基于BS架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统.pdf

本发明公开了一种基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统，包括终端环形通讯网络NET1、下位环形通讯网络NET2和下位冗余环形通讯网络NET3；服务器一和服务器二一端口挂接在NET1网络的交换机ST1上，二端口挂接在NET1网络的交换机ST2上；三端口对应挂接在NET2环网的交换机SW1和SW2上；四端口对应挂接在NET3环网的交换机SP1和SP2上；Web服务器和历史数据服务器一端对应挂接在NET1网络的交换机ST1上，另一端挂接在NET1网络的交换机ST2上。本发明装置，搭建了自动化、智能化、网络化的平台，实现了钻井多个系统的集成管理、监测、控制和自动保护。

1.  一种基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统，其特征在于： 包括终端环形通讯网络NET1、下位环形通讯网络NET2和下位冗余环形通 讯网络NET3，以下分别简称为NET1网络、NET2环网和NET3环网，其中 的NET1网络称为上位机系统，NET3环网和NET2环网一起称为下位机系 统；
NET1网络包括交换机ST1和ST2；NET2环网包括交换机SN2、SN4、 SW1、SW2……SWn；NET3环网包括交换机SN1、SN3、SP1、SP2……SPn；
还包括服务器一(1)和服务器二(2)，服务器一(1)和服务器二(2) 分别通过信号通讯线路T1a和T1b挂接在NET1网络的交换机ST1上，同时， 服务器一(1)和服务器二(2)分别通过信号通讯线路T2a和T2b挂接在 NET1网络的交换机ST2上；服务器一(1)和服务器二(2)分别通过信号 通讯线路W1a和W2a对应挂接在NET2环网的交换机SW1和SW2上；服 务器一(1)和服务器二(2)分别通过信号通讯线路P1a和P2a对应挂接在 NET3环网的交换机SP1和SP2上；
还包括Web服务器(5)和历史数据服务器(6)，Web服务器(5)和 历史数据服务器(6)分别通过信号通讯线路T1e和T1f对应挂接在NET1 网络的交换机ST1上，Web服务器(5)和历史数据服务器(6)分别通过信 号通讯线路T2e和T2f对应挂接在NET1网络的交换机ST2上。

2.  根据权利要求1所述的基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制 系统，其特征在于：还包括工程师站一(3)和工程师站二(4)，工程师站 一(3)和工程师站二(4)分别通过信号通讯线路T1c和T1d对应挂接在 NET1网络的交换机ST1上，工程师站一(3)和工程师站二(4)分别通过 信号通讯线路T2c和T2d对应挂接在NET1网络的交换机ST2上；工程师站 一(3)和工程师站二(4)分别通过信号通讯线路W1b和W2b对应挂接在 NET2环网的交换机SW1和SW2上；工程师站一(3)和工程师站二(4) 分别通过信号通讯线路P1b和P2b对应挂接在NET3环网的交换机SP1和 SP2上。

3.  根据权利要求1所述的基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制 系统，其特征在于：还包括操作员站一(7)和操作员站二(8)，操作员站 一(7)和操作员站二(8)分别通过信号通讯线路T1g和T1h对应挂接在 NET1网络的交换机ST1上，操作员站一(7)和操作员站二(8)分别通过 信号通讯线路T2g和T2h对应挂接在NET1网络的交换机ST2上。

4.  根据权利要求1所述的基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制 系统，其特征在于：还包括采用触摸式人机界面结构的显示终端一(9)、显 示终端二(10)、显示终端三(11)、显示终端四(12)，显示终端一(9)和 显示终端二(10)分别通过信号通讯线路T1i和T1j对应挂接在NET1网络 的交换机ST1上；显示终端三(11)和显示终端四(12)分别通过通过信号 通讯线路T2i和T2j对应挂接在NET1网络的交换机ST2上。

