SY/T 7860-2025 石油天然气钻采设备 钻机集成控制系统技术指南

ICS 75.180.10 CCS E 92

中华人民共和国石油天然气行业标准

SY/T 7860—2025

石油天然气钻采设备

钻机集成控制系统技术指南

Petroleum drilling and production equipment—

Integration control system technical guidelines of drilling rig

2025-12-18发布 2026—06-18实施

国家能源局发布

目次

前言 Ⅱ

1 范围 1

2 规范性引用文件 1

3 术语和定义 1

4 总则 2

4.1 实时性 2

4.2 稳定性 2

4.3 可靠性 2

4.4 安全性 2

4.5 可追溯性 2

5 系统组成 2

6 系统需考虑的因素 2

6.1 电源模块 2

6.2 通信模块 3

6.3 数据采集与执行模块 6

6.4 核心管理模块 7

7 系统基本功能 9

7.1 远端集中控制功能 9

7.2 协同联动管理功能 10

7.3 安全管控功能 10

7.4 数据管理与共享功能 12

7.5 故障诊断与处理功能 12

7.6 操作权限管理功能 13

7.7 电控器件防护功能 13

8 测试验证 13

8.1 概述 13

8.2 断电验证 13

8.3 急停验证 14

8.4 通信验证 14

8.5 操作与显示验证 14

8.6 互锁验证 14

8.7 防碰验证 14

I

前言

本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由全国石油钻采设备和工具标准化技术委员会(SAC/TC 96) 提出并归口。

本文件起草单位：宝鸡石油机械有限责任公司、西南石油大学、中油国家油气钻井装备工程技术研究中心有限公司、中石化四机石油机械有限公司、中国石油集团西部钻探工程有限公司、长城钻探工程有限公司。

本文件主要起草人：夏辉、杨双业、周天明、曹晓宇、张鑫、严小妮、梁海波、陈健、王小权、

秦羿涵、邹涛、蒋建华。

Ⅱ

1 范围

本文件提供了设计与制造油气勘探开发用钻机集成控制系统的指导与建议，给出了系统基本功能及电源模块、通信模块、数据采集与执行模块、核心管理模块需考虑的信息。

本文件适用于油气勘探开发用钻机司钻电气集成控制系统的设计与验证。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。

GB/T 3836.1 爆炸性环境第1部分：设备通用要求

GB/T 4205 人机界面标志标识的基本和安全规则操作规则

GB/T 4208 外壳防护等级(IP代码)

GB/T 21560.3 低压直流电源第3部分：电磁兼容性(EMC)

GB/T 33009.1 工业自动化和控制系统网络安全集散控制系统(DCS) 第1部分：防护要求 SY/T 6671 石油设施电气设备场所I 级0区、1区和2区的分类推荐作法

IEC 61000-4-2 电磁兼容( EMC) 第4-2部分：试验和测量技术静电放电抗扰度试验 (Electromagnetic compatibility(EMC)—Part 4-2:Testing and measurement techniques—Electrostatic discharge immunity test)

3 术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

集成控制系统 integration control system

汇聚钻机多个设备或系统的数据信息与控制功能，集中各操作指令端口与状态信息监测端口，统一进行操作、协调、分析、管理的软件和硬件集合。

3.2

设备控制单元 device control unit

与其他控制实体相连，具备特定作业功能，能独立完成逻辑控制、功能执行、状态信息采集的控制实体。

3.3

协同联动 synergetic linkage

两个或两个以上的单元设备或独立系统在同一个控制系统的控制下，协调一致地实现某特定目标的控制过程。

4 总则

4.1 实时性

集成控制系统在规定时间内及时响应、处理远端集中操作、安全管控等与钻机设备操控直接相关的控制功能，无超过预设时限的网络堵塞或计算卡顿等延迟问题。

4.2 稳定性

集成控制系统在输入信息相同的状态下，处理后的结果保持一致，无操作指令、设备配置参数突变等非预期异变。

4.3 可靠性

集成控制系统在规定的条件下具备长期正常执行系统内各项控制功能，无卡死、重启、停机等故障。

4.4 安全性

设备检修、维修工况下，集成控制系统可通过设备控制锁定、切断设备供电等方式，强制令设备维持当前状态，确保人员安全、设备安全。异常工况下，集成控制系统通过中断、干预、调整等手段改变设备控制策略、纠正错误操作指令。

4.5 可追溯性

集成控制系统对操作指令、设备运行状态等钻机历史数据进行存储，并以视频、数据等方式还原特定时间段内钻机的历史数据。

5 系统组成

钻机集成控制系统主要由电源模块、通信模块、数据采集与执行模块、核心管理模块组成，如图1所示。各功能模块间相互配合，共同完成钻机集成控制系统基本功能与其他自动化、智能化功能。通信模块、数据采集与执行模块、核心管理模块彼此间实时通信，传递钻机控制所需要的信息。

