探机系统(例如，110、112、114)的传感器数据的分析控制钻探机102的各种系统的各种操作，以允许钻探机102的每个系统之间的协调控制。协调控制装置104可执行控制命令150用于钻探机102的各种系统(例如，钻探机系统110、112、114)的控制。协调控制装置104可将由控制命令150的执行确定的控制数据发送到钻探机102的一个或多个系统。例如，控制数据152可发送到井下系统110，控制数据154可发送到流体系统112，并且控制数据154可发送到中央系统114。控制数据可包括例如操作员命令(例如，开启或断开泵、接通或断开阀、更新物理特性设置点等)。在一些实施方案中，协调控制装置104可包括快速控制回路，其直接地获得传感器数据140、142和144并执行例如控制算法。在一些实施方案中，协调控制装置104可包括缓慢控制回路，其通过钻机计算资源环境105获得数据以生成控制命令。
在一些实施方案中，协调控制装置104可在监控系统107与系统110、112和114的控制器126、132和138中间。例如，在此类实施方案中，监控系统107可用于控制钻探机102的系统。监控系统107可包括例如用于键入控制命令以执行钻探机102的系统的操作的装置。在一些实施方案中，协调控制装置104可从监控系统107接收命令，根据规则(例如，基于用于钻探操作的物理定律的算法)处理命令，和/或控制从钻机计算资源环境105接收的过程，以及向钻探机102的一个或多个系统提供控制数据。在一些实施方案中，监控系统107可由第三方提供和/或控制。在此类实施方案中，协调控制装置104可在使用控制命令时协调离散监控系统与系统110、112和114之间的控制，所述控制命令可从系统110、112和114接收的传感器数据优化并通过钻机计算资源环境105进行分析。
钻机计算资源环境105可包括监测过程141，其可使用传感器数据来确定关于钻探机102的信息。例如，在一些实施方案中，监测过程141可确定钻机状态、设备运行状况、系统运行状况、维修计划或其任何组合。此外，监测过程141可监测传感器数据并确定一个或多个传感器数据的质量。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可包括控制过程143，其可使用传感器数据146来优化钻探操作，例如像钻探设备的用于改进钻探效率、设备可靠性等的控制。例如，在一些实施方案中，所采集传感器数据可用于导出噪声消除方案以改进电磁和泥浆脉冲遥测信号处理。控制过程143可通过例如控制算法、计算机程序、固件或其他合适的硬件和/或软件实现。在一些实施方案中，远程计算资源环境106可包括控制过程145，其可被提供到钻机计算资源环境105。
钻机计算资源环境105可包括各种计算资源，例如像单个计算机或多个计算机。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可包括虚拟计算机系统和虚拟数据库或用于所收集数据的其他虚拟结构。虚拟计算机系统和虚拟数据库可包括一个或多个资源接口(例如，网络接口)，其可允许通过请求向各种资源提交应用程序编程接口(api)调用。另外，所述资源中的每一个可包括一个或多个资源接口，其允许资源彼此访问(例如，以便允许计算资源环境的虚拟计算机系统将数据存储在数据库或用于所收集数据的其他结构中或从其检索数据)。
虚拟计算机系统可包括被配置来实例化虚拟机实例的计算资源的集合。虚拟计算系统和/或计算机可提供人机接口，用户可通过所述人机接口通过非现场用户装置，或在一些实施方案中，现场用户装置来与虚拟计算机系统对接。在一些实施方案中，可在钻机计算资源环境105中利用其他计算机系统或计算机系统服务，诸如提供专用或共享计算机/服务器和/或其他物理装置上的计算资源的计算机系统或计算机系统服务。在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可包括单个服务器(在离散硬件部件中或作为虚拟服务器)或多个服务器(例如，网络服务器、应用服务器或其他服务器)。所述服务器可以是例如布置在任何物理和/或虚拟配置中的计算机
