油氣田物聯網設備在線管理系統研究

薛廣民 沈 亮 陳 明 陰 亮

（1.海南福山油田勘探開發有限責任公司 海南?？?571000；2.北京油氣調控中心 北京 100007；3.北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 北京 102206）

當前，數字化油氣田建設得到各油氣田公司的重視。各油氣田都在進行或者計劃進行數字化油田的改造，以實現油氣生產、勘探作業的精細管理和實施。在推進油氣田數字化建設的進程中，其核心技術就是物聯網技術。隨著物聯網應用的不斷深入，大量智能無線溫度變送器、無線壓力變送器、無線電量模塊已經在油氣田生產現場得到大規模使用。然而，油氣田現場大多地廣人稀、周界范圍大、地理環境復雜，上述測控設備在安裝、調試、運維過程中存在很大的難度。因此，迫切需要一套物聯網設備在線管理系統，實現對設備的在線監測、遠程管理、自動巡檢、智能運維等管理。

1 設備管理的發展趨勢

設備管理難度大。由于油氣田生產井場絕大多數在野外，工作區域分散、自然條件艱苦，設備長期運行在高溫、高濕等惡劣環境中。了解設備的運行狀態只能通過SCADA系統采集設備狀態進行監控，往往是發生設備故障后，人工確認才進行故障事后管理，提供運維人員的有效設備管理工具不多。

傳統的油氣田設備管理主要是靠值班人員周期性巡檢，不僅成本高，也會留下許多人為因素，存在安全風險。隨著油氣田生產過程中智能設備的種類和數量擴充，現有設備管理方式的局限性更加顯出。

隨著物聯網技術應用的不斷深入，越來越多具有智能化設備得到廣泛應用，基于設備智能化、網絡通訊技術、工業自動化控制技術和信息化技術的綜合運用，對物聯網設備在線實時監測和遠程管理成為設備管理發展的新方向。

2 物聯網在石油行業的應用

物聯網（Internet of Things，簡稱IOT）是通過傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

物聯網技術將成為推動社會經濟發展的強勁動力引擎，優先掌握這一技術領域的制高點，對于提高企業的競爭力也起著決定性作用。物聯網技術的推廣應用已逐漸被各國放在了戰略發展的高度，我國也及時提出建設“感知中國”的戰略目標。

2011年3月，中國石油天然氣集團公司提出油氣生產物聯網系統（A11）。A11覆蓋到石油生產和加工等多個領域，其目標是集成一個可實現生產數據自動采集、關鍵過程聯鎖控制、工藝流程可視化展示、生產過程實時監測的綜合信息平臺。后來，中國石油又出臺了工程技術物聯網系統規劃（A12），A12旨在建立數據自動采集與傳輸平臺、數據一體化存儲平臺、數據綜合應用分析平臺，生產作業實現監控與優化，遠程支持與輔導決策。上述項目有力地推進了物聯網技術在各油氣田現場的推廣與應用。

3 油氣田物聯網設備發展趨勢

物聯網的技術體系主要包括感知層、傳輸層、應用層3個層次（圖1）。其中，感知層位于物聯網三層結構中的最底層，解決的是數據獲取問題，是物聯網的核心。

感知層通過溫度傳感器、壓力傳感器、示功儀、電參等設備采集油氣田生產現場的實時數據，然后通過Zigbee無線網絡、工業現場總線等短距離傳輸技術，通過井口RTU、井場RTU等通訊傳輸設備進行數據集中上傳。

油氣田物聯網建設的一個顯著特點，就是大規模使用智能設備。因而油氣田物聯網建設對油氣田感知設備提出了更高的要求：

①功能集成度高。通過集成油氣田應用的專用算法、無線通訊模塊、安全模塊等，進一步提升了設備各項服務能力。

②智能化程度高，可實現無人值守。通過提供更豐富的設備狀態信息（如故障報警、電量信息、通訊質量等），以及統一的智能化接口，實現設備的可檢測，為井口站場的優化運行提供信息支持。

③可靠性高，維護工作量小。這就要求，在設備的設計和選型階段，選擇高可靠性的模型和芯片；在實現過程中，有針對性地進行場景處理；在測試過程中嚴格把關，保證各種極端條件下設備運行的可靠性。

4 物聯網設備在線管理平臺的技術思路

物聯網設備在線管理平臺基于物聯網技術，通過自動化、信息化兩化融合的思路提供新的設備管理思路：基于物聯網感知設備高度集成化和智能化水平，完善了設備自身信息（設備報警、電池電量、運行時間等），以及提供這些信息的訪問接口；通過高效穩定的近場無線通訊技術（ZigBee網絡技術）和廣域網通訊技術（光纖、衛星等）實現數據傳輸和指令下達；通過生產監控中心建設物聯網設備在線管理系統，實現對全部物聯網智能設備的集中監管，系統可以與設備進行交互，實現遠程在線管理功能，如參數設置、版本升級、校時等部分調試功能；通過與ERP、MES、現有DMS系統進行集成和共享，設備在線管理系統在進行設備數據同步的基礎上，將歷史數據結合實時數據進行合并分析，可提供標定提醒、設備故障預測等功能。