6 系统需考虑的因素

6.1 电源模块

6.1.1 描述

电源模块是连接井场供电与集成控制系统，实现外部供电与内部各模块、器件、转接接口间的电源隔离、转换与管理的硬件集合。GB/T 3836.1和SY/T 6671规定了防爆区域的硬件要求，GB/T 21560.3规定了电磁兼容性要求，IEC61000-4-2 规定了静电放电特性要求，宜按规定执行。

2

各设备控制单元/其他系统

通信模块

核心管理模块

操控与协调

急停管理

供电-

数据分析数据服务

人机交互

→ 其他系统操作员

数据采集与执行模块

其他设备/系统执行机构传感器

电源 模块

图 1 钻机集成控制系统结构图

6.1.2 电源容量

电源模块的电源容量由集成控制系统内部各用电器件与设备、依赖于集成控制系统供电的各外部器件与设备的用电总量、使用系数、安全系数、可扩展系数共同确定。

6.1.3 电源分类

电源模块根据输出端所连装置、模块、器件的不同，可将供电分为弱电与强电两类。弱电宜使用24V 直流供电，强电宜使用220V 或380V交流供电。集成控制系统核心管理模块采用弱电供电， 其余模块及器件可由强电供电。弱电回路与强电回路相互独立。

弱电回路宜增配应急电源，应急电源由不间断电源( UPS) 等储能装置及管理设备组成，可对弱电回路所辖器件、模块等进行应急供电，避免或减少因非预期断电而造成的损失。应急电源的切换用时与供电时长宜根据所辖器件、模块不间断工作要求，正常关闭所需时长进行选择。

6.1.4 电制转换

根据弱电所辖器件的供电要求，对强电进行交直流转换、电压转换。电制转换所使用的器件宜选用宽压输入型，控制器及操作台宜采用24V直流供电。

6.1.5 过流保护

宜在电制转换器件的输出端、各分支回路的起始端设置断路器、熔断器等具有过流保护功能的装置，避免因电流过大而造成短路、电气火灾等问题。

6.2 通信模块

6.2.1 概述

钻机通信模块用于不同物理网络和设备之间的数据通信，是各设备控制单元、系统、平台等与集

成控制系统数据交互的接口。钻机通信模块管理整个钻机通信网络内各设备控制单元的实时数据流， 并向钻机通信网络以外的其他钻井系统、平台提供数据共享服务。相较于数据共享服务，实时数据流宜具有更高传输优先级，以确保钻机集成控制系统的实时性。

6.2.2 通信方式

通信方式是用于表述不同设备控制单元、传感检测器件与集成控制系统间数据传输的物理媒介。 常见的通信方式包括电缆通信、光纤通信、无线通信三种。

a) 电缆通信：作为钻机现场常规通信方式，多用于距离较近的各设备控制单元与集成控制系统间的数据传输。使用电缆通信时，需重点考虑传输距离及周边电磁干扰情况，传输长度大于

80m 时，宜使用中继器或更换为光纤通信;电缆布线时宜远离动力电缆、电机等电磁干扰源。

b) 光纤通信：常用于钻机司钻房至电控房、顶驱至电控房等远距离传输工况，传输距离大于 550m 时，宜使用中继器。

c) 无线通信：通过无线方式进行数据传输。对有高实时、高可靠数据交互要求的通信场合，需充分考虑电磁干扰、传输距离、通信延时、数据丢失等问题。

6.2.3 网络划分

依据网络功能的不同，通信模块所辖网络可分为内部网络、外部网络、专用网络。

a) 内部网络：由通信模块、各现场设备控制单元等直接参与钻机设备管控的节点共同组建的数据链路。内部网络以通信模块为中枢，承担内部网路的管理功能。内部网络宜与专用网络、 外部网络隔离。

b) 外部网络：承载互联网及其他企业、部门等接入与服务功能的交互网络。通信模块不宜与外部网络连接。特殊情况下，通信模块与外部网络联通时，宜同时采用物理隔离与软件逻辑隔离，确保通信模块内部网络、外部网络的强隔离。

c) 专用网络：承载控制分析、统计等与现场设备操控、管理间接相关系统的交互网络。专用网路具有明显的业务属性与封闭属性。通信模块仅作为专用网络的一个接入节点，提供现场级数据支持、接收建议决策等信息。