在一些实施方案中，钻机计算资源环境105可包括数据库，其可以是运行一个或多个数据收集的计算资源的集合。此类数据收集可通过利用api调用来操作和管理。数据收集，诸如传感器数据，可对钻机计算资源环境中的其他资源或对访问钻机计算资源环境105的用户装置(例如，现场用户装置118和/或非现场用户装置120)可用。在一些实施方案中，远程计算资源环境106可包括与以上所述的那些类似的计算资源，诸如单个计算机或多个计算机(在离散硬件部件或虚拟计算机系统中)。
图3a示出根据一个实施方案的用于在钻机上执行操作的钻机控制系统300的简化概念图。系统300可总体上包括概念“层”，其中可依次更复杂地进行不同类型的控制操作，如以下将描述的。这可允许系统300模块化并在封装数据基础上操作，这可促进更新、维护、协调控制、可扩展性等，其实例将在以下更详细描述。每层可包括一个或多个控制器(和/或其一部分或多个部分)，其可执行被配置来实现分配到相应层的任务的软件。
在所示实例中，系统300包括下层301(1)、中间层301(2)和上层301(3)。术语“上部”、“中间”和“下部”在本文中用于描述概念差别。在示例实施方案中，下层可以是概念第一层，中间层可以是概念第二层，并且上层可以是概念第三层。概念上，下层301(1)可执行钻机102的物理子系统的低复杂性、快速回路控制。钻机子系统可以是被配置来在钻机上执行任务的任何装置或任何组装置，诸如中央子系统、井下子系统、流体系统等中的一个或多个或其一部分。此类控制的实例可以是设置机器参数，诸如转速(例如，执行“基于参数的”命令)。下层301(1)还可从定位在各种物理子系统中的传感器接收测量值。
中间层301(2)可从下层301(1)接收反馈(例如，传感器反馈，如图所示)，可基于这个反馈做出决定，可执行下层301(1)中的多个设备或子系统的控制器协调，并且可执行基于复杂模型的控制器，其是计算密集型的并且可在下层301(1)的plc类型的控制器中不可用。此类协调控制的实例可包括维持恒定井底压力，这可能需要下层301(1)处的两个或更多个控制器协调绞车、泥泵和回流线路上的所管理压力钻探(mpd)节流器的操作。基于复杂模型的控制器的实例可包括运行扭矩和阻力模拟器以便控制表面扭矩用于方向控制。基于其在中间层301(2)中做出确定的传感器数据可来自若干不同子系统，因为中间层301(2)可具有访问来自由下层301(1)直接控制的各种子系统的传感器信息的能力，并且因此可称为聚集传感器数据以便进行分析。
中间层301(2)还可提供时钟，其可促进在各种不同钻机子系统中采集的传感器数据内恒定的时间戳的应用。在一个实例中，中间层301(2)可向下层301(1)提供时钟数据，并且下层301(1)的控制器可基于时钟数据应用时间戳。在另一个实例中，中间层301(2)可将时间戳直接地应用于从下层301(1)接收的传感器数据。
中间层301(2)还可将来自上层301(3)的高级的基于任务的命令(诸如钻探支架)转换成离散和/或独立命令，其可由中间层301(2)中或下层301(1)中的单独控制器执行。此外，中间层301(2)可向上层301(3)提供已暴露的变量，其可允许上层301(3)在不威胁钻机安全性的情况下调整系统300参数。上层301(3)可向这些已暴露变量提供调整，再次，中间层301(2)可将其转换为用于在下层301(1)中实现的一个或多个离散命令。
上层301(3)可执行高级的总体上非确定性的操作，其相比于下层301(1)和中间层301(2)的操作可相对高延时。继续以上实例，上层301(3)可执行井生产、模拟和/或规划软件，可从其确定特定流体压力可适用于使用。上层301(3)因此可提供基于任务的命令以使这个流体的压力达到所确定值，中间层301(2)可将所述确定值转换为用于由下层301(1)实现的一个或多个离散命令(例如，作为反馈回路的一部分)。在一些实施方案中，上层301(3)可提供时钟，例如，除了或替代提供时钟的中间层301(2)。
