基于LoRa射頻的石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

汪君明，袁鴻軼，韋丁午

（1.渤海鉆探塔里木鉆井分公司，新疆 庫爾勒 841000；2.渤海裝備華油鋼管公司，河北 滄州 062650）

0 引言

石油鉆探行業(yè)設(shè)備經(jīng)常處于環(huán)境惡劣的室外運行，由于設(shè)備多而復(fù)雜的特性導(dǎo)致工作人員需更加注重設(shè)備的保養(yǎng)與維護管理，盡管已有部分監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)被應(yīng)用于鉆井行業(yè)，但是各監(jiān)控部分相互獨立，必須人為參與巡檢任務(wù)，而且并未具備實時分析數(shù)據(jù)的功能[1-3]。這種情況會引起監(jiān)控系統(tǒng)的分散，往往都是事故發(fā)生后進行預(yù)警或作出反應(yīng)，并且在大量投入人力、物力去維護設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，受到外界環(huán)境因素的影響，還是不能做到及時發(fā)現(xiàn)隱患。目前石油行業(yè)處于自動化的階段，加上近幾年國家的大力支持，某些石油地區(qū)井隊已經(jīng)配備高度自動化的設(shè)備，從而減少人力勞動，提升鉆井效率。從另一方面來說，對于現(xiàn)場人員自動化程度越高的設(shè)備所帶來的相關(guān)問題越難以處理，所以智能化的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案引起了行業(yè)廣泛的關(guān)注，并且針對現(xiàn)場通信方式多為有線通信，可能有斷線、短路等風(fēng)險，因此將有線通信改進為技術(shù)成熟的無線LoRa射頻通信技術(shù)，由于LoRa無線模塊具備在同等功率的條件下傳輸距離更遠的優(yōu)點，并且抗干擾能力也遠勝于其他無線技術(shù)，因此在環(huán)境惡劣的條件下該技術(shù)具備可靠性、穩(wěn)定性[4-5]。

基于LoRa射頻的石油鉆機智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為4個架構(gòu)層，包括物聯(lián)層、數(shù)據(jù)層、智能層、業(yè)務(wù)層，其概念圖如圖1所示。在物聯(lián)層主要就是確定面向?qū)ο蟮脑O(shè)備，傳統(tǒng)的監(jiān)測參數(shù)主要是電動機電壓、電流，而智能化監(jiān)控系統(tǒng)從鉆機八大系統(tǒng)主要設(shè)備出發(fā)，例如提升系統(tǒng)的絞車、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤、循環(huán)系統(tǒng)的泥漿泵等[6]，監(jiān)測重要數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)層分析的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)層主要技術(shù)手段是數(shù)據(jù)的采集方式，從硬件角度來說，要通過智能網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，從軟件角度來說，設(shè)計合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法，將數(shù)據(jù)集歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化；智能層主要從智能監(jiān)控、智能預(yù)警、智能分析、智能維護的角度出發(fā)，重點是研究算法；業(yè)務(wù)層主要是終端顯示方式，可采用Web端，也可以采用移動端進行監(jiān)控。

圖1 石油鉆機智能化監(jiān)控系統(tǒng)概念圖

1 系統(tǒng)組成

基于LoRa射頻的石油鉆機智能化監(jiān)控系統(tǒng)重點集中于數(shù)據(jù)層和智能層，數(shù)據(jù)層可以采集工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、故障報警等信息，利用PLC有線通信將數(shù)據(jù)內(nèi)置于程序內(nèi)部，再通過智能網(wǎng)關(guān)F8L10T與PLC無線LoRa射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至服務(wù)器，經(jīng)過算法處理后，最終結(jié)果顯示于Web端及移動端。監(jiān)控工控機采用研華IPC-610L型，服務(wù)器是ThinkPad R14 Windows Server 2012服務(wù)器系統(tǒng)，搭建石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)的云平臺是易云平臺，通過平臺組態(tài)搭建實現(xiàn)鉆機安全狀態(tài)、報警信息、巡檢信息等功能，并且將重要信息遠程發(fā)送至移動端，重要人員隨時收到警報及任務(wù)信息，易云平臺提供豐富的REST接口，可供應(yīng)上層人員二次開發(fā)。

圖2 石油鉆機智能化監(jiān)控系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計的系統(tǒng)主要實現(xiàn)：1）設(shè)備資源數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、規(guī)則報警；2）設(shè)備的健康診斷與分析；3）設(shè)備維護計劃、任務(wù)、人員的統(tǒng)一管理；4）支持移動端的信息同步。

石油鉆機監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要安全可靠的傳輸環(huán)境，而且還需針對關(guān)鍵設(shè)備做一定的算法預(yù)測，智能化的監(jiān)控系統(tǒng)能極大降低石油行業(yè)人力成本、經(jīng)濟成本，帶動行業(yè)從自動化設(shè)備轉(zhuǎn)型智能化設(shè)備，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)融合，減少風(fēng)險隱患，提升故障處置能力，優(yōu)化資源配置，降低維護成本[7-10]。

2 基于LoRa石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計前端采用Veu3.0框架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳統(tǒng)Web架構(gòu)，基于Proxy的底層與前端API都能實現(xiàn)響應(yīng)式反饋，Web后端運用SpringBoot技術(shù)，與傳統(tǒng)的Spring技術(shù)相比，在配置方式上具有一定的優(yōu)勢，對第三方框架可以兼容，而且內(nèi)嵌Sevelet可以降低對環(huán)境因素的影響。反觀移動端，也提出比原本的Android系統(tǒng)更優(yōu)化的設(shè)計方案，F(xiàn)lutter是Google的SDK且免費開源，其UI包完全可以作為設(shè)計交互式界面的素材，能提升系統(tǒng)運行效率，渲染效果高效簡潔，增強用戶體驗。

