NO318259B1 - Antikollisjonssystem - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår et system for å kontrollere bevegelsene til objekter i et automatisert system omfattende uavhengig transportmidler for bevegelse av et antall objekter i forhold til hverandre, og en metode for å unngå kollisjoner mellom objektene, samt anvendelsen av et slikt system.

I automatiserte eller fjernkontrollerte systemer omfattende et antall objekter som beveger seg delvis uavhengig av hverandre er det alltid en fare for kollisjoner mellom objektene. Ett eksempel på en system som beskrevet over er systemer som inkluderer automatiske eller fjernstyrte maskiner involvert i operasjonen av en drill-rigg. En drill rigg omfatter flere forskjellige maskiner. Maskinene er ofte spesielt utviklet for å passe i utførelsen av riggen og strategien for operasjonen, og kan beveges i systemet i forhold til deres hensikt..

Måloperasjonen for en drill rigg er å bore brønner i havbunnen. Dette blir, svært forenklet, gjort ved å rotere en borestreng med en borekrone i den nedre enden, og senke dem ned i havbunnen. Borestrengen består av flere gjengede rør som er koblet til hverandre. Rørene blir lagt inn/tatt ut for å forlenge eller forkorte borestrengen. Dermed er hovedoperasjonene på en borerigg å bore, bevege rør mellom horisontal og vertikale rørlagere og brønnsenteret, der borestrengen roteres, og koble til eller ta ut rør ved til-og fra-kobling av rør i borestrengen. Dette representerer et komplisert system siden de forskjellige delene kan ha forskjellig tyngde, størrelse, retning og hastighet, og kan roteres under operasjonen. Mange av objektene kan ha kompliserte geometrier som gjør det enda vanskeligere å forutsi det nøyaktige rommet de vil oppta i systemet ved enhver tid. Under kompliserte operasjoner er det en fare for at operatøren skal miste oversikten over situasjonen og øke faren for kollisjoner. En kollisjon kan oppstå hvis operatøren gjør enkle feil så som en feiltokning av posisjonsdata eller orientering av objektet, eller hvis objektet har forskjøvet seg litt i forhold til sin registrerte posisjon.

En løsning på dette vil være å senke hastigheten på operasjonen for dermed å beholde oversikten over systemet, eller å bruke store feilmarginer som også reduserer effektiviteten til systemet, særlig når operasjonene utføres i områder med begrenset plass, slik som på borerigger til havs.

Dermed er det et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et system som tillater flere objekter å bevege seg innen systemet uten å risikere kollisjoner eller uhell, dermed tilveiebringende en økning i effektivitet i systemet når dette sammenlignes med knete systemer i dag. Disse formålene oppnås med et system og en fremgangsmåte som angitt i de vedlagte selvstendige kravene, samt ved en anvendelse av disse.

Systemet ifølge oppfinnelsen tilveiebringer dermed et enkelt og effektivt system som ikke krever store beregningsressurser ved bruken av et system, siden det holder kontroll på geometriske objekter som er relatert til kontrollerbare posisjonsdata for hvert objekt i systemet, for eksempel med forenklede former som kan gi en ekstra toleranse i de lagrede posisjonsdataene og som er lett å visualisere på en dataskjerm. I tillegg blir det etablert en toleranse rundt objektene og rutiner etableres relatert til et sett med regler for de relative bevegelsene mellom objektene.

Håndteringssystemet relatert til denne oppfinnelsen vil bli vist til nedenfor som et Smart Zone Management System (SZMS).

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Figur 1: illustrerer en rørhåndteirngssystem egnet for implementasjon av

oppfinnelsen.

Figur 2: illustrerer et annet rørhåndteirngs-system egnet for implementasjon

avoppfinnelsen.

Figur 3: Prinsipp-skisse av to maskiner representert ved bokser. Maskinene

beveger seg mot hverandre.