在操作中，下层301(1)可进行相对低复杂性的操作。这些可使用快速回路反馈执行，并且可被采用以确保安全、调制操作参数等。中间层301(2)可进行更高复杂性的操作，诸如若干子系统的整合以及协调以便实现基于任务的命令。上层301(3)可仍进行更高复杂性的操作，诸如井规划、生产、模拟等操作，其可生成基于任务的指令。
因此，中间层301(2)的提供可允许上述子系统封装，其可促进子系统内的安全措施，诸如避免钻机设备中的机械碰撞。中间层301(2)进一步提供用于在相对快速回路(例如，1毫秒至1秒)中执行多件设备或子系统的协调控制的环境。此外，中间层301(2)可促进钻机控制系统中的不同钻机子系统的松散联接，从而允许不同子系统容易地整合到整个钻机控制系统或从其移除。
例如，当增加、移除或另外改变子系统和/或子系统控制器时，中间层301(2)和上层301(3)可不改变。因此，中间层301(2)和上层301(3)可不必针对安全性进行重新鉴定。此外，下层301(1)中的单独子系统控制器可负责单独子系统内的安全，诸如以便避免机械碰撞。通过子系统的封装以及每个子系统的松散联接，一个子系统中的变化可不需要其他子系统的变化或重新鉴定。因此，由于安全控制被封装在单独子系统控制器内，当新的或改变的单独子系统可导致那个子系统的(重新)鉴定时，其他子系统控制器可不重新鉴定。因此，可减少用于调整子系统部件的时间和努力。
另外，一旦不同子系统通过下层301(1)电连接，中间层301(2)中的软件变化，例如替代硬件变化可被采用以影响新替换或剩余子系统的控制(例如，在移除之后)，包括两个或更多个子系统中的协调控制。
此外，下层301(1)可包括冗余系统，例如，产生关于钻探机的操作参数的冗余信息。中间层301(2)可识别此类冗余，并且此外，可使用此类冗余信息中的趋势和/或其间的比较以确定准确信息，诸如通过从呈现出更准确或可靠的传感器选择数据。
图3b示出根据一个实施方案的系统300的更详细的概念示意图。如图所示，系统300可包括钻机控制系统302，其可包括各种控制器(例如，一个或多个可编程逻辑控制器)并且可实现上述层301(1)-(3)中的一个或多个。例如，钻机控制系统302可包括一个或多个子系统控制器(三个示为：308、310、312)，其可被配置来控制物理子系统的操作，诸如泵系统、管理压力钻探系统、绞车、顶部驱动系统、井下系统、其部分、其组合等。
因此，子系统控制器308、310、312可能够修改相关联子系统的操作参数，此类修改由相关联物理子系统自动地执行。在一些实施方案中，各种子系统的控制可分区，使得一个子系统控制器308、310、312不可直接地控制另一个子系统。在另一个实施方案中，一个子系统控制器308、310、312可直接地控制来自另一个子系统的设备。此外，子系统控制器308、310、312可例如分别与一个或多个监控器(三个示为：314、316、318)通信。
单独子系统控制器308、310、312可准独立地操作。例如，单独子系统控制器308、310、312可能够实现反馈回路以及监控钻机子系统中的安全状况，例如，在不参考其他系统控制器308、310、312的情况下。低级控制的这个封装可允许松散联接的系统，其中子系统的操作(例如，其协调)可至少部分地由软件进行，以便有助于例如通过增加、改变或移除子系统对下层301(1)进行修改。
监控器314、316、318作用为中间层301(2)与下层301(1)之间的接口，从而提供其间的交互。例如，监控器314、316、318可通过确定性场总线协议(诸如profinet、profibus等)与下层301(1)通信。它们可通过数据中心发布者-预订者协议(诸如dds)与中间层301(2)通信。它们促进子系统的松散联接性质。监控器314、316、318可被配置来从各种不同种类的子系统控制器接收数据。不同种类的子系统控制器可具有不同配置，从不同种类的传感器读取不同类型的数据，实现不同类型的命令(例如，基于子系统中的不同硬件)等。因此，监控器314、316、318可包括子系统部分，其可以可被配置来负责此类差别。