6.2.4 网络架构

网络架构的选择需考虑钻机各设备控制单元的分布情况、控制系统复杂度及网络稳定性要求。常用网络架构包括星形网络、环型网络、复合型网络。

a) 星型网络：以钻机集成控制系统为中枢，与各设备控制单元、外部系统等网络节点相连。星型网络可在不影响其他网络节点的情况下，快速增加新网络节点或删除已有网络节点。星型网络适用于设备控制单元相对集中的钻机。

b) 环型网络：钻机集成控制系统、各设备控制单元作为网络节点，沿环型路线依次相连，构成一个封闭的环型。环型网络中，各网络节点均具有数据包转发能力，整个网络可延伸至更远的距离;任意一个节点均具有两个数据传输链路，任意网络节点故障，不会影响其他网络节点的正常通信。设备控制单元相对分散，对网络可靠性与稳定性有一定要求的场合，宜使用环型网络。

c) 复合型网络：将各设备控制单元以星型网络拓扑方式连接至环型主网络。复合型网络宜用于通信安全高、设备控制单元多的钻机。

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6.2.5 网络安全

通过必要的软、硬件措施，防范非授权端对网络的攻击、侵入、干扰或非法使用，使网络处于稳定、可靠的运行状态，以保障网络数据的完整性、保密性、可用性。网络安全设备与专用产品选型、 边界安全、身份认证是确保网络安全的重要因素。

a ) 网络安全设备与专用产品选型：承担网络安全管理功能的关键设备与专用产品宜选用符合国家标准，由具备资格的机构安全认证合格或安全监测符合要求的产品。网络安全设备与专用产品宜具有记录网络运行状态和事件的功能，记录事件以大于6个月为宜。

b) 边界安全：明确界定集成控制系统内部网络、内部网络下不同系统间的网络边界，采取边界防护措施进行安全防护。集成控制系统内部网络中管柱自动化系统、提升旋转系统、固控系统等作业系统宜按GB/T 33009.1规定的网络安全要求分配不同的网段地址，便于系统间的分区管理与隔离。内部网络与专用网络间宜根据专用网络相关规范进行专用软、硬件的部署。 内部网络与外部网络间宜设置专用的防火墙、网闸等网络安全防护设备。

c) 身份认证：通信模块宜对所辖网络中所有控制单元及外部系统的访问进行身份认证。现场各设备控制单元宜采用IP 地址认证与白名单认证。其他与钻机设备控制无直接管控关系的设备、系统等终端宜采用口令密码、USBKey、智能卡等身份认证措施，必要时同时采用多种认证手段。各身份的权限宜符合最小化原则配置允许权限，身份认证记录的保留时间宜大于

6个月。

6.2.6 指令集

6.2.6.1 操作指令集

操作指令集是按约定，由集成控制系统分发至设备控制单元，用于驱动目标设备完成指定功能的数据集合，其组成如图2所示。操作指令集按比例预留一定的备用量，便于操作指令集的功能扩容。

操作指令集需包含以下内容。

a) 通信标识符：通过动态变化的数值向各设备控制单元提供通信状态判定的依据。通信标识符变化速率不低于集成控制系统与目标设备控制单元间约定的通信频率是至关重要的。

b) 设备校验码：按约定的校验算法、数据类型形成的，用以检验操作指令集合法性的特定数据。

c) 安全管控指令：由集成控制系统规定的，用以保障目标设备运行安全的决策指令。

d) 设备配置参数：表征目标设备特征，调节设备控制单元特定输入与输出关系的特征量。设备配置参数宜具备断电保持能力，集成控制系统重启后设备配置参数仍能保持断电前的状态。

e) 控制指令：驱动目标设备控制单元执行具体动作或功能的变量集。控制指令宜在集成控制系统重启后自动复位，确保重启后各设备无异常动作。

操作指令集

通信标识符设备校验码安全管控指令设备配置参数控制指令

图 2 操作指令集组成示意图

6.2.6.2 状态信息集

状态信息集是按约定，由设备控制单元向集成控制系统反馈的，用以描述操作指令执行状态、设备运转状态、传感检测信息等的数据集合，其组成如图3所示。状态信息集宜按比例预留一定的备用

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量，便于新增状态信息的扩容。

状态信息集需包含以下内容。

a) 通信标识符：通过动态变化的数值向集成控制系统提供对目标设备控制单元通信状态判定的依据。通信标识符变化速率不低于集成控制系统与目标设备控制单元间约定的通信频率是至关重要的。

b) 状态信息：表征目标设备操作指令执行状态、设备运转状态、传感检测信息等特征信息的变量集。设备控制单元内的状态信息更新频率宜高于通信频率。

c) 设备辨识码：按约定的地址、数据类型，向集成控制系统反馈的，用以表明目标设备控制单元身份的常量;设备辨识码应具有唯一性，控制命令集或状态信息集不同，设备辨识码不同。

