油氣田物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)研究

薛廣民 沈 亮 陳 明 陰 亮

（1.海南福山油田勘探開發(fā)有限責任公司 海南海口 571000；2.北京油氣調(diào)控中心 北京 100007；3.北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責任公司 北京 102206）

當前，數(shù)字化油氣田建設(shè)得到各油氣田公司的重視。各油氣田都在進行或者計劃進行數(shù)字化油田的改造，以實現(xiàn)油氣生產(chǎn)、勘探作業(yè)的精細管理和實施。在推進油氣田數(shù)字化建設(shè)的進程中，其核心技術(shù)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的不斷深入，大量智能無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線電量模塊已經(jīng)在油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場得到大規(guī)模使用。然而，油氣田現(xiàn)場大多地廣人稀、周界范圍大、地理環(huán)境復(fù)雜，上述測控設(shè)備在安裝、調(diào)試、運維過程中存在很大的難度。因此，迫切需要一套物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備的在線監(jiān)測、遠程管理、自動巡檢、智能運維等管理。

1 設(shè)備管理的發(fā)展趨勢

設(shè)備管理難度大。由于油氣田生產(chǎn)井場絕大多數(shù)在野外，工作區(qū)域分散、自然條件艱苦，設(shè)備長期運行在高溫、高濕等惡劣環(huán)境中。了解設(shè)備的運行狀態(tài)只能通過SCADA系統(tǒng)采集設(shè)備狀態(tài)進行監(jiān)控，往往是發(fā)生設(shè)備故障后，人工確認才進行故障事后管理，提供運維人員的有效設(shè)備管理工具不多。

傳統(tǒng)的油氣田設(shè)備管理主要是靠值班人員周期性巡檢，不僅成本高，也會留下許多人為因素，存在安全風險。隨著油氣田生產(chǎn)過程中智能設(shè)備的種類和數(shù)量擴充，現(xiàn)有設(shè)備管理方式的局限性更加顯出。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，越來越多具有智能化設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，基于設(shè)備智能化、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、工業(yè)自動化控制技術(shù)和信息化技術(shù)的綜合運用，對物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線實時監(jiān)測和遠程管理成為設(shè)備管理發(fā)展的新方向。

2 物聯(lián)網(wǎng)在石油行業(yè)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，簡稱IOT）是通過傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為推動社會經(jīng)濟發(fā)展的強勁動力引擎，優(yōu)先掌握這一技術(shù)領(lǐng)域的制高點，對于提高企業(yè)的競爭力也起著決定性作用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣應(yīng)用已逐漸被各國放在了戰(zhàn)略發(fā)展的高度，我國也及時提出建設(shè)“感知中國”的戰(zhàn)略目標。

2011年3月，中國石油天然氣集團公司提出油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)（A11）。A11覆蓋到石油生產(chǎn)和加工等多個領(lǐng)域，其目標是集成一個可實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、關(guān)鍵過程聯(lián)鎖控制、工藝流程可視化展示、生產(chǎn)過程實時監(jiān)測的綜合信息平臺。后來，中國石油又出臺了工程技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃（A12），A12旨在建立數(shù)據(jù)自動采集與傳輸平臺、數(shù)據(jù)一體化存儲平臺、數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用分析平臺，生產(chǎn)作業(yè)實現(xiàn)監(jiān)控與優(yōu)化，遠程支持與輔導(dǎo)決策。上述項目有力地推進了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各油氣田現(xiàn)場的推廣與應(yīng)用。

3 油氣田物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備發(fā)展趨勢

物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系主要包括感知層、傳輸層、應(yīng)用層3個層次（圖1）。其中，感知層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最底層，解決的是數(shù)據(jù)獲取問題，是物聯(lián)網(wǎng)的核心。

感知層通過溫度傳感器、壓力傳感器、示功儀、電參等設(shè)備采集油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，然后通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)現(xiàn)場總線等短距離傳輸技術(shù)，通過井口RTU、井場RTU等通訊傳輸設(shè)備進行數(shù)據(jù)集中上傳。

油氣田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的一個顯著特點，就是大規(guī)模使用智能設(shè)備。因而油氣田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對油氣田感知設(shè)備提出了更高的要求：