子系统控制器308、310、312和监控器314、316、318的子系统部分侧因此可提供下层301(1)的至少部分。每个子系统控制器308、310、312可分别通过监控器314、316、318将信息暴露至钻机控制系统302，并且可执行与来自其的物理子系统的操作参数相关的确定性命令。由每个子系统获得的传感器数据可具有自校准或自动校准特征，并且可包括质量指标以指示其运行状况的状态(例如，“好”或“差”)。例如，子系统控制器308、310、312可暴露用于操作这种系统的接口。这样，每个子系统的逻辑可封装，并且安全策略可在每个子系统内实现。通过这个封装，单独子系统可以“即插即用”方式更新，例如，无需其他子系统的任何修改或重新鉴定。
监控器314、316、318还可包括操作系统部分，并且因此可在下层301(1)与中间层301(2)之间形成边界。操作系统部分可与开关、协调和控制单元320(此后，“控制单元320”)通信。中间层301(2)可包括控制单元320的监视器部分。
控制单元320可与监控器314、316、318通信，并且可中继其间的通信以影响各种子系统的协调控制。此外，控制单元320可包括操作系统，其可以可操作以确保对一个子系统的修改在另一个子系统的操作中负责，如以下将更详细描述的。控制单元320还可作用为二级反馈控制器，其从监控器314、316、318获取信息并且若存在的话确定将做出什么调整以影响更高级控制操作，并且确定性地向监控器314、316、318提供此类调整。
此外，控制单元320可在各种子系统中实现安全互锁，其可作用于确保一个子系统的操作不侵犯其他子系统的安全(例如，通过调用物理子系统的非设计参数)。另外，控制单元320可包含可协调不同子系统的操作的控制器以实现控制目标，诸如协调泵(例如，在流体系统中)、顶部驱动器(例如，在钻机中央系统中)以及井流动阻流器(例如，在管理压力钻探系统中)的操作。控制单元320可进一步实现控制仲裁器，其仲裁来自各种部件的控制命令，诸如控制系统的人机接口324、过程网络306中的监控接口，或来自控制单元320内的控制器。当发生冲突时，仲裁器可决定可执行和可忽略哪个控制命令。仲裁的结果可被提供给系统中的不同部件(例如，人机接口324、监控(例如，高速控制器402)等)。钻机控制系统302可实时操作以支持不同子系统的此类协调控制。
此外，控制单元320可在中间层301(2)与上层301(3)之间形成边界。例如，控制单元320可包括可与监控器314、316、318对接的监视器部分(在中间层301(2)中)以及可例如通过控制过程桥304与过程网络306对接的过程部分(在上层301(3)中)。控制过程桥304可确认从钻机控制系统302的外侧接收的修改的标识和授权。
控制单元320，例如中间层301(2)中的监视器部分可执行软件，所述软件可确定可将什么系统变量暴露至过程网络306。此外，控制单元320可从过程网络306接收任务规划命令，并且可例如使用规则、逻辑等将这些命令转换成离散命令，以便影响由过程网络306上执行的一个或多个应用规定的设计目标。在不同行为者(监视器1、监视器2和控制单元320等)中的这个中间层中使用的通信协议可使用具有合适服务质量指标的数据中心的通信中间件以确保命令具有实时特性可靠地递送。
控制过程桥304可在过程网络306与控制单元320之间保持联络。在一个实施方案中，控制过程桥304可作用为历史机，其用于在钻机控制系统302与过程网络306之间交互。因此，控制过程桥304可在故障的情况下提供侦破数据(模拟飞机上的黑箱记录器)，其可稍后被访问并采用以故障检修等。
过程网络306可提供更复杂或高级监控应用以及数据分析和监测应用可执行的环境。此类应用可以是过程应用322的实例。过程应用322可执行任务，诸如井规划、模拟、钻探参数优化等。此类应用可与钻机控制系统302分区，如以上所述，以避免可能影响钻机控制系统302的适时操作的锁定环或其他状况。