状态信息集

通信标识符

操作指令执行状态

图 3 状态信息集组成示意图

传感检测信息

设备运转状态

设备辨识码

状态信息

6.2.7 通信应答

通信应答是操作指令集、状态信息集在集成控制系统与目标设备控制单元间的往返方式。集成控制系统与设备控制单元间的通信应答可包含以下几种。

a) 松耦合应答：发送方无需等待接收方的响应，或在获取接收方响应前可执行其他操作。钻机各设备控制单元与集成控制系统间周期性操控指令与状态信息等宜使用松耦合应答。

b) 紧密耦合应答：发送方向接收方发送通信数据，等待接收方响应回复。接收方获取通信数据， 按约定逻辑处理、生成响应信息，反馈至发送方。通信应答完成后，发送方与接收方继续执行其他任务。钻机内非周期性操控指令及状态信息宜使用紧密耦合应答方式，确保操控指令与状态信息按预期完成交互。

c) 优先级应答：按照通信数据的重要性进行优先级排序，优先发送或接收高优先级的通信数据。 急停软信号、防碰互锁等与设备安全管控相关联的操控指令与状态信息宜具有最高优先级。

6.3 数据采集与执行模块

6.3.1 概述

数据采集与执行模块是将从外部传感器及其他检测、监测装置中获取的信号，转换为集成控制系统内部控制器可识别的数据信号;并将内部数据信号转换为等效的模拟/离散电信号，分发给外部执行机构的软、硬件集合。

6.3.2 物理隔离

数据采集与执行模块是集成控制系统与外部传感器、执行器间的电信号交互接口。为避免雷击、 漏电、电网电压波动、接线错误等原因造成的电压、电流超限，冲击、损毁集成控制系统控制器或数据采集与执行端口，宜在外部信号接入端与内部信号输出端处部署隔离设备或采用特殊的隔离技术，

保证数据采集与执行模块内部的输入、输出元器件与外部传感器、执行器等的物理隔离。

6.3.3 模拟/离散量输入接口

模拟/离散量输入接口宜兼容24 V(DC) 电压型离散信号、±10V(DC) 电压型模拟信号、 ±20mA 电流型模拟信号、4 mA～20mA 电流型模拟信号等工业级传感检测器件。

模拟/离散量输入接口采样频率的选择需考虑被采样信号的频率、干扰信号的频率及数据使用要求。

6.3.4 模拟/离散量输出接口

模拟/离散量输出接口宜兼容24 V(DC) 电压型离散信号、±10V(DC) 电压型模拟信号、

±20mA 电流型模拟信号、4 mA～20 mA电流型模拟信号等工业级传感检测器件。

模拟/离散量输出接口的驱动能力宜根据外部负载进行选择，必要时可使用功率放大器件。

6.3.5 备用与扩展接口

备用与扩展接口是用于新增采集、执行功能，解决现场采集、执行通道故障的备用接口。备用与扩展接口的数量需根据扩容规模、硬件最大配置容量及接口新增成本进行综合考量，预留量不宜少于

20%。

6.4 核心管理模块

6.4.1 概述

核心管理模块是以输入量为驱动，令被控对象达到预期状态，实现明确控制目标的软、硬件集合。鉴于核心管理模块可能达到的复杂度，宜按照控制对象和功能划分为多个子模块，各子模块间相对独立，子模块间通过数据或信号接口进行连接。

核心管理模块可细分为操控与协调、数据分析、数据服务、急停管理( ESD)、人机交互等子模块。数据分析与数据服务子模块可根据钻机控制需求，选择性部署。

6.4.2 操控与协调子模块

在规定时间内完成操作人员的操作指令、控制分析系统的建议决策、各设备控制单元状态等输入信息的收集、汇聚、整理、计算、生成输出信息，发送至人机交互子模块进行图形化展示;分发至各设备控制单元或数据采集与执行模块，驱动、协调各设备与执行器完成指定功能。

操控与协调子模块需考虑以下内容。

a) 控制器的稳定性：选择具有长时间稳定性工作能力的可编程控制器( PLC) 或其他工业级控制器是十分必要的。

b) 模块的可靠性：关键控制器宜采用冗余方案，至少满足一备一用要求。控制器故障状态下可快速切换至备用控制器，恢复操控与协调子模块的各项功能。

c) 软件的成熟度：使用标准的、通过应用验证的、实际应用的、可重复性使用的编程技术是至关重要的。

d) 资源的独占性：使用独立控制器或在控制器中划定专用硬件资源等方法，确保硬件资源的可用量，避免因硬件资源被占用而导致的卡顿、死机等问题。

e) 应急旁路功能：将绞车、顶驱、钻井泵、吊卡、卡瓦、转盘的基本功能归类为应急旁路功能是至关重要的。应急旁路功能具有最高控制权限与硬件资源优先获取能力。操控与协调子模

