修井機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究

苑承波，張洪光，劉健，田恒

（渤海裝備中成裝備制造公司，天津 300280）

隨著數(shù)字化油田建設(shè)發(fā)展，建立基于SOA架構(gòu)的石油物資裝備完整性管理平臺(tái)，集成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，從油井生產(chǎn)、設(shè)備安裝使用、維護(hù)保養(yǎng)、數(shù)據(jù)分析等方面實(shí)現(xiàn)對(duì)油田生產(chǎn)設(shè)備的智能管控和監(jiān)督。對(duì)于裝備制造企業(yè)，基于設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，多樣化的信息匯總，以及大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，為工程裝備的改進(jìn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、產(chǎn)品質(zhì)量提升提供必要的數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)變被動(dòng)維修為積極主動(dòng)的預(yù)防性維修、預(yù)測(cè)性維修，由傳統(tǒng)的售后服務(wù)模式向“時(shí)時(shí)服務(wù)，終身服務(wù)”轉(zhuǎn)變。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

修井機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)其運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)時(shí)掌握修井機(jī)設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀參數(shù)和關(guān)鍵圖像資料，通過人機(jī)對(duì)話、雙向互通及時(shí)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)修井機(jī)產(chǎn)品實(shí)時(shí)全方位監(jiān)控。

（1）工作原理。修井機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)使油田公司和渤海裝備公司各級(jí)管理人員通過訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來迅速獲取自己權(quán)限下的所有信息并及時(shí)做出響應(yīng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)管理模式如下：將來自各傳感器的信號(hào)輸入采集終端，采集終端將信號(hào)轉(zhuǎn)換后通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到油田物質(zhì)裝備和渤海裝備監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)收到的來自前端的數(shù)據(jù)，通過軟件界面進(jìn)行顯示。

（2）總體構(gòu)架。遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)由各個(gè)修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、近程人機(jī)交互子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)組成。修井機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｐ蘧畽C(jī)現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)信號(hào)的采集，采集的數(shù)據(jù)由PLC集中處理，并傳遞給人機(jī)界面和信號(hào)發(fā)射裝置。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)將處理過的信號(hào)，通過遠(yuǎn)程中繼單元以4G信號(hào)的形式傳遞給移動(dòng)終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。監(jiān)控中心可以通過網(wǎng)絡(luò)管理多個(gè)修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)子系統(tǒng)，能切換至任何一個(gè)監(jiān)控點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施總體監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)修井機(jī)的監(jiān)控。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

修井機(jī)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入和設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括環(huán)境信息、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息、設(shè)備運(yùn)行信息和維修、保養(yǎng)信息。環(huán)境、作業(yè)和運(yùn)行信息由系統(tǒng)自動(dòng)采集，維修、保養(yǎng)信息由用戶錄入。靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入整車信息、底盤車信息、上裝部件信息，靜態(tài)信息由制造廠家錄入，可供用戶查詢。

（1）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集。①數(shù)字量信號(hào)采集。PLC與電機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)DSP模塊連接，接收DSP模塊傳輸?shù)臄?shù)字量信號(hào)，采集數(shù)字量信號(hào)包括工作時(shí)間、消耗電量、進(jìn)線電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速等；PLC接收編碼器、繼電器采集的數(shù)字量信號(hào)，包括絞車轉(zhuǎn)速、過圈防碰信號(hào)等信號(hào)。②模擬量信號(hào)采集。模擬量數(shù)據(jù)包括液路系統(tǒng)壓力、液路系統(tǒng)溫度、起升缸工作壓力、伸縮缸工作壓力、氣路系統(tǒng)壓力、燃油箱液位、大鉤載荷、變速箱油壓等。③其他信號(hào)采集。地理位置信號(hào)采集：修井機(jī)上安裝有GPS接收器，采集設(shè)備動(dòng)態(tài)位置和時(shí)間等信息，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)在具有地理信息查詢和地圖匹配功能的電子地圖上，對(duì)設(shè)備位置和軌跡進(jìn)行顯示跟蹤。視頻信號(hào)采集裝置：采用多點(diǎn)攝錄設(shè)備，并存儲(chǔ)在當(dāng)?shù)?，設(shè)備故障或發(fā)生安全事故時(shí)，可以讀取數(shù)據(jù)，回放現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。

（2）靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入。靜態(tài)數(shù)據(jù)是對(duì)修井機(jī)的性能描述，主要包括整機(jī)參數(shù)、底盤車參數(shù)和主要部件參數(shù)。在整機(jī)出廠時(shí)，由制造廠家進(jìn)行靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入。

3 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)采用tcp/ip和www技術(shù)，通過4G/GPRS無線傳輸方式，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。

（1）通訊協(xié)議。通訊協(xié)議是根據(jù)石油天然氣行業(yè)特殊環(huán)境在現(xiàn)有各種工業(yè)總線基礎(chǔ)之上開發(fā)的用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖远x協(xié)議，加入數(shù)據(jù)校驗(yàn)和容錯(cuò)算法，保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。由于是自定義通訊協(xié)議，具有較強(qiáng)的保密性，在沒有獲得通訊協(xié)議授權(quán)之前是無法解析這些數(shù)據(jù)的。協(xié)議數(shù)據(jù)的傳輸依賴于現(xiàn)有的各種工業(yè)總線（如RS485、以太網(wǎng)等），該協(xié)議具備低冗余特性，便于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。