系统300还可以包括终端或人机接口324。终端324可允许用户观察由钻机控制器系统302控制的各种子系统的传感器采集的数据。终端324还可允许通过与钻机控制系统302的交互修改子系统的某些操作参数。hmi324在某些实施方案中可形成中间层301(1)的部分，使得例如可使用控制单元320和/或监控器314、316、318中的一个或多个来针对一个或多个子系统中的安全和/或协调检查从其接收的命令。
因此，不同子系统、钻机控制系统302、桥304和/或过程网络306可包括多种不同控制器，其可实现为plc。在一些实例中，不同plc可使用不同接口操作。在一些实现方式中，这可引起总钻机控制系统中的不等显示，因为不能够维持相同“界面风格”的统一显示。在当前系统300中，由于来自每个子系统的控制数据通过监视器314、316、318暴露至钻机控制系统302，可维持链接到系统300的不同控制器的接口的均匀界面风格。这样，系统300可提供抽象接口，其可实现共享存储器和/或跨控制器和子系统的均匀时钟。此外，系统300可为每个子系统，例如钻机上的任何其他计算机系统提供单时钟，这将在以下更详细描述。
此外，这个均匀化接口可有助于将信息精确提供给不同接口。这种共享存储器系统中可用的信息的量可以是大量的，并且多于执行任何单个操作或甚至钻机子系统操作所需要的。因此，接口可强制实施基于规则的信息提供，从而基于用户被分配以执行的任务向用户提供信息，并且省略与他们的任务不相关的其他信息。接口可进一步强制实施基于事件的信息提供，从而基于操作中的事件向用户提供信息。
图4示出根据一个实施方案的图3的系统300的示意图，其进一步示出其部件之间的信息流动。如图所示，以及以上参考图3b所述，钻机控制系统302与过程网络306通信(例如，通过控制过程桥304，其未在图4中示出)。钻机控制系统302例如还通过子系统控制器308、310、312(图3)与一个或多个钻机子系统400通信。具体地，钻机控制系统302可向钻机子系统400提供确定性和/或低延时命令，并从其接收传感器数据。可在钻机控制系统302处给予传感器数据时间戳。传感器数据可局部地存储在钻机子系统400处和/或可存储在钻机控制系统302中或别处，诸如在钻机控制系统302可访问的数据库中。传感器数据还可存储在过程网络306中。
钻机控制系统302可将某些可编辑参数暴露至控制过程桥304。这在图4中示为“已暴露变量”。此外，钻机控制系统302可接收来自控制过程桥304的确定性或非确定性命令。进而，控制过程桥304可将已暴露的变量提供给过程网络306，并可从其接收命令。从过程网络306接收的命令可以是或可以不是确定性的。
例如执行过程应用322的过程网络306可具有用于高速控制402和/或低速优化分析404的功能。例如，此类高速控制402可快速地接收已暴露变量，基于其做出决定，并且提供响应命令，例如，实时或近实时。相比之下，低速优化分析404可做出更长期的决定，例如，基于模拟、条件的判读、趋势等，并且可相应地调整钻机操作。
在一个实施方案中，钻机控制系统302可具有内置式网络冗余。例如，每个子系统可暴露控制数据、与操作相关的采集数据，以及与设备的状况相关的设备运行状况监检测数据。这些数据可通过监视器314、316、318键入控制系统302。在一些实施方案中，一个物理网络可携带控制和采集数据，并且单独的物理网络可携带设备运行状况监测数据。在携带控制和采集数据的网络故障的情况下，其他网络可自动地切换以携带控制和采集数据，从而允许钻机控制系统的继续操作。