Figur 4: Prinsippskisse av to askiner representert ved bokser. Maskin 1 beveger seg mot maskin 2. Maskin 2 beveger seg bort fra maskin 1. Figur 1 illustrerer et eksempel på et system på en borerigg, der systemet ifølge oppfinnelsen kan brukes.

I et horisontalt og vertikalt rørbehandligssystem blir rørene (enkeltrør) 12 vanligvis lagret horisontalt som enkeltstykker på rørdekket 11. En vanlig konfigurasjon for maskinene 13,15,18 brukes for å transportere rørene mellom rørdekket (horisontalt) og boreriggen (vertikalt) 17 er en rørkran 13 i kombinasjone med en rørformet matemaskin 18 og en Eagle Light/HTV-Arm 15.

Som det fremgår fra dette eksempelet omfatter håndteringssystemet et antall elementer som kan opereres forholdsvis uavhengig av hverandre slik at kollisjoner kan oppstå. Dessuten vil de forskjellige maskinene oppta forskjellige volumer, for eksempel når kranen plukker opp et rør. Noen av delene i systemet kan også roteres slik som rørene 12,14 som flyttes fra en horisontal posisjon til en vertical posisjon, og dermed opptar et forskjellig rom etter enn før operasjonen.

Figur 2 illustrerer et vertikalt rørhåndterings-system som involverer maskiner som beveger sammensetninger (stands) (vanligvis 2 eller 3 sammensatte enkeltrør) vertikalt i derricken mellom det vertikale lageret (setback eller fingerboard) 22,24 og brønnsenteret (WC) 26 er vanligvis en del av boreriggen. Dette er en vanlig konfigurasjon kjent som vertikalt rørhåndterings-system ("Vertical Pipehandling Two-Arm Syncro system" (VPH)). Dette VPH-systemet utgjøres av en en brokran 23 montert på derricken og en nedre ledearm 25 montert på boregulvet. Tegningen viser også en boreassistent (roughneck) for å skru de sammensatte rørene 21 til rørene som allerede er plassert i brønnsentrum 26. Dermed beveger dette systemet de sammensatte rørene ut av det vertikale lageret og inn på rørene i brønnsentrum.

Som konstatert over er hovedhensikten med denne oppfinnelsen å unngå kollisjoner mellom maskiner som er deler av systemet. Med henvisning også til figur 3 er dette oppnådd ve då relatere hver del av systemet til et imaginært 3-dimensjonalt objekt 1,2,3 med en definert geometrisk form som tilsvarer eller rager utover de fysiske dimensjonene til delen i alle retninger. Det imaginære objektet 1,2,3 er også tilordnet posisjonsdata tilsvarende den fysiske posisjonen til den korresponderende maskindelen, slik at det kan kontrollere bevegelsene til objektene i en modlel av den virkelige situasjonen, der modellen kan inkludere all relevant informasjon omkring faste og bevegelige objekter i den virkelige verden. Dermed kan maskinene Ml i figurene 3 og 4 representere en kran 1 som holder et horisontalt rør 2 som beveger seg mot boreriggen 3,M2.

Hver geometriske form eller bosk 1,2,3 kan bestå av flere rektangler utgjørende den omtrentlige formen til objektet, og kan også rotere, for eksempel tilsvsarende et rør som løftes fra en horisontal til en vertikal posisjon. Dermed er boksene dynamiske og reflekterer maskinenes posisjoner og utstrekning i systemet. Hvis bokser som reflekterer forskjellige maskiner er i konflikt (dvs deler det samme rommet i det Cartesiske koordinatsystemet) har en kollisjon skjedd. Alle maskiner skal relateres til det samme Cartesiske koordinatsystemet. Det Cartesiske koordinatsystemet kan være orientert med positiv X-akse fra brønnsentrum mot V-døren, den positive Y-aksen fra brønnsentrum mot fingerboardet, og positiv Z-akse fra boregulvet og oppover.