物聯網設備在線管理平臺的建設與實施可分為以下4個方面：①依托物聯網建設，提升設備的智能化水平；②通過規范智能化管理接口，實現物聯設備納入管理標準化；③基于生產網絡，建立集中設備監控系統，將物聯網設備通過網絡通訊實現統一管理；④研發針對智能設備的在線監測和遠程管理等功能，提高設備在線管理的智能化水平，優化人工管理方式。其中，設備智能化升級和規范智能化接口解決的是物聯網設備的接入問題。

5 物聯網設備在線管理系統設計

5.1 總體設計

物聯網模式下的油田設備管理系統是數字化油田建設的重要組成部分，智慧油田的主要設想“由靜態到動態，由被動到主動”將在該系統的支持下實現。物聯網油田設備管理系統框架設計一般可分為感知層、傳輸層和應用層3部分（圖1）。其中：感知層在油氣生產環節實現智能溫度變送器、壓力變送器、電參模塊等傳感器采集溫度、壓力、抽油機工作效率等實時數據；傳輸層主要通過ZigBee網關、無線網橋實現生產現場設備間的互連互通，并通過井場及井口RTU、PLC實現數據集中并由網絡交換器、公用或專用網絡等實現數據的遠程傳輸；應用層是物聯網設備管理平臺，在生產監控中心通過實時監測模塊實現對生產實時監測值、設備狀態、電池電量、通訊質量等進行實時展現，有在線管理模塊實現在線校時、遠程升級、參數設置等功能。

圖1 物聯網設備在線管理系統框架設計圖

5.2 核心功能設計

物聯網設備在線管理系統的核心功能可以劃分為設備交互、在線監測和在線管理。

設備交互由4個部分組成：①設備接口實現針對各種設備進行數據和指令交互的通訊方式、協議轉換、數值轉換等處理，提供設備接入在線管理的接口；②設備建模針對所管理設備的對象模型進行建模，同時對監測值、命令點進行配置，提供數據采集和指令下發的參數配置信息；③設備數據采集通過設備訪問接口和建模信息，通過各種方式獲取設備實時監測數據和設備自身信息；④管理指令下發通過設備訪問接口和建模信息，將設備管理指令下發給具體執行的設備，實現設備管理的智能化。

在線監測由4個部分組成：①設備實時監測針對井場內各井口的智能儀表的監測值、通訊質量等進行監測，主要顯示溫變、壓變、示功儀等智能儀表的數據；②電量監測針對井場內溫變、壓變、示功儀等智能儀表的剩余電量進行監測，將剩余電量進行了時長轉換，并根據剩余時長進行報警，根據剩余時長不同提示不同的報警顏色，方便設備電量管理；③狀態監測實時獲取設備的狀態碼，根據狀態碼解釋目前設備所處的狀態，根據設備狀態顯示不同顏色進行提示，對于故障信息可快速告警顯示，實現設備狀態監測；④標定提醒設備在線管理系統提供設備標定的管理信息，包括最近標定時間、下次標定時間和報警時間，根據當前時間、下次標定時間和報警時間三者關系用不同顏色提示管理人員進行標定管理。

在線管理由3個部分組成：①在線校時在控制中心管理終端，可以遠程通過生產網絡與所選的站場RTU進行通訊，對RTU嵌入式系統進行校時，實現遠程管理功能；②遠程升級在控制中心管理終端，可以遠程對RTU嵌入式系統進行升級，并重啟設備，實現遠程管理功能；③參數配置對遠程設備進行通訊參數設置、IP地址配置、專用業務參數等進行配置，可實現設備遠程調試等管理功能。

5.3 物聯網設備管理的意義

集中管理提升效率、降低成本。通過在監控中心搭建物聯網設備在線管理系統，可以接入生產網絡可連接范圍內的全部智能設備，實現全網絡智能設備的集中管理，為現有人工管理提供了高效的管理平臺和實時的監控手段，可提升設備管理效率、減少人工運維成本。

實時監測全面感知、預先提醒。物聯網設備在線管理系統提供的豐富的實時監測內容，包括設備電量、狀態、運行時長及設備參數信息等，可為設備運行管理提供全面的信息。通過對電池剩余電量、設備狀態告警信息等提醒監測，可對問題設備進行預先管理。

遠程管理管理方式智能化。通過遠程管理功能的逐步實現，將大大緩解設備運維任務，如系統升級、參數設置、遠程校時等可以分擔不少現場調試工作，可有效減少人工現場操作任務、方便設備運維操作，體現設備運維管理方式的智能化水平。

6 總結

通過在海南福山油田進行物聯網設備在線管理平臺的建設和應用，對物聯網在線管理系統的定位和理解逐漸清晰。

通過系統集成與共享，設備在線管理可以發揮更大的作用。它可作為生產執行系統EMS的核心功能，實現了現場設備與生產管理系統的信息對接，提供了設備運行數據；設備在線管理還為應急管理系統提供故障現場數據支持，為應急指揮提供關鍵的決策支持；可以為企業資源計劃管理系統ERP、傳統設備管理系統提供實時設備信息，是建設企業管控一體化的關鍵系統之一。

[1]賀安武，李強，閆學峰等.基于物聯網技術的油田設備管理[J].中國石油和化工，2012，（6）：43-45.

[2]萬軍，王洪元.物聯網技術在數字油田中的應用[J].石油化工自動化，2015（1）：1-4.