图5示出根据一个实施方案的用于控制钻机子系统的方法500。方法500可包括从钻机子系统采集传感器数据，如在502处。传感器数据可以是任何类型的传感器数据，其与任何子系统的任何类型的传感器相关。因此，此类传感器数据可包括从定位在泵系统、绞车、顶部驱动器、井下工具、管理压力钻探系统或与钻机相关联的任何其他子系统内的传感器接收的位置、温度、速度、压力、加速度、振动等。每个传感器数据可包括质量指标(例如，“好”或“差”)，所述指标基于多种不同因素分配。此外，此类传感器数据可与时间戳相关联。由于钻机的控制可由单个系统300操作(例如，参见图3b)，时间戳可在传感器测量上均匀地强制实施，这可允许传感器数据跨多个子系统中的多个传感器的相关。
方法500可包括聚集传感器数据，如在504处。此类聚集可包括例如使用时间戳组合传感器数据以提供所计算参数。更简单地，聚集的另一个实例可包括向例如与时间戳相关联的数据库提供数据，例如，从而将传感器数据保存到存储器。
方法500还可包括确定与钻机子系统相关的可暴露输入变量，如在506处。可暴露输入变量可与钻机子系统的一个或多个物理操作参数相关，但可由至少一层从其抽象化。因此，已经接收对可暴露输入变量的调整的钻机控制系统302可例如通过单元320的操作确定是否基于例如钻机子系统的操作安全实现由对可暴露输入变量的修改暗示的变化。这可防止钻机子系统非设计操作。
已经确定暴露什么，方法500可包括与过程应用共享传感器数据，如在508处。如图3和4中所示，这可通过控制过程桥304发生。
方法500还可包括响应于来自过程应用和/或来自人机接口的与可暴露输入变量相关的命令调整一个或多个钻机子系统参数，如在510处。此外，实现方法500的钻机控制系统302，例如单元320，可协调两个或更多个子系统512的控制，使得基于在510中接收的命令实现的调整不消极地影响操作安全。
图6示出根据一个实施方案的工作流600的示意图，其中传感器数据可暴露至过程应用。将理解，这仅是说明性实例，并且不被考虑为限制。相反地，工作流可以是广义的以应用到任何类型的数据、子系统、控制等。
工作流600可开始于从定位在钻机子系统中的一个或多个传感器接收传感器数据602。在具体实例中，传感器数据602然后可传输到钻机控制系统302，其中传感器数据可存储在存储器604中。在请求后，并且如果数据可暴露，钻机控制系统302可通过控制过程桥304暴露测量值606。这个测量值606然后可由过程网络306(图3)上执行的过程应用322接收。
图7示出根据一个实施方案的方法700的流程图，所述方法用于将传感器数据从钻机控制系统302传输至过程网络306。方法700可包括从钻机子系统的传感器采集传感器数据。如以上所述，这可以是来自任何钻机子系统的任何类型的传感器。方法700还可包括聚集(存储、计算次级变量等)传感器数据，如在704处。方法700还可包括通过控制过程桥304从过程应用322接收对传感器数据的请求，如在706处。钻机控制系统302然后可识别表示所请求传感器数据的一个或多个值，如在708处。如果值可暴露，钻机控制系统302可响应于请求通过控制过程桥304传输过程应用的一个或多个值，如在710处。
图8示出根据一个实施方案的工作流800，其用于在钻机控制系统302处从过程应用322和/或人机接口324接收命令。图8中的实例采用简化泵操作作为一个实例；然而，将理解，这仅是说明性的并且不被考虑为限制。相反地，这个实例可以是广义的用于与任何机器、子系统、操作参数组、存储器位置等一起使用。
工作流800可包括访问第一状态中的子系统存储器802。子系统存储器802可具有若干位置001-004，如这个简化实例中所示。每个存储器位置可存储值，其可对应于命名参数，如图所示。
可暴露变量在这个简化实例中可存储在002处，在此指示泵状态。钻机控制系统302因此可通过存储在001处的可暴露泵请求变量接收改变命令。泵请求变量在这个实例中对应于用于运行泵的请求。
钻机控制系统302然后可确定通过可暴露变量的所请求改变是否表示“安全”改变，例如，如果所请求改变实现，钻机子系统是否将在安全设计包络内操作，如在806处。如果改变请求将实现，钻机控制系统302可改变物理参数，在这个实例中，所述物理参数为存储在004处的“运行泵”变量。更新的结果可存储或另外传送到子系统存储器，从而导致其状态806，如图所示。将理解，这个工作流800可应用于具有任何合适类型变量的任何类型的子系统。