I tillegg er hver maskin M1,M2 relatert til en sytoppe-distanse (avstanden som trengs til å stoppe fullstendig på en kontrollert måte) for hver akse i det Cartesiske koordinatsystemet. Stoppedistansene er den virkelig avstanden som trengs for å stoppe maskinen ved den nåværende hastigheten og massen i den gitte retningen, og kan avhenge av vekten eller antallet deler som håndteres av maskinen, siden maskin Ml omfatter to deler 1,2. Stoppedistansen blir brukt i systemet eller metoden ifølge oppfinnelsen til å sakke ned og stoppe maskinene før kollisjon oppstår. En minimerings-funksjon blir implementert i maskinens programmerbare logiske kontroll (PLC) for å sikre at den minste av kommandoverdiene fra operatøren (f.eks via joystikk) og tillat verdi (beregnet av systemet) blir brukt for maskinkontrollen.

Figur 3 viser en prisnippskisse av to maskiner representert ved bokser. Boks 1 og boks 2 representerer maskinen 1, boks 3 representerer maskin 2. XI er minimumsavstanden mellom de to maskinene langs X-aksen (i et gitt tidspunkt). X2 er avstanden systemet bruker på å bremse ned og stoppe maskinen 1 (utledet fra stoppedistansen beregnet i maskinen PLC). X4 er avstanden systemet bruker på å bremse ned og stoppe maskin 2. I figur 3 beveger de to maskinene seg mot hverandre langs X-aksen. Hvis maskin 1 eller maskin 2 står stille eller beveger seg i motsatt retning vil henholdsvis X2 og X4 være lik null. X5 er sikkerhetsavstanden mellom de to maskinene langs X-aksen. Når maskinene beveger seg mot hverandre vil X3 avta. Når X3=X5 begynner SZMS å bremse ned maskinene. Maskinene vil stoppe fullstendig ved en avstand XS mellom dem (langs X-aksen). De samme beregningene og evalueringene vil bli gjort for Y- og Z-aksene.

I figur 4 blir maskin 2 beveget bort fra maskin 1 (langs X-aksen) og maskin 1 beveges mot maskin 2. XI er minimumsavstanden mellom de to maskinene langs X-aksen (i et gitt øyeblikk). X2 er avstanden SZMS bruker for å bremse ned og stoppe maskinen 1 (utledet fra stoppedistansen beregnet i maskinen PLC). X5 er sikkerhetsavstanden mellom de to maskinene langs X-aksen. X6 er avstanden SZMS bruker for å øke hastigheten til maskin 1 (fra 0 til full hastighet) langs X-aksen. Hvis begge maskinene har stoppet' fullstendig og maskin 2 begynner å bevege seg fra maskin 1 øker SZMS hastigheten til maskin 1 (følgefunksjon).

Det er klart at de ovennevnte objektene 1,2,3 også kan representere ubevegelige strukturer slik som boreriggen 17, for derved å unngå kollisjoner mellom maskinene og resten av installasjonen.

Alle operatører som styrer maskinene i systemet ifølge oppfinnelsen vil ha visualiseringsmidler tilgjengelig, for eksempel relatert til menneske/maskin grensesnitt (human machine interface HMI). HMI vil visualisere om maskinene har stoppet (eller har begrenset hastighet) på grunn av handlinger foretatt av systemet. Gjennom dette grensesnittet er det mulig å manuelt neglishere eller se bort fra maskiner fra kontrollsystemet (SZMS). Dermed kan maskinene fjernes fra systemet, for eksempel hvis en feil har oppstått, slik at operasjonen kan fortsettes.

Kollisjon mellom maskiner og rigg-konstruksjoner og lignende kan håndteres med den foreliggende oppfinnelsen som en tilleggsapplikasjon. Systemet håndterer ikke bare maskinspesifikke antikollisjons-scenarier relatert til maskinposisjon, men også scenarier relatert til rørhåndtering osv (f.eks .ikke heise hvis både heis og boreassistent-klemme er låst på røret). Unntak fra sonestyringen blir også håndtert av den foreliggende oppfinnelsen (f.eks en maskin som tillates å overse andre maskiner tilstedeværelse i et område på grunn av situasjoner som ofte oppstår, og er ment å oppstå, under normale operasjoner).