7

块在硬件资源不足、计算延时、数据分析子模块故障等非正常状态下，操作人员可在授权状态下启用应急旁路功能，延迟或停止其他控制功能，确保绞车、顶驱、钻井泵、吊卡、卡瓦、 转盘基本功能的正常使用。

f) 安全优先性：多任务处理过程中，应急旁路、急停等涉及安全的任务宜置于最高优先级，具备中断低优先级任务的能力。

g) 外部中断能力：通过外部信号，中断当前钻机操控任务，完成输出指令的调整。外部信号可以是来自外部输入/输出 (I/O) 设备的信号，也可是来自外部的通信数据;急停信号宜作为外部中断信号，接入操控与协调子模块。

h) 协调的实时性：对有时序要求的协调任务宜规定一个严格时限，通过提高任务的优先级，确保特定协调任务的实时性。

6.4.3 数据分析子模块

数据分析子模块是从外部获取数据信息，通过数据分析与处理，形成控制指令、建议参数、设备故障诊断结果等信息，传输至操控与协调子模块，用以调整执行结果或提供给其他外部模块或系统的软、硬件集合。数据分析子模块的分析结果以建议、决策的形式传输至操控与协调子模块，由操控与协调子模块执行具体的控制功能。

数据分析子模块需考虑以下内容。

a) 通信应答的耦合性：目标任务及算法模型的复杂度、工艺流程的差异度、硬件算力的可用量是影响数据分析子模块计算用时的重要因素。鉴于数据分析子模块计算用时的不确定性，宜使用松耦合应答方式，避免应答等待与应答死循环等应答延迟对钻机控制的影响。

b) 分析结果的可用性：可用性是用以描述数据分析子模块依据钻机各设备状态、工程作业、井身设计等信息制订出的建议或决策与现场实际作业需求的匹配程度。分析结果分为建议级与决策级。建议级分析结果宜以图文、声光等形式向操作人员展示，由操作人员评估确认后， 按建议内容进行手动操作;决策级分析结果可直接参与设备的控制与参数调整。未经工业性验证与应用的数据分析结果不宜列入决策级范畴。

c) 强制中断能力：数据分析子模块宜具备强制中断能力，通过外部中断信号强制停止数据分析子模块的分析计算行为，复位输出信息，避免数据分析子模块对操控与协调子模块的持续性异常干涉。

6.4.4 数据服务子模块

数据服务子模块是使用数据库技术，进行钻机操作指令、设备运行状态、钻井过程信息等数据的存储，并向授权用户提供查询、共享等功能的软、硬件集合。数据服务子模块内部署的数据库可由实时数据库、报警数据库、历史数据库等组成。

数据服务子模块需考虑以下内容。

a) 身份鉴别：通过特定的账号密码、加密算法等方法，对访问请求方的身份进行确认，并根据预设配置为访问请求方提供相应的控制、数据访问等权限。

b) 访问控制：向不同的授权用户提供不同等级的控制权限、访问权限。拒绝授权用户对授权数据执行非授权操作，或对非授权数据进行访问。

c) 攻击防护：通过网络安全硬件或数据库防护软件，拒绝外部非法输入、网络攻击、信息窃听等非预期无授权行为，响应授权用户的合法操作。

d) 内部隔离：使用硬件隔离设备或软件隔离技术，提升数据库采集服务、存储服务与数据响应服务间的业务独立性，确保数据库内数据的隐蔽性与安全性。

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e) 历史数据的可追溯性：历史数据存储过程中宜使用统一的时间基准作为存储数据的时间戳， 确保读取的钻机操作指令、设备运行状态、钻井工程参数等信息的时间一致性，真实还原钻机历史过程。历史数据的存储时长宜大于5个月。