5.  根据权利要求1所述的基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制 系统，其特征在于：还包括现场控制站一(13)、现场控制站二(14)、现场 控制站三(15)、现场冗余控制站一(16)及现场控制站N(17)，现场控 制站一(13)、现场控制站二(14)、现场控制站三(15)及现场控制站N(17) 分别通过信号通讯线路P3、P4、P5、Pn对应挂接在NET3环网的交换机SP3、 SP4、SP5、SPn上，现场控制站一(13)、现场控制站二(14)、现场控制站 三(15)及现场控制站N(17)分别通过信号通讯线路W3、W4、W5、Wn 对应挂接在NET2环网的交换机SW3、SW4、SW5、SWn上；现场冗余控 制站一(16)分别通过信号通讯线路P6和P7对应挂接在NET3环网的交换 机SP6和SP7上，现场冗余控制站一(16)分别通过信号通讯线路W6和 W7对应挂接在NET2环网的交换机SW6和SW7上。

基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统
技术领域
本发明属于石油工业自动化控制技术领域，涉及一种基于B-S架构多环 网冗余嵌套的钻机集成控制系统。
背景技术
钻机是油气勘探开发各大机械设备中最大、最主要的设备，钻机的钻探 水平决定着石油开发的能力，随着石油工业的发展，对钻机的自动化和智能 化提出了更高的要求，作业效率、人员安全和节能环保成为了当今的主题， 未来钻井还将朝着远程化、无人化方向发展。
目前国内大部分钻机设备控制系统比较落后，自动化、智能化程度低， 使得人员配置多，劳动强度很大，作业效率比较低，人员作业安全未完全得 到保障、在环保方面有待改进。
虽然国外钻井已经进入智能钻井阶段，大部分实现了钻机的自动化、智 能化，但是其采购成本高，维护使用要求高，在系统的响应速度、系统的控 制策略优化、系统的冗余配置、系统的容错能力、设备的无故障工作时间等 方面还有存在很多的不足，急需进行改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控 制系统，解决了现有技术中的智能钻机在系统的响应速度、系统的控制策略 优化、系统的冗余配置、系统的容错能力、设备的无故障工作时间还不能满 足实际需要的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机 集成控制系统，包括终端环形通讯网络NET1、下位环形通讯网络NET2和 下位冗余环形通讯网络NET3，以下分别简称为NET1网络、NET2环网和 NET3环网，其中的NET1网络称为上位机系统，NET3环网和NET2环网一 起称为下位机系统；
NET1网络包括交换机ST1和ST2；NET2环网包括交换机SN2、SN4、 SW1、SW2……SWn；NET3环网包括交换机SN1、SN3、SP1、SP2……SPn；
还包括服务器一和服务器二，服务器一和服务器二分别通过信号通讯线 路T1a和T1b挂接在NET1网络的交换机ST1上，同时，服务器一和服务器 二分别通过信号通讯线路T2a和T2b挂接在NET1网络的交换机ST2上；服 务器一和服务器二分别通过信号通讯线路W1a和W2a对应挂接在NET2环 网的交换机SW1和SW2上；服务器一和服务器二分别通过信号通讯线路 P1a和P2a对应挂接在NET3环网的交换机SP1和SP2上；
还包括Web服务器和历史数据服务器，Web服务器和历史数据服务器 分别通过信号通讯线路T1e和T1f对应挂接在NET1网络的交换机ST1上， Web服务器和历史数据服务器分别通过信号通讯线路T2e和T2f对应挂接在 NET1网络的交换机ST2上。
本发明的基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统，其特征还 在于：
还包括工程师站一和工程师站二，工程师站一和工程师站二分别通过信 号通讯线路T1c和T1d对应挂接在NET1网络的交换机ST1上，工程师站一 和工程师站二分别通过信号通讯线路T2c和T2d对应挂接在NET1网络的交 换机ST2上；工程师站一和工程师站二分别通过信号通讯线路W1b和W2b 对应挂接在NET2环网的交换机SW1和SW2上；工程师站一和工程师站二 分别通过信号通讯线路P1b和P2b对应挂接在NET3环网的交换机SP1和 SP2上。
还包括操作员站一和操作员站二，操作员站一和操作员站二分别通过信 号通讯线路T1g和T1h对应挂接在NET1网络的交换机ST1上，操作员站 一和操作员站二分别通过信号通讯线路T2g和T2h对应挂接在NET1网络的 交换机ST2上。
