油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應(yīng)用

郭亮，王歡，馬強(qiáng)，余輝，張海峰

(中石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000 )

油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應(yīng)用

郭亮，王歡，馬強(qiáng)，余輝，張海峰

(中石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000 )

油氣物聯(lián)網(wǎng)是指借助專用設(shè)備和專用網(wǎng)絡(luò)而搭建的能夠?qū)崿F(xiàn)油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的系統(tǒng)。對(duì)于安塞油田而言，由于生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)未進(jìn)行物理隔離，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)包含數(shù)量眾多的數(shù)字化監(jiān)控設(shè)備，因而較易發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞、數(shù)據(jù)中斷等現(xiàn)象。從故障現(xiàn)象入手，分別從網(wǎng)絡(luò)環(huán)境分析和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)缺陷兩個(gè)方面分析了造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因，提出了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、完善設(shè)備網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等措施，使相關(guān)問題得到了較好的解決。

油氣物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；數(shù)字化監(jiān)控；安塞油田

安塞油田是長慶油田公司的主力采油區(qū)塊，自從2009年大規(guī)模開展數(shù)字化建設(shè)以來，已經(jīng)形成了覆蓋油田采油井場、各級(jí)站點(diǎn)、作業(yè)區(qū)指揮調(diào)度中心的一個(gè)完善的油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。2013年安塞油田按照中石油A11建設(shè)規(guī)范，進(jìn)行了作業(yè)區(qū)級(jí)SCADA系統(tǒng)的升級(jí)，作為配套措施對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了升級(jí)改造[1]：將原以站點(diǎn)為核心的小型局域網(wǎng)擴(kuò)展為涵蓋網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更多、覆蓋范圍更大的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2,3]。但是經(jīng)過一段時(shí)間的應(yīng)用，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使原運(yùn)行穩(wěn)定的數(shù)字化系統(tǒng)出現(xiàn)了較大范圍的數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。為了保證油田的正常生產(chǎn)，筆者對(duì)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)中斷的原因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的解決措施，收到了較好的應(yīng)用效果。

1 安塞油田油氣生產(chǎn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

安塞油田某作業(yè)區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在物理上是由交換機(jī)、光纖、雙絞線構(gòu)成的一個(gè)局域網(wǎng)系統(tǒng)。自上而下包括3層交換機(jī)設(shè)備：位于最上層的為作業(yè)區(qū)的匯聚交換機(jī)(三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī))、中間層的為站點(diǎn)接入交換機(jī)、最下層為井場接入交換機(jī)，交換機(jī)之間采用光纖方式進(jìn)行連接。在邏輯上通過VLAN劃分的方式，將網(wǎng)絡(luò)虛擬為連接辦公設(shè)備的辦公網(wǎng)和連接現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)網(wǎng) 。

對(duì)于一個(gè)作業(yè)區(qū)油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，在生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)包含了大量的生產(chǎn)設(shè)施，主要包括各級(jí)監(jiān)控電腦、站點(diǎn)PLC設(shè)備、井場數(shù)據(jù)采集終端(井場RTU設(shè)備)、井場和站點(diǎn)視頻采集設(shè)備等。其中包含的主要設(shè)備為SCADA服務(wù)器，生產(chǎn)監(jiān)控電腦，視頻監(jiān)控電腦，RTU， PLC 及視頻服務(wù)器。

2 油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中運(yùn)行出現(xiàn)的問題

自2013年SCADA系統(tǒng)投入應(yīng)用，油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在系統(tǒng)中運(yùn)行出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的問題，從2016年4月13日至5月10日期間，該站點(diǎn)共計(jì)出現(xiàn)10次網(wǎng)絡(luò)中斷情況。主要體現(xiàn)為SCADA服務(wù)器與現(xiàn)場油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間(如井場主RTU設(shè)備、站點(diǎn)PLC)普遍出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷。

2.1 網(wǎng)絡(luò)分析

通過對(duì)安塞油田中斷比較嚴(yán)重的杏六注水站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)報(bào)文截取，發(fā)現(xiàn)該站存在較為嚴(yán)重的廣播報(bào)文和組播報(bào)文(圖1)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文截圖

在進(jìn)行報(bào)文截獲時(shí)，數(shù)據(jù)的截獲點(diǎn)位于杏六增PLC至交換機(jī)之間，在該點(diǎn)截獲的數(shù)據(jù)報(bào)文將直接進(jìn)入PLC網(wǎng)絡(luò)接口，對(duì)PLC的網(wǎng)口形成沖擊。通過分析統(tǒng)計(jì)，整理出PLC網(wǎng)絡(luò)接口報(bào)文類型統(tǒng)計(jì)(表1)。