6.4.5 急停管理子模块

急停管理子模块是由安全继电器、急停开关等特殊元器件搭建的，专用于紧急状态下向各设备控制单元发送停止电信号的硬件逻辑回路。

急停管理子模块可采用硬件急停及软件急停同时生效的控制方式，通过触发急停操作装置，对受控的各子系统、子设备、子模块进行分级与分类管控。分级管控宜符合自上而下的分级方式，即总控级、类别级、单体设备级;分类管控宜按照设备功能进行划分，如顶驱、转盘、绞车、钻井泵等与钻进破岩相关的设备归为一类，铁钻工、动力猫道、缓冲手等与管柱自动化相关的设备归为一类。急停系统作为核心管理模块安全管理的重要防线，需考虑以下内容。

a)快速响应性：急停触发状态下，宜在规定的时间内，按预设方案立刻终止所辖设备或系统作业任务，无需遵循设备控制单元或子系统的常规操作流程。

b) 强制执行能力：急停控制具备最高优先级，不受内部控制逻辑或其他外部信号影响，强制完成断电、停机等功能。

6.4.6 人机交互子模块

人机交互子模块是实现操作人员与钻机集成控制系统信息交互的软、硬件集合。为操作人员提供监控集成控制系统所辖设备运行所需的信息;允许操作人员通过手柄、触屏、按键等操作行为感知设备直接操控目标设备完成特定任务，干预、调整，配置控制算法或软件，做出超算法或软件预期的调整。GB/T 4205规定了界面配色及按键尺寸等要求，人机交互子模块的界面宜遵照执行。

人机交互子模块需考虑以下内容。

a) 直观性：使用文本、图表、指示灯等方式对系统内部数据进行图形化展示，帮助操作人员快速获取信息内容。

b) 防误操作功能：使用特定的操作方式或界面布局等方法，防止非预期操作命令的误输入。

c) 界面表述方式的一致性：显示界面中的指示灯、图表等显示提示信息使用相同的方式、方法、 单位进行表述。

7 系统基本功能

7.1 远端集中控制功能

7.1.1 功能规划

远端集中控制功能作为钻机集成控制系统的基础功能，通过使用数据通信、信号直采等方法，获取各设备控制单元、传感器、监测装置等的状态信息，在触摸屏、一体机等终端显示设备中进行实时显示;并对操作人员的操作意图进行指令采集，按约定的控制逻辑、算法在规定的时限内完成操作指令的生成与分发，命令目标设备或系统执行相应功能或直接驱动执行器件执行指定动作。

7.1.2 指令采集

通过手柄、旋钮、触摸屏等外部输入型器件将操作人员的操作意图转化为系统可识别的数据信息。指令采集宜按照约定的格式、范围、换算关系进行转化，确保指令采集结果的表述一致性。

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7.1.3 信息获取

按约定的通信协议、数据接口从目标设备控制单元或其他外部系统直接获取数据信息;或按规定的采样方法从传感检测装置获取数字/模拟电信号，通过特定的器件转换为集成控制系统可识别的数据信息。

7.1.4 状态显示

状态信息包含设备运行状态、传感检测数值、操作指令等与钻机控制相关联的信息，可综合采用蜂鸣器报警、语音播报及数值、文本、图表、指示灯、柱状图、曲线等可视化方式进行展示。重要的状态信息宜采用高亮、警戒色、闪烁、声音等方式进行突显，引导操作人员及时查阅。

7.1.5 指令分发

集成控制系统按约定的通信协议、数据接口向目标设备控制单元提供处理后的操作指令集，驱动设备控制单元按指令工作。集成控制系统宜作为指令分发的发起者，主动向各设备控制单元发送指令。

7.1.6 指令执行

对于电推杆、电磁液压阀等无控制器的执行器，集成控制系统根据目标执行器件的驱动要求，将操作指令转换为等效电信号，直接驱动执行器件工作。

7.2 协同联动管理功能

7.2.1 功能规划

多设备协同联动管理功能是钻机集成控制系统自动化、智能化的重要载体。由钻机集成控制系统对两个或两个以上的设备、系统按预设的或系统自动生成的协同关系进行工作流程规划，实时进行偏差修正，控制各设备、系统协调一致地完成特定目标。

7.2.2 工作流规划

根据钻进、起钻、下钻、下套管等作业目标，按工艺流程的先后顺序完成各设备工作流程的规划，形成各设备控制单元可执行的操作指令序列。工作流规划的优劣是影响钻机多设备协同效率的重要因素。

7.2.3 偏差修正

实时监测各设备、各系统操作指令实际执行状态与预期执行状态间的偏差，对超差设备、系统进行偏差修正或干预处理，确保多设备协同联动达到预期效果。

7.3 安全管控功能

7.3.1 功能规划

安全管控功能对确保钻机安全作业是至关重要的。集成控制系统宜依据外部输入信息，自动识别设备运行、钻井作业过程中的潜在异常，按照约定的逻辑关系、算法模型等进行定性或定量的分析， 确定其危险程度，按预设的风险管控方案，进行风险提示或控制干预。

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7.3.2 急停保护

紧急状态下，通过触发特定的输入型器件，迅速完成急停信号的生成与分发，采用复位驱动信号、切断动力源等方式，强制设备、系统停机或停止运动。急停保护作为钻机安全管控的重要手段， 具有最高执行优先级与强制执行能力。

