基于移動應(yīng)用的油田安全自動化監(jiān)控

劉軍全,沈志成,葉明媛

(中石油長慶油田分公司第七采油廠，陜西 西安 710299)

張爽,崔志翔,鄭亮

(北京華油明信能源技術(shù)有限責任公司，北京 102200)

基于移動應(yīng)用的油田安全自動化監(jiān)控

劉軍全,沈志成,葉明媛

(中石油長慶油田分公司第七采油廠，陜西 西安 710299)

張爽,崔志翔,鄭亮

(北京華油明信能源技術(shù)有限責任公司，北京 102200)

通過搭建基于移動應(yīng)用的油田安全自動化控制模型，介紹了WCF遠程通信、設(shè)計模式、阿里云服務(wù)、研華ADAM-6017模擬量輸入輸出模塊、索福達可燃氣體變送器等技術(shù)應(yīng)用和設(shè)備使用方法，其中包含了該模型的核心算法以及代碼。自動化監(jiān)控系統(tǒng)基于聯(lián)合站現(xiàn)有安全監(jiān)控識別設(shè)備，采用物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)技術(shù)，整合管理多類型氣體監(jiān)控設(shè)備和場站控制器，完成包括數(shù)據(jù)采集、信息識別、網(wǎng)絡(luò)傳輸、自動化控制的功能，將報警信息通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸至云服務(wù)，同時分發(fā)消息至場站監(jiān)控室和用戶移動客戶端，通知用戶險情信息，觸發(fā)警報并控制單位門禁系統(tǒng)聯(lián)動。

油田安全；自動化控制；單件模式；WCF全雙工；模擬量輸入；云服務(wù)；變送器

作業(yè)區(qū)聯(lián)合站對原油進行儲存、輸送、加熱、計量等，在整個的輸送及操作過程中，由于液體腐蝕、設(shè)備泄露或其他原因，可能導(dǎo)致相對封閉空間內(nèi)有可燃氣體泄露的風險。場站內(nèi)雖已安裝相應(yīng)的探測及報警設(shè)備，以警報通知等方式預(yù)警，但缺少將警報與應(yīng)變動作相關(guān)聯(lián)的自動化方案，如封閉門禁自動開啟、通風系統(tǒng)自動開啟、移動網(wǎng)絡(luò)消息傳送等。模型建設(shè)通過將報警信號、設(shè)備信號、門禁信號、移動設(shè)備信號進行統(tǒng)一關(guān)聯(lián)，聯(lián)動設(shè)置，能夠更快、更安全的處理突發(fā)事件。

1 設(shè)計方案

移動應(yīng)用下的油田安全自動化控制模型主要是基于自動化控制，將控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過移動互聯(lián)網(wǎng)進行傳輸、存儲、展示。自動化控制模型采用工業(yè)常用的可燃氣體變送器、電子門禁系統(tǒng)，移動應(yīng)用則通過web方式進行數(shù)據(jù)的展現(xiàn)?！翱扇細怏w變送器”接收可燃氣體濃度數(shù)據(jù)，發(fā)送至“模擬量輸入輸出模塊”?！澳M量輸入輸出模塊”將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過以太網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至“數(shù)據(jù)采集服務(wù)器”；“數(shù)據(jù)采集服務(wù)器”可根據(jù)采集到的氣體濃度值判定是否通過modBus啟動“風扇”。“數(shù)據(jù)采集服務(wù)器”通過HTTP協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝，發(fā)送至“云服務(wù)”?！霸品?wù)”接收數(shù)據(jù)后進行存儲并進行邏輯判斷：當氣體質(zhì)量濃度大于45mg/L時，通過TCP/IP協(xié)議向遠程執(zhí)行結(jié)構(gòu)“門禁”系統(tǒng)發(fā)送開門指令。遠程“門禁”系統(tǒng)接收到開門指令后執(zhí)行開門操作。移動應(yīng)用終端通過移動網(wǎng)絡(luò)查看傳感器工作情況，包括氣體濃度、門禁狀態(tài)(開門、關(guān)門)、風扇狀態(tài)(啟動、停止)。

1)可燃氣體變送器為索福達SDF-600型變送器，廣泛應(yīng)用于石油化工、燃氣輸配、建筑材料、核能及國防工業(yè)、冶金、船舶制造、海洋石油開采等行業(yè)。變送器與控制系統(tǒng)之間支持開關(guān)量信號輸出、4～20mA工業(yè)標準信號輸出、RS485通訊總線連接，其供電方式采用直流24V。