图9示出根据一个实施方案的用于安全地修改子系统的物理系统参数的方法900的流程图。方法900可包括接收表示子系统的一个或多个控制变量(操作参数)的数据，如在902处。方法900还可包括选择一个或多个变量以暴露子系统的外侧，使得已暴露变量的修改不影响子系统的安全，如在904处。此类已暴露变量可类似于以上参考图8讨论的泵请求变量实例。
方法900还可包括接收对一个或多个已暴露变量的修改，如在906处。如以上所述，对已暴露变量的修改可不对应于系统参数的变化，但可调用钻机控制系统302上的逻辑，例如，其可确定是否基于对已暴露变量的改变修改一个或多个操作参数。逻辑可例如确定响应于已修改、已暴露的变量修改子系统参数是否安全，如在908处。如果不安全(即，确定在908处是‘否’)，方法900可包括采取校正动作，如在910处。此类校正动作可包括不实现对物理参数的改变和/或指示若实现的话，所请求改变将导致不安全或在一个或多个子系统中超出设计操作条件。
如果在908处的确定是修改安全或以其他方式可实现(即，在908处‘是’确定)，方法900可进行到基于对一个或多个已暴露变量的修改来修改子系统的操作参数，如在912处。
图10示出根据一个实施方案的钻机系统1000的示意图，钻机子系统在钻机控制系统300中具有协调控制。钻机系统1000可包括多个钻机子系统1002、1004、1006。钻机子系统1002、1004、1006在这个实例中可以是泵、井下系统和阻流器(例如，作为管理压力钻探子系统的部分)。可另外或替代地采用其他子系统。
根据一个实施方案，钻机系统1000的操作可至少部分地使用例如方法1100实现，所述方法1100如图11的流程图中所示。方法1100可包括接收钻机子系统1002、1004、1006中的两个或更多个可协调操作的指示作为输入，如在1102处。方法1100还可包括接收至少部分地由两个或更多个钻机子系统控制的参数的设置点，如在1104处。
例如，如图10中所示，钻机终端应用1008可在人机接口324上执行。钻机终端应用1008可包括指示是否协调操作的选择器以及用于用户调整的已暴露变量。例如，已暴露变量可以是压力。来自钻机终端应用1008的输入可存储在与它们相关的参数相关联的数据库1010中。
为了确定如何调整子系统中的两个或更多个(例如，阻流器1006和泵1002)以影响输入变量中的所需变化，方法1100可包括确定用于单独钻机系统的一个或多个参数的当前值，如在1106处。方法1100然后可对可倾向于影响寻求变化的参数的一个或多个变化前向建模，以便确定允许系统300达到或接近所需参数变化的两个或更多个钻机系统中的变化。一旦此类变化被建模，方法1100可进行到调整两个或更多个钻机子系统中的至少一个的参数的至少一个以达到设置点，如在1110处。
图12示出根据一个实施方案的系统1200的示意图，其在钻机子系统控制器308、310、312之间包括访问控制。在一个实施方案中，系统1200可包括防火墙1202、1204、1206、1208。
根据一个实施方案，系统1200可根据方法1300的一个实施方案操作，所述方法1300如图13的流程图中所示。方法1300可包括从第一子系统接收对来自第二子系统的数据的请求，如在1302处。在1302处接收的请求可在防火墙1202、1204、1206的至少一个处接收。防火墙1202、1204、1206可各自由单独硬件或由在系统1200的任何部件中实现的软件提供。
防火墙1202、1204、1206然后可确定请求(“第一”)子系统是否被允许访问所请求数据，如在1304处。例如，可采用承包商以修复、维护或操作一个子系统的部分，例如，子系统400a。然而，修复一个子系统控制器308、310、312可需要或可不需要关于另一个子系统控制器308、310、312的操作的信息。因此，防火墙1202、1204、1206可管理子系统控制系统308、310、312中的信息的可访问性，例如，使用资格证明或其他访问管理装置。