还包括采用触摸式人机界面结构的显示终端一、显示终端二、显示终端 三、显示终端四，显示终端一和显示终端二分别通过信号通讯线路T1i和T1j 对应挂接在NET1网络的交换机ST1上；显示终端三和显示终端四分别通过 通过信号通讯线路T2i和T2j对应挂接在NET1网络的交换机ST2上。
还包括现场控制站一、现场控制站二、现场控制站三、现场冗余控制站 一及现场控制站N，现场控制站一、现场控制站二、现场控制站三及现场控 制站N分别通过信号通讯线路P3、P4、P5、Pn对应挂接在NET3环网的交 换机SP3、SP4、SP5、SPn上，现场控制站一、现场控制站二、现场控制站 三及现场控制站N分别通过信号通讯线路W3、W4、W5、Wn对应挂接在 NET2环网的交换机SW3、SW4、SW5、SWn上；现场冗余控制站一分别通 过信号通讯线路P6和P7对应挂接在NET3环网的交换机SP6和SP7上，现 场冗余控制站一分别通过信号通讯线路W6和W7对应挂接在NET2环网的 交换机SW6和SW7上。
本发明的有益效果是，基于B-S架构多环网冗余嵌套方式，为智能化钻 井系统搭建了自动化、智能化、网络化的平台，实现了钻井多个系统的集成 管理，集监测、控制、自动保护与一体，实现了各个子设备之间的协调运行 和作业；并支持钻井系统的远程管理和发布，通过构建多个环网实现了各个 子环内设备信息、指令的收发和管理，通过环网耦合实现了多个环网的信息 共享和协调，通过环网和冗余嵌套来提高系统的稳定性、可靠性和冗余容错 能力，能确保设备的不间断作业，即使系统内多个设备和多条通讯网络故障 仍可以保证控制系统运行，完成相关的作业。
附图说明
图1是本发明钻机集成控制系统的结构示意图；
图2是本发明钻机集成控制系统的网络拓扑图。
图中，1.服务器一，2.服务器二，3.工程师站一，4.工程师站二，5.Web 服务器，6.历史数据服务器，7.操作员站一，8.操作员站二，9.显示终端一， 10.显示终端二，11.显示终端三，12.显示终端四，13.现场控制站一，14.现场 控制站二，15.现场控制站三，16.现场冗余控制站一，17.现场控制站N。
另外，NET1表示终端环形通讯网络；
NET2表示下位环形通讯网络；
NET3表示下位冗余环形通讯网络；
SW1、SW2……SWn分别表示多端口的光纤以太网交换机；
SP1、SP2……SPn分别表示冗余环网用多端口的光纤以太网交换机；
SN1、SN2、SN3、SN4分别表示环网耦合用多端口的光纤以太网交换 机；
ST1、ST2分别表示终端环网用多端口的光纤以太网交换机；
W1a、W1b、W2a、W2b分别表示服务器和工程师站挂接到环网NET2 上的通讯网络；
W3、W4……Wn分别表示现场各个控制站挂接到环网NET2上的数据 通讯网络；
P1a、P1b、P2a、P2b分别表示服务器和工程师站挂接到环网NET3上 的通讯网络；
P3、P4……Pn分别表示现场各个控制站挂接到环网NET3上的数据通 讯网络；
N1、N2分别表示下位的NET2环网和NET3环网的环网耦合通讯网络；
T1a、T1b、T1c……T1j分别表示各类服务器、工作站、操作员站及人 机界面等与终端环网中ST1交换机的数据通讯网路；
T2a、T2b、T2c……T2j分别表示上位服务器、操作员站及人机界面等 与终端环网中冗余交换机ST2的数据通讯网路。
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，本发明集成控制系统的结构是，包括终端环形通讯网络NET1、 下位环形通讯网络NET2和下位冗余环形通讯网络NET3，以下分别简称为 NET1网络、NET2环网和NET3环网，其中的NET1网络称为上位机系统， NET3环网和NET2环网一起称为下位机系统；
NET1网络包括交换机ST1和ST2，交换机ST1和ST2相互互连(并行 连接)；NET2环网包括交换机SN2、SN4、SW1、SW2……SWn，交换机 SN2、SN4、SW1、SW2……SWn依次互连(并行连接)；NET3环网包括依 次互连的交换机SN1、SN3、SP1、SP2……SPn，交换机SN1、SN3、SP1、 SP2……SPn依次互连(并行连接)；
集成控制系统还包括服务器一1和服务器二2，服务器一1和服务器二 2是上位机系统和下位机系统连接的纽带，服务器一1和服务器二2分别通 过信号通讯线路T1a和T1b挂接在NET1网络的交换机ST1上，同时，服务 器一1和服务器二2分别通过信号通讯线路T2a和T2b挂接在NET1网络的 交换机ST2上；服务器一1和服务器二2分别通过信号通讯线路W1a和W2a 对应挂接在NET2环网的交换机SW1和SW2上；服务器一1和服务器二2 分别通过信号通讯线路P1a和P2a对应挂接在NET3环网的交换机SP1和 SP2上；