7.3.3 通信防护

使用网络硬件、功能软件、加密算法等技术，维护通信的稳定性与安全性，避免通信数据的破坏与泄露。

7.3.4 断电保护

断电后，设备控制单元无异常动作。非预期断电状态下，维持过程数据不丢失，功能不损坏;重启后，系统无非预期异常行为。

7.3.5 断气与断液保护

参与设备控制的气源或液压源停止供压后，集成控制系统以图文、声光等方式进行报警，禁止设备启动;气源与液压源恢复正常后，设备维持未启动状态直至重新启动。

7.3.6 冗余

通过使用硬件冗余、软件冗余等技术手段，在特定器件或设备故障时，由冗余器件或设备快速介入并完成功能替代，恢复集成控制系统正常运行。宜根据系统控制要求与系统架构，以维持钻机基本作业能力为界限，划定冗余功能所覆盖的软、硬件范围。合理的冗余能够确保集成控制系统长时间可靠运行。

7.3.7 设备防碰功能

对同一时刻设备运动轨迹的间距小于最小安全距离的设备进行管控、干预，禁止设备向碰撞方向继续运动。鉴于现场作业工况的复杂性，需考虑防碰参数调整、防碰功能临时忽略与长期取消的操作需求。

7.3.8 设备互锁

实时监测存在配合关系的多设备状态，在配合异常状态下，强制相关设备控制单元进行特定的状态保持或功能限制，确保设备间配合行为符合预期方案。鉴于现场作业工况的复杂性，需考虑互锁功能临时忽略与长期取消的操作需求。

7.3.9 设备联锁

通过机械联锁、电气信号联锁、程序软件联锁等方式，将多个具有相互制约关系的联锁设备功能关联在一起。触发任意联锁功能后，其他联锁功能同步触发，确保各设备间的约束状态符合预期方案。鉴于现场作业工况的复杂性，需考虑联锁功能临时忽略与长期取消的操作需求。

7.3.10 报警

实时监测集成控制系统、各设备运行状态等信息，及时发现钻机运行的潜在问题和异常事件，通过预先定义的报警方式通知操作人员、管理人员等相关人员。报警方式可包含文本、指示灯、蜂鸣器

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等多种方式。报警宜按照危险级别的不同，进行分级报警与指向性推送。

7.4 数据管理与共享功能

7.41. 功能规划

通过特定的硬件设备与软件对钻机运行过程中输入信息、输出信息、过程信息进行收集、存储、 管理，并向其他设备或系统提供数据共享服务。数据管理与共享宜使用独立的软、硬件设备，确保数据的安全性。

7.4.2 数据存储

将获取的信息按规定的格式、方式、方法进行汇聚并存放在特定的存储设备中。数据存储宜保持数据原始状态，确保存储数据能真实反映钻机的历史运行情况。

7.4.3 查询显示

按特定的约束、限制条件从已存储的数据集合中获取目标数据，按规律排序，并以指定的方式显示。查询操作可能会引起数据存储的延时、卡顿甚至信息丢失，宜限制查询操作所使用的资源量。

7.4.4 数据共享

向本地或远端的授权设备控制单元、子系统或云平台等提供指定数据的读取或写入服务。共享服务宜依据访问设备或系统的不同，有选择性进行数据共享，加强对关键、敏感、涉密数据的共享限制。

7.5 故障诊断与处理功能

7.51. 功能规划

监测集成控制系统所辖模块、控制器的运行状态，自动完成硬件损毁、硬件资源不足、通信中断等异常状态的诊断。按预设方案对异常模块或控制器进行干预、管控。通过声、光、文本等形式进行报警提示。故障诊断与处理功能是集成控制系统稳定性、可靠性、安全性的重要表征。

7.5.2 冗余切换

采用冗余设计的模块或控制器出现硬件损毁、通信中断等短时不可自恢复的故障时，宜自动切换至冗余模块或控制器，完成控制功能的迁移。

7.5.3 保护停机

不具备冗余功能的模块或控制器出现超载、关键器件损毁等严重故障时，系统宜通过停止供电、 强制终止软件进程等方式中断故障模块或控制器的运行，避免故障的蔓延与持续恶化。

7.5.4 功能降容

不具备冗余功能的模块或控制器出现内存占用量过大、CPU利用率过高、系统过热等非致命异常时，系统宜通过暂停、延缓、停止非必要控制功能等方法，进行功能降容，以满足维持钻机集成控制基本操作的需求。待系统稳定后，逐步恢复受限功能的正常运行。