表1 網(wǎng)絡(luò)報(bào)文統(tǒng)計(jì)表

2.2 網(wǎng)絡(luò)中斷分析

在所截獲的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文中，有一處SCADA服務(wù)器和現(xiàn)場PLC中斷的通信報(bào)文(圖2)。服務(wù)器在4496號(hào)報(bào)文處發(fā)起了一條數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，申請(qǐng)讀取現(xiàn)場PLC的數(shù)據(jù)，PLC在4497號(hào)報(bào)文進(jìn)行了回復(fù)。正常情況下，服務(wù)器收到回復(fù)后，會(huì)根據(jù)TCP協(xié)議返回一條確認(rèn)幀(ACK幀)。但是服務(wù)器由于某種原因未收到PLC返回的4497號(hào)報(bào)文，因此SCADA服務(wù)器又發(fā)出了4513號(hào)重讀報(bào)文，結(jié)果PLC未予響應(yīng)。如此，SCADA服務(wù)器又經(jīng)過4次報(bào)文重讀命令后，判斷當(dāng)前PLC出現(xiàn)了通信故障。通過研究確認(rèn)，在安塞油田的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品協(xié)議棧存在一定的缺陷，不支持重傳機(jī)制，因此當(dāng)某種情況下出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞等情況時(shí)就會(huì)出現(xiàn)報(bào)文丟失，而設(shè)備又不能夠?qū)χ刈x報(bào)文進(jìn)行應(yīng)答，就容易造成通信鏈路中斷故障。

圖2 通信中斷報(bào)文截圖

3 造成網(wǎng)絡(luò)擁塞報(bào)文丟失的原因

圖3 VLAN網(wǎng)絡(luò)互連示意圖

VLAN網(wǎng)絡(luò)由若干個(gè)二層交換機(jī)構(gòu)成，交換機(jī)之間通過配置TRUNK口級(jí)聯(lián)以擴(kuò)展端口數(shù)量。為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)的隔離，該作業(yè)區(qū)劃分為2個(gè)VLAN(圖3)。

生產(chǎn)網(wǎng)中的現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和位于辦公網(wǎng)的SCADA服務(wù)器必須通過支持路由功能的三層交換機(jī)才能進(jìn)行通信。如主機(jī)A向主機(jī)B發(fā)送一段報(bào)文，必須經(jīng)過如下路徑：主機(jī)A——交換機(jī)1——三層交換機(jī)——交換機(jī)1——交換機(jī)2——主機(jī)B。

由于實(shí)際上作業(yè)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備比示意圖復(fù)雜的多，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量和VLAN數(shù)量也更多，因此在匯聚鏈路上出現(xiàn)擁塞、報(bào)文丟棄的幾率也更大。那么對(duì)于通信可靠性要求更為嚴(yán)格的工業(yè)通信報(bào)文，一旦出現(xiàn)如前所述的報(bào)文丟失等問題，將會(huì)帶來一系列網(wǎng)絡(luò)問題。對(duì)此必須要通過提高設(shè)備網(wǎng)絡(luò)性能、修補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議缺陷進(jìn)行補(bǔ)救。

4 解決問題的措施

分析安塞油田油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，認(rèn)為造成網(wǎng)絡(luò)故障的原因主要包括2部分：一是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在大量廣播報(bào)文和組播報(bào)文，造成網(wǎng)絡(luò)無用開銷較大；二是油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備抵御網(wǎng)絡(luò)沖擊的抵抗力不足，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧有待優(yōu)化。為此，提出以下相應(yīng)的解決措施。

1)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 借助VLAN技術(shù)，以作業(yè)區(qū)為單位的一個(gè)虛擬局域網(wǎng)劃分為以站點(diǎn)為單位的多個(gè)虛擬局域網(wǎng)[4,5]。通過VLAN劃分，將原有的上百臺(tái)主機(jī)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)劃分為主機(jī)數(shù)量控制在40個(gè)左右的小型網(wǎng)絡(luò)，從而減少了ARP、NBNS等廣播的廣播域。大大降低了網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴的形成，減輕了網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)[6]。

2)凈化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 對(duì)作業(yè)區(qū)內(nèi)的各臺(tái)計(jì)算機(jī)統(tǒng)一安裝正版殺毒軟件，并嚴(yán)格進(jìn)行病毒查殺。

3)修補(bǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(PLC/RTU)網(wǎng)絡(luò)漏洞 優(yōu)化工作主要包括：增加Modbus TCP重傳機(jī)制，避免報(bào)文丟失后無法響應(yīng)主機(jī)重讀請(qǐng)求；修補(bǔ)TCP漏洞，增加半連接、空連接檢測(cè)機(jī)制，并及時(shí)釋放無用網(wǎng)絡(luò)資源，減少syn flood、land攻擊等帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

[1]韓光. 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)生產(chǎn)管理平臺(tái)擴(kuò)展研究[A]. 新疆維吾爾自治區(qū)人民政府，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，中國科學(xué)院，中國工程院.第四屆信息化創(chuàng)新克拉瑪依國際學(xué)術(shù)論壇論文集[C].新疆維吾爾自治區(qū)人民政府，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，中國科學(xué)院，中國工程院: 2016.9.

[2]汪燕. 油氣物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué),2016.

[3]張鶴立. 分層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中干擾管理、用戶連接及自組織技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué),2014.

[4]陳劍鴻. 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)分發(fā)模型及技術(shù)研究[D].廣東：華南理工大學(xué),2013.

[5]唐瑩. 網(wǎng)絡(luò)性能結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2011.

[編輯] 帥群

2016-09-10

郭亮(1984-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油田數(shù)字信息管理工作，guolian1_cq@petrochina.com.cn。

TE928

A

1673-1409(2017)11-0088-03

[引著格式]郭亮，王歡，馬強(qiáng)，等.油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版), 2017,14(11):88～90.