在石油行業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是最值得關(guān)注的問題，基于LoRa射頻的石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，維護性強，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，抗干擾能力強，完全能夠適應(yīng)環(huán)境因素的影響，大大提升鉆機安全運行的能力，以下是對該系統(tǒng)的具體設(shè)計劃分。

1）監(jiān)測中心。監(jiān)測中心具備對電控系統(tǒng)所控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，對重要的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，當(dāng)超過閾值時，會發(fā)出警報。而且該模塊支持用戶查看歷史參數(shù)，便于工作人員根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗做一定的自主判斷決策，也會以可視化的方式展現(xiàn)監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)趨勢波動，能夠觀察相關(guān)性高的參數(shù)值，方便用戶自定義分組參數(shù)列表，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測中心架構(gòu)

2）健康診斷中心。監(jiān)控診斷中心主要對選定的設(shè)備提供基于局域網(wǎng)、藍牙、GPS的定位功能，根據(jù)設(shè)備的運行環(huán)境、參數(shù)列表、歷史維護信息、故障警告、失效分析等因素，提出權(quán)重分布方式，對需要重點關(guān)心的參數(shù)及設(shè)備進行重點監(jiān)控，利用線性回歸模型，簡單預(yù)測故障發(fā)生的時間段及概率。根據(jù)用戶配置的健康指標(biāo)和傳感器數(shù)據(jù)交叉檢驗對比，深度了解當(dāng)前運行狀態(tài)，對超出健康標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備給予警告處理，并支持運維工單的填寫，便于故障溯源。同時，將結(jié)果數(shù)據(jù)緩存于服務(wù)器，為后續(xù)報警裝置提供指導(dǎo)意見，如圖4所示。

圖4 健康診斷中心架構(gòu)

3）報警中心。系統(tǒng)中的所有報警列表來源于PLC警報設(shè)定、基于規(guī)則和函數(shù)預(yù)警的工業(yè)算法，選擇設(shè)備分組、類型、狀態(tài)來篩選報警數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備報警需人員參與維護和檢查，并將檢查結(jié)果通過移動端確認并反饋結(jié)果。對于系統(tǒng)的報警提示，內(nèi)置結(jié)果權(quán)重指標(biāo)，將權(quán)重大的結(jié)果優(yōu)先推送處理，而且為了防止工作人員沒有細心檢查，所以必須含有人員確認過程，如圖5所示。

圖5 報警中心

4）維護管理。傳統(tǒng)的計劃維護方式是定點、定時檢修，只需人為設(shè)定時間節(jié)點即可，到該時刻自動下發(fā)通知。與傳統(tǒng)方式相比，本系統(tǒng)增加了用戶自定義檢修計劃，并關(guān)聯(lián)歷史記錄和報警信息，對高頻故障設(shè)備重點監(jiān)控，提供相關(guān)設(shè)備資料及廠家信息，便于隨時溝通?，F(xiàn)場人員發(fā)起維修計劃，可以設(shè)定計劃類型，如部件維修或整體設(shè)備維修、重大維修或輕度維修等，支持周期計劃，還可以具體指派某人去進行養(yǎng)護管理。為了便于現(xiàn)場人員查閱信息，提供列表信息，對處理過的問題做記錄，便于下次查看，如圖6所示。

圖6 維護管理

5）移動端。移動端包括監(jiān)測、報警、維護等主要功能，針對不同的設(shè)備生成唯一二維碼標(biāo)志，現(xiàn)場工作人員利用智能監(jiān)控系統(tǒng)APP或者微信小程序，掃描二維碼后可對當(dāng)前設(shè)備運行狀態(tài)進行查看，更加靈活方便。針對系統(tǒng)中未處理、已處理、處理中的報警信息，進行移動端下發(fā)通知，指派相應(yīng)維護人員，通知對重點任務(wù)的監(jiān)督處理，處理管理員可以修改信息操作，其他人員只能查看設(shè)備報警情況，不能操作。移動端的設(shè)備維護功能重點是提醒工作人員處理未維護的任務(wù)，將正在維護的設(shè)備重點監(jiān)控，同時查看任務(wù)詳情、處理資料、處理維護任務(wù)、結(jié)果提交，如圖7所示。

圖7 移動端架構(gòu)

基于LoRa射頻的石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要采用LoRa射頻技術(shù)，工作于433～470 MHz范圍內(nèi)，直線傳輸距離＞200 m，F(xiàn)8L10T智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置LoRa模塊，整體上屬于協(xié)調(diào)器，用來建立網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)PLC外置網(wǎng)關(guān)在協(xié)助自身通信的同時，對其他數(shù)據(jù)進行中轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)。石油鉆機運行參數(shù)及安全信息經(jīng)過處理后，作為實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫的輸入，通過信息融合計算，得到監(jiān)控數(shù)據(jù)，并顯示在大屏投影儀或者大屏顯示器上。而移動端用于隨時監(jiān)測、信息關(guān)聯(lián)等操作，同時做到及時通知，在處理問題響應(yīng)時間上進一步提升。

3 結(jié)論

基于LoRa射頻的石油鉆機智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案是一種可行、可靠的方案，解決了鉆機現(xiàn)場維護困難、故障難以溯源等難以解決的問題，對鉆井參數(shù)進行實時采集、記錄、分析、展示，而且具備結(jié)果預(yù)測能力，提前發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，提升了鉆機的信息傳遞的適應(yīng)性，克服了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的局限性、易損性，有效提高設(shè)備的維護能力及數(shù)據(jù)安全的能力，對智能化鉆機有很好的指導(dǎo)意義，避免發(fā)生事故。