邊緣計算技術(shù)在“源、供、注、配”一體化智能注水監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)中的研究與應(yīng)用

劉宇閑 彭章保 彭玉芬 何海成

“源、供、注、配”一體化智能注水系統(tǒng)建設(shè)是智能注水系統(tǒng)建設(shè)的重要組成部分，是通過油田物聯(lián)網(wǎng)配套建設(shè)，強(qiáng)化注水系統(tǒng)設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與流程之間的關(guān)聯(lián)程度，提升注水運(yùn)行管控水平的建設(shè)項目。較傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)集中運(yùn)算監(jiān)控系統(tǒng)，長慶油田第六采油廠強(qiáng)調(diào)本質(zhì)安全、突出細(xì)節(jié)設(shè)計，圍繞邊緣計算技術(shù)在不同場景的落地應(yīng)用開展了相關(guān)研究并成功融入了建設(shè)工作中，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，取得了一定成效，在支撐監(jiān)控系統(tǒng)安全高效運(yùn)行基礎(chǔ)上為同類項目建設(shè)提供了借鑒和參考。

第六采油廠生產(chǎn)區(qū)域集中在陜西省定邊縣境內(nèi)，覆蓋15個鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），礦權(quán)總面積3080平方公里，管理胡尖山、姬塬、新安邊3個油田56個油藏，由于水源井、供水站、注水站、穩(wěn)流閥組位置廣泛分布于油區(qū)井站，呈點(diǎn)多面廣的特點(diǎn)，注水系統(tǒng)運(yùn)行管控難度較大。2010年起，第六采油廠遵循長慶油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級工作部署，相繼完成了77口水源井，2座供水站、43座注水站數(shù)字化配套建設(shè)，基于SCADA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了注水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2021年，長慶油田公司在智能油田建設(shè)中，提出了圍繞“源、供、注、配”流程，開展一體化智能注水監(jiān)控系統(tǒng)示范區(qū)建設(shè)工作部署，以解決設(shè)備與流程、設(shè)備與設(shè)備之間的控制關(guān)聯(lián)度低，設(shè)備操控步驟多，智能化程度低的問題。

為此，第六采油廠圍繞邊緣計算技術(shù)在項目中的應(yīng)用展開了相關(guān)研究。

一、邊緣計算技術(shù)介紹

（一）基本原理

邊緣計算，是指在靠近物體或數(shù)據(jù)源頭的一側(cè)，采用網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲、應(yīng)用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端運(yùn)算和控制服務(wù)。其應(yīng)用程序在邊緣側(cè)發(fā)起，產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能等方面的基本需求。邊緣計算涉足通信技術(shù)、運(yùn)營技術(shù)、信息技術(shù)多個領(lǐng)域，與通信、數(shù)據(jù)聚合、芯片、傳感、自控行業(yè)應(yīng)用等多個產(chǎn)業(yè)鏈有著交叉和融合。

（二）功能設(shè)計

近年來，隨著相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的發(fā)展和提升，油田數(shù)字化設(shè)備性能得到了顯著提升。RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）除基本的數(shù)據(jù)采集和控制功能以外，具備了數(shù)據(jù)計算和判斷診斷的功能，PLC（可編程邏輯控制器）除儀表數(shù)據(jù)采集、機(jī)泵設(shè)備遠(yuǎn)程控制功能外，還支持SCL、ST等高級編程語言，能夠?yàn)閺?fù)雜條件判斷和復(fù)雜程序的執(zhí)行搭建平臺。

（三）技術(shù)優(yōu)勢

通過對比，較傳統(tǒng)設(shè)備組成控制系統(tǒng)，使用具有邊緣計算技術(shù)的設(shè)備具有以下優(yōu)勢：

1. 實(shí)時感知采集，減少傳輸帶來的反應(yīng)延遲。

2. 計算（控制）下沉至邊緣側(cè)，可脫網(wǎng)離線正常運(yùn)行。

3. 故障智能診斷、時鐘同步服務(wù)，助于自動控制系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4. 提供的相關(guān)服務(wù)能實(shí)現(xiàn)計算卸載，規(guī)?；瘧?yīng)用后可降低SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)瘦身減負(fù)、簡化功能開發(fā)難度，提高日常運(yùn)維難度。

5. 云邊組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可降低監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)更新、故障檢修時對生產(chǎn)造成的沖擊和影響。

二、邊緣計算技術(shù)在源供注配項目建設(shè)中的應(yīng)用

（一）水源井單井監(jiān)控

根據(jù)近年來的使用經(jīng)驗(yàn)，傳統(tǒng)設(shè)備水源井RTU僅能夠?qū)崿F(xiàn)簡單潛水泵電機(jī)遠(yuǎn)程啟停、狀態(tài)監(jiān)測、電參采集、井口壓力和流程采集的基礎(chǔ)功能。在源、供、注、配項目建設(shè)中，選用了可編程嵌入式架構(gòu)的水源井智能保護(hù)儀。較傳統(tǒng)水源井?dāng)?shù)字化設(shè)備，水源井智能保護(hù)儀有以下優(yōu)勢：

1. 運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，可面向需求新增訂制開發(fā)功能，靈活性強(qiáng)。

2. 新增單井運(yùn)行模式遠(yuǎn)程控制，能夠在本地運(yùn)行不同邏輯的預(yù)置控制程序，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)模式一鍵切換，避免周邊計算節(jié)點(diǎn)開發(fā)復(fù)雜控制程序。

