基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙春雪，李兵元，韓夢蝶，殷 潔，吳權(quán)萍

（新疆油田公司數(shù)據(jù)公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

近年來，隨著油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)的日趨成熟和油田生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，為實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)的集中監(jiān)控與科學(xué)管理，許多油田先后建設(shè)了以分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等為代表的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，但系統(tǒng)間存在通信協(xié)議不一致、數(shù)據(jù)集中交互困難、難以統(tǒng)一監(jiān)控管理等問題。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中交互和統(tǒng)一監(jiān)控管理，本文結(jié)合紅山油田現(xiàn)有生產(chǎn)自動(dòng)化現(xiàn)狀和信息系統(tǒng)特點(diǎn)，以低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)LoRa 為基礎(chǔ)，利用云平臺，設(shè)計(jì)了一套適用油氣生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控，同時(shí)滿足“統(tǒng)一數(shù)據(jù)、統(tǒng)一監(jiān)控、皆為服務(wù)、靈活部署”的油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，克服了系統(tǒng)間的限制，實(shí)現(xiàn)了不同系統(tǒng)的融合集成，滿足了油田上下游生產(chǎn)過程一體化集中監(jiān)控的應(yīng)用需求。

1 油田生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)簡介

以PLC、DCS、SCADA 為代表的油田生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動(dòng)化監(jiān)控與管理，為油田安全生產(chǎn)和高效開發(fā)提供了強(qiáng)有力的保障。但隨著油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題也越來越明顯，直接制約著生產(chǎn)監(jiān)控工作的正常運(yùn)行，主要體現(xiàn)在繼承性開發(fā)層面各監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)相對獨(dú)立，接口協(xié)議私有化，導(dǎo)致系統(tǒng)間兼容性差，繼承開發(fā)與擴(kuò)展難度較大，不僅為數(shù)據(jù)集中交互、統(tǒng)一監(jiān)控管理帶來了困難，還嚴(yán)重影響了油氣生產(chǎn)的正常運(yùn)行，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。①系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。大規(guī)模數(shù)據(jù)采集和復(fù)雜控制成為趨勢，對系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了更高的要求，現(xiàn)有開發(fā)技術(shù)架構(gòu)無法支撐大數(shù)據(jù)量接入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較差。②系統(tǒng)擴(kuò)容與數(shù)據(jù)管理。受廠家授權(quán)制約，擴(kuò)容成本急劇升高，數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)不完善，數(shù)據(jù)滯后、丟失等問題層出不窮。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺設(shè)計(jì)油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的必要性

當(dāng)前，隨著物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、采集間隔縮短、數(shù)據(jù)采集量增加、數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性逐漸增強(qiáng)，傳統(tǒng)組態(tài)軟件開發(fā)部署方式以及簡單的數(shù)據(jù)監(jiān)控、報(bào)警功能已無法滿足油田生產(chǎn)監(jiān)控的需要。油氣生產(chǎn)監(jiān)控的需求也隨著生產(chǎn)建設(shè)需要、技術(shù)發(fā)展、員工意識不斷變化。

按照油田精益化生產(chǎn)管理的要求，油氣生產(chǎn)監(jiān)控需要通過一個(gè)平臺實(shí)現(xiàn)井、間、站全要素?cái)?shù)據(jù)集中采集與存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合展示與控制，為采油（氣）廠、油（氣）田公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理提供唯一數(shù)據(jù)來源。同時(shí)具備集成、復(fù)用、共享和快速開發(fā)能力以及高度自主的組態(tài)開發(fā)、調(diào)用、展示能力，能夠充分結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際問題，進(jìn)行快速開發(fā)與升級。此外，在提供更簡化便捷的操作體驗(yàn)與更加復(fù)雜精確的報(bào)警分析基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)貫穿全數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性和可持續(xù)性，達(dá)到單一設(shè)備、某一功能故障或升級等均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，確保油田生產(chǎn)的正常運(yùn)行。