集成控制系统还包括工程师站一3和工程师站二4，工程师站一3和工 程师站二4分别通过信号通讯线路T1c和T1d对应挂接在NET1网络的交换 机ST1上，工程师站一3和工程师站二4分别通过信号通讯线路T2c和T2d 对应挂接在NET1网络的交换机ST2上；工程师站一3和工程师站二4分别 通过信号通讯线路W1b和W2b对应挂接在NET2环网的交换机SW1和SW2 上；工程师站一3和工程师站二4分别通过信号通讯线路P1b和P2b对应挂 接在NET3环网的交换机SP1和SP2上；
集成控制系统还包括Web服务器5和历史数据服务器6，Web服务器5 和历史数据服务器6分别通过信号通讯线路T1e和T1f对应挂接在NET1网 络的交换机ST1上，Web服务器5和历史数据服务器6分别通过信号通讯线 路T2e和T2f对应挂接在NET1网络的交换机ST2上；
集成控制系统还包括操作员站一7和操作员站二8(该两个站根据需要 可以并行运行，同时具备互为备用功能)，操作员站一7和操作员站二8分 别通过信号通讯线路T1g和T1h对应挂接在NET1网络的交换机ST1上， 操作员站一7和操作员站二8分别通过信号通讯线路T2g和T2h对应挂接在 NET1网络的交换机ST2上；
集成控制系统还包括采用触摸式人机界面结构的显示终端一9、显示终 端二10、显示终端三11、显示终端四12，显示终端一9和显示终端二10 分别通过信号通讯线路T1i和T1j对应挂接在NET1网络的交换机ST1上； 显示终端三11和显示终端四12分别通过通过信号通讯线路T2i和T2j对应 挂接在NET1网络的交换机ST2上；
集成控制系统还包括现场控制站一13、现场控制站二14、现场控制站 三15、现场冗余控制站一16及现场控制站N 17，现场控制站一13、现场控 制站二14、现场控制站三15及现场控制站N17分别通过信号通讯线路P3、 P4、P5、Pn对应挂接在NET3环网的交换机SP3、SP4、SP5、SPn上，现 场控制站一13、现场控制站二14、现场控制站三15及现场控制站N17分别 通过信号通讯线路W3、W4、W5、Wn对应挂接在NET2环网的交换机SW3、 SW4、SW5、SWn上；现场冗余控制站一16分别通过信号通讯线路P6和 P7对应挂接在NET3环网的交换机SP6和SP7上，现场冗余控制站一16分 别通过信号通讯线路W6和W7对应挂接在NET2环网的交换机SW6和SW7 上。
本发明通过以上各个部件的连接组网，即构成了基于B-S架构多环网冗 余嵌套的钻机集成控制系统。在实际应用中，根据需求现场控制站的数量可 以扩展，能够依据实际需求增减现场控制站的数量，现场冗余控制站的数量 可以配置多个。
参照图2，集成控制系统实施例的组成是，包括服务器一1，服务器二2， 工程师站一3，工程师站二4，Web服务器5，历史数据服务器6，操作员站 一7，操作员站二8，显示终端一9，显示终端二10，显示终端三11，显示 终端四12，现场控制站一13，现场控制站二14，现场控制站三15，现场冗 余控制站一16，现场控制站N 17，NET1网络，NET2环网，NET3环网， 多端口的光纤以太网交换机(SW1、SW2……SWn，SP1、SP2……SPn，SN1、 SN2、SN3、SN4，及ST1、ST2)，以及多个单元通讯线路组成，以下对各 个部分构成和功用分别阐述。
服务器一1和服务器二2对应图2中的SVR01和SVR02，SVR01和 SVR02是本集成控制系统的核心部件，对上与上位机系统连接，对下与下位 机系统连接，是整个系统的连接纽带，实现上下位系统之间的通讯、数据管 理和协调控制。服务器一1，服务器二2两者配置相同，互为备用，两个服 务器的数据信息相互备份，正常工作时，其中一台服务器工作，另一台处于 热备状态，实时备份工作服务器的数据，当工作服务器出现故障，系统通过 控制程序自动切换到热备状态服务器，接管完成各项数据管理和通讯任务， 每个服务器上配备了多个以太网通讯网卡，以便实现挂接到NET1网络、 NET2环网和NET3环网上。
工程师站一3和工程师站二4对应图2中的ES01和ES02，ES01和ES02 用于监测、管理和维护服务器一1和服务器二2，对上可以完成与NET1网 络的通讯，对下可以完成与NET2环网和NET3环网的通讯。工程师站一3 和工程师站二4对配置没有太高的要求，在构建集成控制系统时可以根据需 要增加工程师站的数量或者选择不配备，均不会影响系统的成套和使用。