①功能集成度高。通過集成油氣田應(yīng)用的專用算法、無線通訊模塊、安全模塊等，進一步提升了設(shè)備各項服務(wù)能力。

②智能化程度高，可實現(xiàn)無人值守。通過提供更豐富的設(shè)備狀態(tài)信息（如故障報警、電量信息、通訊質(zhì)量等），以及統(tǒng)一的智能化接口，實現(xiàn)設(shè)備的可檢測，為井口站場的優(yōu)化運行提供信息支持。

③可靠性高，維護工作量小。這就要求，在設(shè)備的設(shè)計和選型階段，選擇高可靠性的模型和芯片；在實現(xiàn)過程中，有針對性地進行場景處理；在測試過程中嚴格把關(guān)，保證各種極端條件下設(shè)備運行的可靠性。

4 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理平臺的技術(shù)思路

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理平臺基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過自動化、信息化兩化融合的思路提供新的設(shè)備管理思路：基于物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備高度集成化和智能化水平，完善了設(shè)備自身信息（設(shè)備報警、電池電量、運行時間等），以及提供這些信息的訪問接口；通過高效穩(wěn)定的近場無線通訊技術(shù)（ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)）和廣域網(wǎng)通訊技術(shù)（光纖、衛(wèi)星等）實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和指令下達；通過生產(chǎn)監(jiān)控中心建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對全部物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備的集中監(jiān)管，系統(tǒng)可以與設(shè)備進行交互，實現(xiàn)遠程在線管理功能，如參數(shù)設(shè)置、版本升級、校時等部分調(diào)試功能；通過與ERP、MES、現(xiàn)有DMS系統(tǒng)進行集成和共享，設(shè)備在線管理系統(tǒng)在進行設(shè)備數(shù)據(jù)同步的基礎(chǔ)上，將歷史數(shù)據(jù)結(jié)合實時數(shù)據(jù)進行合并分析，可提供標定提醒、設(shè)備故障預(yù)測等功能。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理平臺的建設(shè)與實施可分為以下4個方面：①依托物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，提升設(shè)備的智能化水平；②通過規(guī)范智能化管理接口，實現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備納入管理標準化；③基于生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，建立集中設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)通訊實現(xiàn)統(tǒng)一管理；④研發(fā)針對智能設(shè)備的在線監(jiān)測和遠程管理等功能，提高設(shè)備在線管理的智能化水平，優(yōu)化人工管理方式。其中，設(shè)備智能化升級和規(guī)范智能化接口解決的是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入問題。

5 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)設(shè)計

5.1 總體設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)模式下的油田設(shè)備管理系統(tǒng)是數(shù)字化油田建設(shè)的重要組成部分，智慧油田的主要設(shè)想“由靜態(tài)到動態(tài)，由被動到主動”將在該系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)油田設(shè)備管理系統(tǒng)框架設(shè)計一般可分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層3部分（圖1）。其中：感知層在油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)實現(xiàn)智能溫度變送器、壓力變送器、電參模塊等傳感器采集溫度、壓力、抽油機工作效率等實時數(shù)據(jù)；傳輸層主要通過ZigBee網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備間的互連互通，并通過井場及井口RTU、PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中并由網(wǎng)絡(luò)交換器、公用或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸；應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺，在生產(chǎn)監(jiān)控中心通過實時監(jiān)測模塊實現(xiàn)對生產(chǎn)實時監(jiān)測值、設(shè)備狀態(tài)、電池電量、通訊質(zhì)量等進行實時展現(xiàn)，有在線管理模塊實現(xiàn)在線校時、遠程升級、參數(shù)設(shè)置等功能。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)框架設(shè)計圖

5.2 核心功能設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)的核心功能可以劃分為設(shè)備交互、在線監(jiān)測和在線管理。

設(shè)備交互由4個部分組成：①設(shè)備接口實現(xiàn)針對各種設(shè)備進行數(shù)據(jù)和指令交互的通訊方式、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)值轉(zhuǎn)換等處理，提供設(shè)備接入在線管理的接口；②設(shè)備建模針對所管理設(shè)備的對象模型進行建模，同時對監(jiān)測值、命令點進行配置，提供數(shù)據(jù)采集和指令下發(fā)的參數(shù)配置信息；③設(shè)備數(shù)據(jù)采集通過設(shè)備訪問接口和建模信息，通過各種方式獲取設(shè)備實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備自身信息；④管理指令下發(fā)通過設(shè)備訪問接口和建模信息，將設(shè)備管理指令下發(fā)給具體執(zhí)行的設(shè)備，實現(xiàn)設(shè)備管理的智能化。