2)采用“研華科技ADAM-6017”的模擬量輸入輸出模塊。該模塊收集所需資料的同時也可透過數(shù)據(jù)采集模塊進行現(xiàn)場的自動化控制。它支持8個不同的訊號源，且模擬量輸入支持不同范圍的電壓、電流；同時也提供2個數(shù)位輸出端口(開關(guān)量)，可連接電磁閥、繼電器、報警燈、閘門，實現(xiàn)自動化控制。模擬量輸入轉(zhuǎn)換數(shù)字信號后通過以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議送出。

3)執(zhí)行機構(gòu)采用了電子門禁系統(tǒng)。該門禁系統(tǒng)有一套完整的機械執(zhí)行機構(gòu)，且具備智能系統(tǒng)特點，可以通過網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口、串口進行管理與數(shù)據(jù)通信；同時具備一定的事件拋出功能，如開門、驗證、登錄等事件。

4)云服務(wù)器(Elastic Compute Service 簡稱ECS)是一種簡單高效、處理能力可彈性伸縮的計算服務(wù)。其特點：提供全網(wǎng)唯一IP地址以及高效的域名解析；可提供云盤數(shù)據(jù)，可靠性不低于99%自動宕機遷移、數(shù)據(jù)備份和回滾系統(tǒng)性能報警；防DDoS(Distributed Denial of Sewice,分布式拒絕服務(wù))系統(tǒng)、安全組規(guī)則保護、多用戶隔離、防密碼破解；10min內(nèi)可啟動或釋放百臺云服務(wù)器，5min內(nèi)停機升級CPU和內(nèi)存、在線不停機升級帶寬。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 WCF全雙工通信

模型中的“執(zhí)行機構(gòu)”服務(wù)器作為整個系統(tǒng)的執(zhí)行客戶端，需要接收云服務(wù)器發(fā)送的“開門”指令，因此采用WCF的全雙工通信。服務(wù)器可在需要的時候通過回調(diào)機制執(zhí)行客戶端特定的程序接口。WCF全雙工通信采用“NetTcpBinding”綁定協(xié)議。

雙工接口定義如下：

[ServiceContract(CallbackContract=typeof(GasProbeCloudService.ID3Contract))]

public interface IDC_Service

{ //心跳監(jiān)測

[OperationContract]

void Heartbeat();

// web端的執(zhí)行方法,用于驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)注冊的回調(diào)方法

[OperationContract]

stringRunCallBackOpenDoor();

}

[ServiceContract]

public interface ID3Contract

{

[OperationContract]

stringDoorDeviceDuplexExecuture();

}

2.2 模擬量讀取

模型采用的是ADAM-6017，故使用ADAM-6017的配套開發(fā)工具包實現(xiàn)對ADAM-6017的數(shù)據(jù)讀取操作。具體過程如下：

1)定義ADAM模塊對象，指明模塊類型(6017、6018……)。

AdamSocketadamModbus=new AdamSocket()；

Adam6000Type m_Adam6000Type=Adam6000Type.Adam6017；

2)獲取ADAM對象的模擬量輸入端口、數(shù)位輸出端口的個數(shù)，這是由設(shè)備類型決定的。

Intm_iAiTotal=AnalogInput.GetChannelTotal(m_Adam6000Type)；

Intm_iDoTotal=DigitalOutput.GetChannelTotal(m_Adam6000Type)；

3)通過網(wǎng)絡(luò)連接ADAM硬件對象。

adamModbus.Connect( [ip地址],ProtocolType.Tcp, [端口號]);

4)定時調(diào)用數(shù)據(jù)讀取接口，轉(zhuǎn)換對應(yīng)的邏輯數(shù)值。

int[] iData;

adamModbus.Modbus().ReadInputRegs(iStart, m_iAiTotal, out iData)；

5)數(shù)位輸出控制。

// 讀取數(shù)字開關(guān)狀態(tài) ADAM 6017具備兩個數(shù)字輸出

Bool [] bData=null;

adamModbus.Modbus().ReadCoilStatus(iStart, m_iDoTotal, out bData)；

// 設(shè)置第一個數(shù)位輸出狀態(tài)為接通狀態(tài)在模型中該端口控制風扇電源接通狀態(tài)

booliOnOff=true;

intiStart=0;

adamModbus.Modbus().ForceSingleCoil(iStart, iOnOff)。

2.3 移動應(yīng)用端

當“數(shù)據(jù)采集服務(wù)器”完成云端上傳后，云端服務(wù)器通過IIS向基于移動應(yīng)用WEB端提供實時數(shù)據(jù)發(fā)送。為了能夠使多種移動應(yīng)用平臺訪問數(shù)據(jù)，模型采用基于HTML頁面方式提供。