Web服务器5对应图2中的WEB01，WEB01是网络服务器，是实现系 统B-S架构的重要组成部分，在这种结构下，用户界面完全通过WWW浏 览器实现，一部分事务逻辑在前端实现，主要事务逻辑在服务器端实现；浏 览器通过Web Server同数据库进行数据交互，实现钻井系统的远程管理和 发布。
历史数据服务器6对应图2中的HP01，HP01是历史数据服务器，用于 整套集成控制系统的历史数据管理，便于系统的历史数据回放和查询。
操作员站一7和操作员站二8对应图2中的CLT01和CLT02，CLT01 和CLT02主要用于监测、管理和维护Web服务器5和历史数据服务器6， 完成与NET1网络的通讯，操作员站一7和操作员站二8对配置没有太高的 要求，在构建集成控制系统时可以根据需要增加操作员站的数量或者选择不 配备，均不会影响系统的成套和使用。
显示终端一9、显示终端二10、显示终端三11、显示终端四12分别对 应图2中的HMI1、HMI2、HMI3、HMI4，其中的HMI1、HMI2对应挂接 在交换机ST1上，HMI3、HMI4对应挂接在交换机ST2上。作为带触摸功 能的监测和维护终端可以实现对Web服务器5和历史数据服务器6管理和 显示。
现场控制站一13、现场控制站二14、现场控制站三15、现场冗余控制 站一16及现场控制站N17分别对应图2中的Station 1、Station 2、Station 3、 Redundant 1……Station n，Station 1、Station 2、Station 3、Redundant 1…… Station n为现场各个设备对应的控制站，用于运行各个单元设备控制逻辑、 互锁保护等程序，实现对各个单元设备的智能管理。由于每个设备采用独立 的控制站监控，能够很容易的实现在环网上的挂接和移除，使得系统集成更 灵活、方便。其中现场冗余控制站一16本身就是一个带冗余功能的控制站， 一用一热备，用于系统中的关键设备的监测和控制。本发明系统以配备了多 个控制站示例说明集成控制系统，在实际使用中能够扩展至五十多个站点， 构建更大的控制网络。
NET1网络由交换机ST1、ST2组建，本冗余环网实现了上位机系统终 端的通讯，其中任何一个交换机故障或环网中的任何一处通讯线路断开，均 不影响上位机与下位机的通讯，能够保障整个集成系统的正常不间断作业， 从而大大的提高了系统的稳定性和可靠性。
NET2环网和NET3环网为下位机系统的环形通讯网络，其中任何一个 环网中的交换机故障或任何一个环网中的任何一处通讯线路断开，均不影响 上位机与下位机的通讯，能够保障整个集成系统的正常不间断作业，NET2 环网和NET3环网还形成了多环网冗余嵌套，从而能很好的保障现场级的控 制站的实时在线可靠作业。
冗余环网用多端口的光纤以太网交换机SP1、SP2……SPn与多端口的 光纤以太网交换机SW1、SW2……SWn对应选型一致，互为备用，通过环 网耦合用多端口的光纤以太网交换机SN1、SN2、SN3、SN4实现了两个环 网的冗余嵌套通讯，正常通讯作业时SN1和SN2交换机和之间的通讯线缆 实现了两个环网的通讯，SN3和SN4交换机和之间的通讯线缆搭建的网络 作为热备，实现冗余功能，通过编写相应的控制程序即可实现两个环网的冗 余耦合，实现了多环网的冗余嵌套。
综上所述，本发明基于B-S架构多环网冗余嵌套的钻机集成控制系统， 采用ETHERNET通讯的方式实现各个单元之间的通讯，保证了足够的带宽 和信号的传输速率；通过多环网的冗余嵌套技术，保证了其中个别设备故障 或通讯中断不影响系统正常运行；通过构建多个环网，实现了各个子环内设 备信息、指令的收发和管理；通过环网耦合实现了多个环网的协调通讯；通 过服务器冗余配置、环网和冗余嵌套来提高系统的稳定性、可靠性和冗余容 错能力，为智能化钻井系统搭建了自动化、智能化、网络化的平台，实现了 钻井多个系统的集成管理、监测、控制和自动保护。
本发明采用ETHERNET通讯的方式实现各个单元之间的高速通讯，通 过构建多个环网实现了各个子环内设备信息、指令的收发和管理，通过环网 耦合实现了多个环网的协调，通过多环网的冗余嵌套技术，保证了其中个别 设备故障或通讯中断不影响系统正常运行提高系统的稳定性、可靠性和冗余 容错能力，为智能化钻井系统搭建了自动化、智能化、网络化的平台，实现 了钻井多个系统的集成管理、监测、控制和自动保护。