在線監(jiān)測由4個部分組成：①設(shè)備實時監(jiān)測針對井場內(nèi)各井口的智能儀表的監(jiān)測值、通訊質(zhì)量等進行監(jiān)測，主要顯示溫變、壓變、示功儀等智能儀表的數(shù)據(jù)；②電量監(jiān)測針對井場內(nèi)溫變、壓變、示功儀等智能儀表的剩余電量進行監(jiān)測，將剩余電量進行了時長轉(zhuǎn)換，并根據(jù)剩余時長進行報警，根據(jù)剩余時長不同提示不同的報警顏色，方便設(shè)備電量管理；③狀態(tài)監(jiān)測實時獲取設(shè)備的狀態(tài)碼，根據(jù)狀態(tài)碼解釋目前設(shè)備所處的狀態(tài)，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)顯示不同顏色進行提示，對于故障信息可快速告警顯示，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測；④標定提醒設(shè)備在線管理系統(tǒng)提供設(shè)備標定的管理信息，包括最近標定時間、下次標定時間和報警時間，根據(jù)當前時間、下次標定時間和報警時間三者關(guān)系用不同顏色提示管理人員進行標定管理。

在線管理由3個部分組成：①在線校時在控制中心管理終端，可以遠程通過生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)與所選的站場RTU進行通訊，對RTU嵌入式系統(tǒng)進行校時，實現(xiàn)遠程管理功能；②遠程升級在控制中心管理終端，可以遠程對RTU嵌入式系統(tǒng)進行升級，并重啟設(shè)備，實現(xiàn)遠程管理功能；③參數(shù)配置對遠程設(shè)備進行通訊參數(shù)設(shè)置、IP地址配置、專用業(yè)務(wù)參數(shù)等進行配置，可實現(xiàn)設(shè)備遠程調(diào)試等管理功能。

5.3 物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理的意義

集中管理提升效率、降低成本。通過在監(jiān)控中心搭建物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)，可以接入生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)可連接范圍內(nèi)的全部智能設(shè)備，實現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)智能設(shè)備的集中管理，為現(xiàn)有人工管理提供了高效的管理平臺和實時的監(jiān)控手段，可提升設(shè)備管理效率、減少人工運維成本。

實時監(jiān)測全面感知、預(yù)先提醒。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理系統(tǒng)提供的豐富的實時監(jiān)測內(nèi)容，包括設(shè)備電量、狀態(tài)、運行時長及設(shè)備參數(shù)信息等，可為設(shè)備運行管理提供全面的信息。通過對電池剩余電量、設(shè)備狀態(tài)告警信息等提醒監(jiān)測，可對問題設(shè)備進行預(yù)先管理。

遠程管理管理方式智能化。通過遠程管理功能的逐步實現(xiàn)，將大大緩解設(shè)備運維任務(wù)，如系統(tǒng)升級、參數(shù)設(shè)置、遠程校時等可以分擔不少現(xiàn)場調(diào)試工作，可有效減少人工現(xiàn)場操作任務(wù)、方便設(shè)備運維操作，體現(xiàn)設(shè)備運維管理方式的智能化水平。

6 總結(jié)

通過在海南福山油田進行物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在線管理平臺的建設(shè)和應(yīng)用，對物聯(lián)網(wǎng)在線管理系統(tǒng)的定位和理解逐漸清晰。

通過系統(tǒng)集成與共享，設(shè)備在線管理可以發(fā)揮更大的作用。它可作為生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)EMS的核心功能，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與生產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息對接，提供了設(shè)備運行數(shù)據(jù)；設(shè)備在線管理還為應(yīng)急管理系統(tǒng)提供故障現(xiàn)場數(shù)據(jù)支持，為應(yīng)急指揮提供關(guān)鍵的決策支持；可以為企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)ERP、傳統(tǒng)設(shè)備管理系統(tǒng)提供實時設(shè)備信息，是建設(shè)企業(yè)管控一體化的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。

[1]賀安武，李強，閆學(xué)峰等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油田設(shè)備管理[J].中國石油和化工，2012，（6）：43-45.

[2]萬軍，王洪元.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字油田中的應(yīng)用[J].石油化工自動化，2015（1）：1-4.