HTML頁面使用JAVASCRIPT通過ajax定時向后臺發(fā)送HTTP數(shù)據(jù)請求；后臺將請求結(jié)果封裝為JSON格式返回前臺，由javascript負責數(shù)據(jù)解析、顯示。后臺則使用C#編寫的一般HTTP處理程序。

public class GasValuesService : IHttpHandler

{ // 為提升效率,只在對象第一次被構(gòu)建時創(chuàng)建WCF訪問客戶端實例以靜態(tài)變量形式存儲

private static GasProbeCaptureCloud.GPC_ServiceClientgpcClient =

newGasProbeCaptureCloud.GPC_ServiceClient()；

……

public void ProcessRequest(HttpContext context)

{context.Response.ContentType="text/plain"；

string text="";

if (GasValuesService.gpcClient.State !=

System.ServiceModel.CommunicationState.Opened)

{GasValuesService.gpcClient.Open()；

}

if (GasValuesService.gpcClient.State == System.ServiceModel.CommunicationState.Opened)

{// text=GasValuesService.gpcClient.GetGasValuesJson("", 0);

}

context.Response.Write(text);

}

……

}

3 注意事項

1)系統(tǒng)模型主要是基于技術(shù)上的原理與實現(xiàn)，在顯示應(yīng)用中應(yīng)強化網(wǎng)絡(luò)安全的管控。

2)“執(zhí)行機構(gòu)”往往在執(zhí)行動作指令時是需要一定的時間來完成，因此在應(yīng)用過程中應(yīng)注意避免在一次執(zhí)行動作尚未完成前再次發(fā)送執(zhí)行指令，避免設(shè)備損壞或過度消耗。

3)模型中所采用的變送器只是為了說明整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，在實際應(yīng)用中應(yīng)結(jié)合具體傳感器進行針對性的程序開發(fā)來完成數(shù)據(jù)采集。

4)模型中的ADAM-6017 與可燃氣體變送器的接線規(guī)則分為“三線”和“四線”2種方式，具體內(nèi)容如下：三線方式，前提是變送器數(shù)量少，且模擬量輸入輸出有足夠大和多余的電流來驅(qū)動變送器；四線方式，前提是變送器多，傳輸距離遠。

4 應(yīng)用評價及擴展應(yīng)用

系統(tǒng)經(jīng)過實際開發(fā)，在聯(lián)合站進行應(yīng)用試驗。模擬場站計量間可燃氣體探測器信號觸發(fā)，通過SCADA系統(tǒng)傳輸獲取到探測器報警信號，將模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為二進制信號，通過生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)上傳至廠級云服務(wù)數(shù)據(jù)庫。

在廠級云服務(wù)系統(tǒng)中，部署數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，將信號分發(fā)給場站控制室；在控制室部署門禁激活服務(wù)，接受信號并控制門禁系統(tǒng)自動開啟；云服務(wù)能同時將報警信號按預(yù)設(shè)規(guī)則分發(fā)到指定用戶的手機，提醒用戶查看并處理報警信息。

可將系統(tǒng)應(yīng)用擴展至其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，如高清攝像頭、紅外闖入監(jiān)控、煙霧報警設(shè)備、明火探測設(shè)備等，通過解析相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)參數(shù)，將這些設(shè)備信號進行采集和處理，傳送至廠云服務(wù)系統(tǒng)，從而按需分發(fā)給相關(guān)應(yīng)急設(shè)備及通知相關(guān)單位及個人，達到提高油田生產(chǎn)安全的目的。

[編輯] 帥群

2016-09-20

劉軍全(1973-)，男，高級工程師，現(xiàn)從事油田開發(fā)和綜合地質(zhì)研究；liujunq_cq@petrochina.com.cn。

TE938

A

1673-1409(2017)11-0091-03

[引著格式]劉軍全,沈志成,葉明媛，等.基于移動應(yīng)用的油田安全自動化監(jiān)控[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(11):91～93.