3. 能夠?qū)⒉杉降臐撍秒姍C(jī)電流、電壓和壓力、流量儀表電氣回路數(shù)據(jù)進(jìn)行二次計算判斷，實(shí)現(xiàn)儀表設(shè)備故障智能診斷。

4. 具有系統(tǒng)時鐘網(wǎng)絡(luò)同步功能，確保監(jiān)控系統(tǒng)時頻穩(wěn)定。

5. 使用以太網(wǎng)接口接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，無需Modbus網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，中間環(huán)節(jié)少，接入簡便快捷。

（二）水源井集群化邊緣控制

依托現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)資源，配套了性能強(qiáng)大、通信資源豐富的西門子S7-1500系列PLC控制器，用以搭建“水源井集群化調(diào)度控制平臺”。該過程中，調(diào)度控制PLC按照水源井與供水站的工藝管網(wǎng)關(guān)系，主要完成四項任務(wù)：

一是建立點(diǎn)對多點(diǎn)的通信與上游數(shù)口水源井進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，組建集群化數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)；二是按照數(shù)據(jù)鏈約定標(biāo)準(zhǔn)，對電參、時間等需要進(jìn)行倍率變化、格式轉(zhuǎn)換處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理并提供最終結(jié)果；三是通過私有協(xié)議，與供水站PLC控制器進(jìn)行通信，讀取原水罐液位儀表數(shù)據(jù)；四是根據(jù)執(zhí)行調(diào)度控制規(guī)則，提供上下游接口，實(shí)現(xiàn)設(shè)定單口水源井的工作模式，并將對應(yīng)模式下的水源井與站點(diǎn)原水罐液位進(jìn)行連鎖后執(zhí)行高停低啟的控制。

在示范作業(yè)區(qū)建設(shè)項目中，應(yīng)用該方案成功組建了4個水源井集群、較傳統(tǒng)模式逐中接入SCADA系統(tǒng)組建集群化控制相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. PLC控制器程序封裝管理難度小，容易形成規(guī)范，較SCADA系統(tǒng)編制逐句逐條開發(fā)編寫分散獨(dú)立集群化控制腳本相比，可縮短系統(tǒng)組建周期。

2. PLC控制器批量處理數(shù)據(jù)能力強(qiáng)，對原本需要SCADA系統(tǒng)進(jìn)行二次運(yùn)算才能得到最終結(jié)果的數(shù)據(jù)，諸如電流縮小100運(yùn)算等，提前完成了二次運(yùn)算。通過直接向PLC提供最終運(yùn)算結(jié)果，可減少SCADA系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)。

3. PLC控制器運(yùn)算周期短，經(jīng)過對PLC循環(huán)執(zhí)行周期的監(jiān)測，學(xué)莊作業(yè)區(qū)循環(huán)掃描周期最長僅為14.625ms，相較SCADA系統(tǒng)集中運(yùn)行各類周期不定、難度不一的運(yùn)算腳本，在控制更為精確。

4. SCADA系統(tǒng)監(jiān)控畫面開發(fā)組態(tài)難度明顯下降，操作人員只需完成簡單設(shè)置就可實(shí)現(xiàn)以水源井液位為目標(biāo)，自動控制多口水源井日常運(yùn)行。

5. 計算控制由邊緣設(shè)備執(zhí)行，SCADA系統(tǒng)停運(yùn)期間，不會對水源井控制造成負(fù)面影響。

三、效果分析

較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)+SCADA系統(tǒng)云集中運(yùn)算的生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用邊緣計算技術(shù)建成的“源、供、注、配”一體化智能注水監(jiān)控系統(tǒng)，云邊功能設(shè)計精細(xì)、算力分配合理、協(xié)同理念突出、瘦身肩負(fù)明顯，項目建設(shè)周期較傳統(tǒng)開發(fā)方式縮短近20天，項目涉及的8座站點(diǎn)、49臺機(jī)泵、21口水源井和149座穩(wěn)流注水閥組的341口注水井實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵環(huán)節(jié)的連鎖控制、閉環(huán)調(diào)節(jié)、自動調(diào)配、智能診斷和故障自切除等自控功能，累計新增功能18項注水系統(tǒng)人工遠(yuǎn)程監(jiān)控干預(yù)時間由5.0小時/天下降到0.5小時/天，提質(zhì)減負(fù)顯著，系統(tǒng)運(yùn)行安全穩(wěn)定。

四、結(jié)語

第六采油廠總結(jié)寶貴的數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，圍繞邊緣計算技術(shù)應(yīng)用開展了積極探索，通過精細(xì)方案設(shè)計、堅持系統(tǒng)思維，確保了相關(guān)技術(shù)落地應(yīng)用；通過新舊技術(shù)結(jié)合，優(yōu)化了資源配置，控制了建設(shè)費(fèi)用；通過注重邊緣側(cè)各節(jié)點(diǎn)的功能細(xì)節(jié)設(shè)計，踐行了本質(zhì)安全，圓滿完成了建設(shè)投用工作。下步，該廠將繼續(xù)物聯(lián)網(wǎng)遵循云、邊、端框架結(jié)合，圍繞技術(shù)落地應(yīng)用進(jìn)行持續(xù)完善和改進(jìn)，為同類項目建設(shè)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

作者單位：中國石油長慶油田分公司第六采油廠