如果1304处的确定是数据不应被访问，方法1300可移动到阻塞请求1306。另外，方法1300可将来自防火墙1202、1204、1206的请求传输到钻机控制系统302，例如，到单元320和/或到适当监控器。
在一些实施方案中，本公开的方法可由计算系统执行。图14示出根据一些实施方案的这种计算系统1400的实例。计算系统1400可包括计算机或计算机系统1401a，其可以是单独计算机系统1401a或分布式计算机系统的布置。计算机系统1401a包括一个或多个分析模块1402，其被配置来根据一些实施方案，诸如本文公开的一个或多个方法执行各种任务。为了执行这些各种任务，分析模块1402单独或与一个或多个处理器1404协调执行，所述一个或多个处理器1404连接到一个或多个存储介质1406。处理器1404还连接到网络接口1407以允许计算机系统1401a通过数据网络1409与一个或多个另外计算机系统和/或计算系统通信，诸如1401b、1401c和/或1401d(注意，计算机系统1401b、1401c和/或1401d可或不可与计算机系统1401a共享相同体系结构，并且可位于不同物理位置中，例如，计算机系统1401a和1401b可位于处理设施中，同时与一个或多个计算机系统通信，诸如位于一个或多个数据中心中和/或位于不同大陆的不同国家中的1401c和/或1401d)。
处理器可包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程集成电路、可编程门阵列或另一个控制或计算装置。
存储介质1406可实现为一个或多个计算机可读或机器可读存储介质。应注意，尽管在图14的示例实施方案中存储介质1406描绘为在计算机系统1401a中，但在一些实施方案中，存储介质1406可分布在计算系统1401a和/或另外计算系统的多个内部和/或外部外壳内和/或跨所述多个外壳。存储介质1406可包括一个或多个不同形式的存储器，包括半导体存储器装置，诸如动态或静态随机存取存储器(dram或sram)、可擦可编程只读存储器(eprom)、电可擦可编程只读存储器(eeprom)和闪存；磁盘，诸如固定圆盘、软盘和可换磁盘；其他磁介质，包括磁带；光介质，诸如光盘(cd)或数字视频光盘(dvd)、
在一些实施方案中，计算系统1400包括一个或多个钻机控制模块1408。在计算系统1400的实例中，计算系统1401a包括钻机控制模块1408。在一些实施方案中，单个钻机控制模块可用于执行本文所公开方法的一个或多个实施方案的一些或所有方面。在替代实施方案中，多个钻机控制模块可用于执行本文的方法的一些或所有方面。
应理解，计算系统1400仅是计算系统给的一个实例，并且计算系统1400可比所示具有更多或更少的部件，可结合图14的示例实施方案中未描绘的另外部件，和/或计算系统1400可具有图14中描绘的部件的不同配置或布置。图14中所示的各种部件可在硬件、软件或硬件和软件两者的组合中实现，包括一个或多个信号处理和/或应用专用集成电路。
此外，本文所述的过程方法中的步骤可通过运行信息处理装置，诸如通用处理器或专用芯片(诸如asic、fpga、pld或其他适当装置)中的一个或多个功能模块实现。这些模块、这些模块的组合和/或它们与通用硬件的组合全部包括在本发明的保护范围内。
为了说明的目的，已经参考特定实施例描述了上述描述。然而，以上说明性论述无意为详尽的，或者将本发明限于所公开的精确形式。根据以上教示，许多修改和变化都是可能的。此外，示出和描述本文描述的方法的元素的顺序可重新排列，和/或两个或更多个元素可同时发生。选择并且描述实施方案是为了解释本公开的原理和它们的实际应用的至少一些，从而使本领域其他技术人员能够利用所公开的方法和系统以及具有适合于所涵盖特定用途的各种修改的各种实施方案。
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