3 基于紅山油田物聯(lián)網(wǎng)及云平臺的油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 紅山油田背景簡介

紅山油田是以稠油生產(chǎn)為主的自營油田，主要采用蒸汽吞吐開采方式，單井產(chǎn)量低，生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)高。紅山油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集程度較低，生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制能力較弱，生產(chǎn)監(jiān)控平臺集中化管控覆蓋程度不高，現(xiàn)場大部分采用PLC 就地監(jiān)控，沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中管理。因此其管理方式采用傳統(tǒng)的人工操作和定時(shí)巡檢，用工需求快速上升，結(jié)現(xiàn)場生產(chǎn)和人力成本帶來巨大的壓力。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

該系統(tǒng)以集中監(jiān)控為核心，高度集成全過程生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)過程一體化集中監(jiān)控，滿足了在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)報(bào)警、異常預(yù)警的應(yīng)用需求，形成了工藝設(shè)備、單元、上下游系統(tǒng)的三層防控體系。

3.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)框架主要包括以下內(nèi)容。

（1）應(yīng)用層。該層主要包括工藝流程監(jiān)控、報(bào)表管理、報(bào)警管理、視頻管理、地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）服務(wù)、功圖分析等應(yīng)用功能，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)控、管理等一系列油田業(yè)務(wù)的應(yīng)用，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)度。在應(yīng)用層通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，完成了設(shè)備的狀態(tài)、上線率等信息的實(shí)時(shí)分析，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)趨勢的自動(dòng)預(yù)測，為油氣生產(chǎn)動(dòng)態(tài)調(diào)控、信息綜合分析提供了有效手段。

（2）平臺層。該層主要包括容器、微服務(wù)等方面的服務(wù)模塊以及實(shí)時(shí)流計(jì)算、數(shù)據(jù)交互存儲模塊等，用于快速構(gòu)建油田業(yè)務(wù)應(yīng)用開發(fā)和擴(kuò)展，提高海量生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的管理和分析能力。

其中，平臺層的微服務(wù)模塊，結(jié)合油田業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計(jì)，提供了數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)訂閱、操作日志、資產(chǎn)管理、消息管理、事件管理、實(shí)時(shí)計(jì)算、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)。數(shù)據(jù)存儲交互存儲模塊，則通過構(gòu)建可彈性動(dòng)態(tài)分配存儲空間和處理資源的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺，引入了批計(jì)算和流計(jì)算結(jié)合的大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎技術(shù)，解決了跨網(wǎng)、跨平臺數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)膯栴}，滿足數(shù)據(jù)高頻次、大容量、多樣性的應(yīng)用需求。

（3）基礎(chǔ)層。該層主要依托新疆油田數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建硬件設(shè)施，提供分布式存儲和計(jì)算等基礎(chǔ)資源，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內(nèi)存、存儲、網(wǎng)絡(luò)和其他基本的計(jì)算資源，用于軟件平臺的部署和運(yùn)行。

（4）邊緣層。該層主要包括油田設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議與私有協(xié)議接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和第三方系統(tǒng)的接入能力，實(shí)現(xiàn)紅山油田的油氣生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的接入，數(shù)據(jù)接入后通過消息隊(duì)列遙測傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸?shù)組QTT 消息隊(duì)列，為其他應(yīng)用模塊提供消息服務(wù)。

3.3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，其功能架構(gòu)主要包括參數(shù)匯總、計(jì)量監(jiān)控、設(shè)備管理、報(bào)表查詢、曲線分析、通信監(jiān)測等功能。其中，參數(shù)匯總包括油氣水井實(shí)時(shí)監(jiān)控，接轉(zhuǎn)站、處理站、鍋爐等生產(chǎn)單元工藝流程監(jiān)控，并以組態(tài)方式展示生產(chǎn)單元所屬監(jiān)控參數(shù)。比如，計(jì)量站內(nèi)展示了多通閥、分離器等設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。報(bào)警處理則包括閾值配置、實(shí)時(shí)報(bào)警和報(bào)警統(tǒng)計(jì)，具體如圖1 所示。