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7.6 操作权限管理功能

7.6.1 功能规划

对集成控制系统当前操作人员的身份进行核实，按系统权限预设或配置情况，赋予操作人员特定的设备操作、资源调用及数据使用等权限。对操作人员的非授权操作不予响应。

操作权限管理可采用账号密码、面部特征、身份卡等多种方式对操作人员的身份进行核实。操作人员的身份信息及操作权限宜具备唯一性，由设计方、生产方、使用方等共同商讨确认。通常可将操作权限分为管理员、操作员。

7.6.2 管理员

管理员具备集成控制系统所辖全部作业设备的操控权限与资源使用权限。

7.6.3 操作员

依据钻机配置与具体作业需求，赋予操作员集成控制系统所辖特定作业设备的操控权限。可包含游车、顶驱、钻井泵、吊卡、卡瓦等与钻井作业直接关联的作业设备或动力猫道、铁钻工、扶管机械手等与管柱自动化直接关联的作业设备。

7.7 电控器件防护功能

集成控制系统供电端配置浪涌保护器，避免雷击(浪涌)对系统电控器件的干扰与破坏。

GB/T 4208规定了室外或室内的电气控制柜防护等级要求，陆地钻机集成控制柜防护等级不宜低于IP65, 海洋钻机集成控制柜防护等级不宜低于IP56。

安装于防爆区域的电控柜或与防爆区内器件存在电信号交互的电控器件，执行GB/T 3836.1、SY/T 6671中危险区域元器件使用规范，采用正压防爆型式或隔爆型式，满足2区防爆要求。

电控器件可采用保温或遮阳等措施，满足湿度不大于95%(+18 ℃时)、海拔不大于2000m、环境温度-20℃~+55℃条件下正常工作要求。

8 测试验证

8.1 概述

在集成控制系统应用前进行全面的测试验证十分必要。针对不同的钻机配置，由设计方、生产方、使用方等共同商讨确认具体的验证内容及标准。

测试验证至少需考虑以下几个方面。

a) 断电验证。

b) 急停验证。

c) 通信验证。

d) 操作与显示验证。

e) 互锁验证。

f) 防碰验证。

8.2 断电验证

断电验证至少需考虑以下内容。

a) 启动响应行为：集成控制系统恢复供电后，系统自动执行初始化功能，确保操作指令集中的

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设备配置参数恢复至断电前状态，其他操作指令复位至预先设定的初始值;并与各设备控制单元重新建立数据通信。

b) 应急电源供电：集成控制系统弱电区域停止供电后，应急电源为所辖器件、控制器或子系统等供电，供电切换间隔以不中断所辖设备连续运行为宜，应急供电时长不宜低于正常关闭集成控制系统所需时间。

8.3 急停验证

急停验证至少需考虑以下内容。

a) 响应时效：急停事件触发后，急停信号在严格的时限内完成分发并抵达目标设备控制单元， 急停信号响应时间宜控制在秒级以下，超过时限的延迟是不被允许的。

b) 状态继承：上级急停的触发状态宜被下级急停所继承，即上级急停触发时，所辖下级急停继承上级急停状态，自行切换至触发状态;而下级急停触发时，所属上级急停的触发状态不随下级急停触发状态的变化而变更。

8.4 通信验证

通信验证至少需考虑以下内容。

a) 传输实时性：集成控制系统完成数据发送请求至设备控制单元接收到数据所用时长的均值与峰值宜低于双方约定最大延时允许范围。

b) 数据可靠性：集成控制系统发送的数据内容与设备控制单元接收到的数据内容始终保持一致， 无数值突变或数据错位等问题。

c) 通信中断响应行为：通信中断后，集成控制系统自动复位向通信中断方发送除设备配置参数外的操作指令集，并以图文或声光等形式报警提示。

d) 断线重连：通信线路恢复正常后，集成控制系统自动与目标节点重新建立通信连接，恢复双方的数据交互。

8.5 操作与显示验证

操作与显示验证至少需考虑以下内容。

a) 操作一致性：集成控制系统向设备控制单元发送的操作指令与操作人员的操作意图一致，与设备控制单元接收到的操作指令相同。

b) 显示一致性：集成控制系统显示的设备状态信息与设备实际状态信息一致。

c) 报警一致性：集成控制系统报警提示信息及内容与设备实际报警状态一致。

8.6 互锁验证

互锁验证至少需考虑以下内容。

a) 功能验证：验证互锁设备间的互锁条件，在符合互锁条件时，触发互锁，集成控制系统应禁止设备执行互锁动作。

b) 旁通验证：可解除互锁限制。

8.7 防碰验证

防碰验证至少需考虑以下内容。

a) 功能验证：同一时刻设备运动轨迹的间距小于预设的防碰安全距离时，触发防碰。

b) 旁通验证：可解除防碰限制。