De dynamiske boksene har valgte geometriske former og valgte dimensjoner som representerer hver maskin. Kontrollsystemet ifølge den foreliggende oppfinnelsen sikrer at det er en trygg avstand (men ikke mye mer) mellom boksene (maskinene). En maskin kan følge en annen maskin så lenge avstanden mellom dem er større enn sikkerhetsavstanden.

Systemet og fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan lages med tilgjengelig programvare- og maskinvare-verktøy, der en person som kjenner teknikken kan velge det systemet som best passer til hver situasjon, for eksempel avhengig av annet, allerede tilgjengelig utstyr i omrpdet. Selv om systemet som er beskrevet er basert op kjennskap til de bevegelige objektenes posisjoner kan systemet også innbefatte sensorersom gir tilbakemeldinger til systemet om plassering og orientering for hvert objekt, for så å tilveiebringe en ekstra sikkerhet mot kollisjoner på grunn av feil eller uregistrerte endringer i posisjon. Alternativt kan systemet selvsagt overvåkes visuelt i tillegg til å vise de imaginære objektene på en skjerm, slik at en operatør kan oppnå ytterligere kontroll over situasjonen.

Claims (14)

1. System for kontroll av bevegelsene til objekter i et automatisert eller fjernstyrt system omfattende uavhengige transportmidler for bevegelse av objektene i forhold til hverandre, der systemet er forsynt med midler for å styre posisjonen og hastigheten til objektene relativt til hverandre, " karakterisert ved at hvert objekt er relatert til en definert geometrisk form relatert til objektets posisjon og med dimensjoner som tilsvarer eller rager utenfor objektets fysiske dimensjoner i alle retninger, og dessuten definerer en kritisk tillatt avstand mellom de definerte geometriske formene.

2. System ifølge krav 1, der dimensjonene til den geometriske formen tilsvarer størrelsen til objektet.

3. System ifølge krav 1, der nevnte kritiske avstand er avhengig av den relative bevegelsen mellom objektene.

4. System ifølge krav 1, der den kritiske avstanden mellom to geometriske former som beveger seg mot hverandre tilsvarer bremsedistansen for hvert tilsvarende objekt pluss en valgt tilleggsavstand.

5. System ifølge krav 1, der objektene og tilsvarende geometriske former er roterbare.

6. System ifølge krav 1, der de geometriske formene er rektangulære.

7. Fremgangsmåte for å unngå kollisjoner mellom automatisk kontrollerte eller fjernstyrte objekter med variable posisjoner og bevegelser i forhold til hverandre, der nevnte posisjoner og bevegelser styres av et kontrollsystem, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter tilordning av en geometrisk form til hvert objekt der den geometriske formen tilsvarer eller overskrider dimensjonene til det tilsvarende objektet, slik at den geometriske formen opptar et rom tilsvarende eller ragende utenfor rommet som opptas av objektet, og definisjon av en minste kritisk avstand mellom nevnte geometriske former.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, der dimensjonene til den geometriske formen korresponderer til størrelsen på objektet.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7, der den kritiske avstanden er avhengig av relativ bevegelse mellom objektene.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, der den kritiske avstanden mellom to geometriske former som beveger seg mot hvernadnre tilsvarer bremselengden for hvert tilsvarende objekt pluss en valgt tilleggsavstand.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 7, der objektene og tilsvarende geometriske former er innrettet til å være roterbare.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 7, der den geometriske former en rektangulær.

13. Anvendelse av et system ifølge krav 1 på en offshore-installasjon, særlig for håndtering av rør under boreoperasjoner, der objektene tilsvarer midler for lagring, flytting og/eller montering av utstyr i installasjonen.

14. Anvendelse ifølge krav 13, der installasjonen er en borerigg og systemet blir brukt for lagring, flytting og montering av rør på boreriggen.