3.3.3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

該系統(tǒng)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析、Docker 容器和組件開發(fā)、MQTT通信協(xié)議分析等技術(shù)，與傳統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)相比，提供了強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境，基于微服務(wù)的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)全場景、全業(yè)務(wù)、全流程覆蓋和模板化快速開發(fā)。

其中MQTT 是一種基于TCP/IP 協(xié)議上的“輕量級”通信協(xié)議。MQTT 的顯著優(yōu)勢在于可以在有限寬帶和低功耗的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中提供實(shí)時(shí)可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)［1］。

分布式采集驅(qū)動(dòng)通過分布式采集技術(shù)，支持油田多種類型和國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備的協(xié)議，如ModbusTCP、GRM/LoRa、Modbus/LoRa 等協(xié)議，具有很強(qiáng)的兼容性，打破了傳統(tǒng)系統(tǒng)限制部分標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接入受限于采集點(diǎn)的掣肘。

Rich Web Client+Web API的全新用戶界面（User Interface，UI）運(yùn)行方式，充分展示了系統(tǒng)基于瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，采用Web 發(fā)布的優(yōu)勢，不受限于客戶端的操作系統(tǒng)及類型，可跨平臺、跨終端、免安裝，同時(shí)查詢、展示、復(fù)雜分析響應(yīng)時(shí)間更短。

圖1 紅山油田油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

4 系統(tǒng)在油氣生產(chǎn)中的應(yīng)用

基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合紅山油田的實(shí)際情況，對新一代工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行借鑒，采用集數(shù)據(jù)存儲、傳輸、管理、應(yīng)用于一體的云平臺設(shè)計(jì)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PLC、DCS等監(jiān)控系統(tǒng)的集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)井、計(jì)量站、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合處理站等油氣生產(chǎn)監(jiān)控對象的全面集中監(jiān)控，滿足了廠級、油田公司級生產(chǎn)監(jiān)控管理需求。不同用戶以同一平臺為基礎(chǔ)，實(shí)施監(jiān)控聯(lián)動(dòng)，以同樣數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，開展協(xié)同工作［2］。

紅山油田通過基于物聯(lián)網(wǎng)及云平臺設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了采油、集輸、處理、供汽等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全面感知與實(shí)時(shí)檢測，關(guān)鍵生產(chǎn)活動(dòng)自動(dòng)操控，同時(shí)依托集中監(jiān)控、統(tǒng)一管理，提高了生產(chǎn)運(yùn)行效率，保障了生產(chǎn)運(yùn)行安全，節(jié)省了生產(chǎn)運(yùn)行成本，達(dá)到了關(guān)鍵生產(chǎn)指標(biāo)發(fā)展趨勢預(yù)測和科學(xué)輔助優(yōu)化管理決策的目標(biāo)。

5 結(jié)語

油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合虛擬云技術(shù)，融合了傳感、控制、通信等多種技術(shù)，通過革新等方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、存儲、報(bào)警、數(shù)據(jù)整合等各環(huán)節(jié)的升級改造，完成了井站生產(chǎn)信息的自動(dòng)匯總、綜合處理、輔助分析［3］。油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)在紅山油田的規(guī)模應(yīng)用，確定了以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)設(shè)計(jì)為思路、以云交付設(shè)計(jì)為核心、基于Web 發(fā)布的生產(chǎn)監(jiān)控為應(yīng)用的實(shí)施框架，不僅可以滿足系統(tǒng)整體優(yōu)化時(shí)期生產(chǎn)操作自動(dòng)化、生產(chǎn)運(yùn)行可視化、管理決策系統(tǒng)化的需求，更有利于保障油田生產(chǎn)能安全、環(huán)保、平穩(wěn)運(yùn)行。