（2）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。DTU支持雙通道傳輸數(shù)據(jù)，支持與多中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，支持域名解析功能。現(xiàn)場(chǎng)DTU把設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、報(bào)表等數(shù)據(jù)通過4G或GPRS傳輸?shù)奖O(jiān)控中心服務(wù)器。

4 近程人機(jī)交互子系統(tǒng)

近程人機(jī)交互是以串行通信方式與PLC進(jìn)行連接，通過軟件界面的方式讓修井現(xiàn)場(chǎng)操作者可以直觀地管理設(shè)備，其內(nèi)容主要包括系統(tǒng)設(shè)置、集中監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、報(bào)警保養(yǎng)提醒、歷史數(shù)據(jù)、預(yù)防性維護(hù)、維修記錄、報(bào)表、技術(shù)資料等。近程人機(jī)交互界面如圖1所示。

近程人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)操作者與設(shè)備之間的溝通，通過趨勢(shì)圖、報(bào)警列表和數(shù)字等方式，反映出設(shè)備的工作狀態(tài)，使整個(gè)修井作業(yè)過程可視化。同時(shí)接受操作者發(fā)出的各種命令和參數(shù)設(shè)置，用來更改作業(yè)工藝和控制設(shè)備運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，首先在人機(jī)界面提示操作者，并形成報(bào)警列表，解釋報(bào)警原因。

圖1 近程人機(jī)交互界面

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控子系統(tǒng)架設(shè)在油田物資裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和渤海裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心涉及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、設(shè)備管理、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)/分析、故障診斷、作業(yè)統(tǒng)計(jì)和決策支持等功能，滿足各個(gè)部門等不同層面的管理需求，實(shí)現(xiàn)多級(jí)數(shù)據(jù)自動(dòng)同步和匯總，支持跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享和跨專業(yè)業(yè)務(wù)協(xié)作，是一個(gè)一體化的決策管理平臺(tái)，并且能為企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)安全管理、數(shù)據(jù)管理等其他業(yè)務(wù)管理提供相關(guān)數(shù)據(jù)依據(jù)。其主要功能如下。

（1）設(shè)備監(jiān)控。監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)和報(bào)警信息，及時(shí)掌握設(shè)備的健康狀態(tài)。第一時(shí)間掌握故障情況、潛在隱患，及時(shí)的做出故障分析、診斷和評(píng)估，并進(jìn)行工作調(diào)度和安排，快速的采取針對(duì)性控制措施，清除隱患，降低設(shè)備的維修費(fèi)用。

（2）預(yù)防性維護(hù)。預(yù)防性維護(hù)可防止設(shè)備意外故障、意外事故。預(yù)防性維護(hù)可根據(jù)修井施工作業(yè)的規(guī)范、作業(yè)手冊(cè)、操作卡等創(chuàng)建設(shè)備巡回檢查計(jì)劃、部件維護(hù)計(jì)劃、作業(yè)施工安排等，做好事前預(yù)防。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。①故障代碼庫(kù)。建立故障代碼庫(kù)提高了數(shù)據(jù)的質(zhì)量，使管理人員對(duì)設(shè)備維護(hù)的統(tǒng)計(jì)分析更加準(zhǔn)確。②圖像化數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)可以圖像化顯示，這樣更直觀的分析數(shù)據(jù)。通過分析可以獲得關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)：平均故障恢復(fù)時(shí)間；設(shè)備利用率；設(shè)備完好率；設(shè)備壽命周期成本；綜合利用率；設(shè)備停機(jī)率。 修井時(shí)效指標(biāo)：系統(tǒng)可以將修井工程全井段各項(xiàng)作業(yè)消耗的時(shí)間，通過餅圖，柱狀圖或折線圖進(jìn)行描繪。用戶可以清晰的了解各項(xiàng)作業(yè)所占用的工程時(shí)間比例和整個(gè)鉆井工程的時(shí)間消耗趨勢(shì)。③統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表。統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表為設(shè)備管理部門制定維護(hù)計(jì)劃、提高設(shè)備的生產(chǎn)效率、降低設(shè)備故障率提供充分的科學(xué)依據(jù)。為設(shè)備制造商持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)、制造提供數(shù)據(jù)支撐。

（4）手持終端。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中的記錄、文檔查看等動(dòng)作都可以在手機(jī)、平板電腦、PDA等移動(dòng)設(shè)備中完成。當(dāng)有報(bào)警或異常信息時(shí)，服務(wù)器自動(dòng)把信息推送到移動(dòng)設(shè)備上，保證信息響應(yīng)的及時(shí)性。在修井機(jī)每個(gè)部件上都有二維碼標(biāo)識(shí)，使用手持設(shè)備掃描二維碼便可快速獲取設(shè)備的信息后，填寫維護(hù)記錄、檢驗(yàn)記錄、狀態(tài)變更等信息。

6 結(jié)語

修井機(jī)通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，加強(qiáng)了用戶對(duì)設(shè)備使用和維護(hù)信息的跟蹤管理，有效地提高設(shè)備的可靠性、可控性和安全性，延長(zhǎng)了設(shè)備使用周期，提高設(shè)備管理的水平和效率。同時(shí)為制造廠實(shí)現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)控、維護(hù)、統(tǒng)計(jì)分析、大數(shù)據(jù)建立、再優(yōu)化調(diào)整的閉環(huán)，幫助制造廠提高了產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。