修井機遠程監控系統研究

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）

隨著數字化油田建設發展，建立基于SOA架構的石油物資裝備完整性管理平臺，集成風險評估系統和狀態監測系統，從油井生產、設備安裝使用、維護保養、數據分析等方面實現對油田生產設備的智能管控和監督。對于裝備制造企業，基于設備的實時狀態監測，多樣化的信息匯總，以及大數據的統計分析，為工程裝備的改進設計、生產制造、產品質量提升提供必要的數據支撐。同時變被動維修為積極主動的預防性維修、預測性維修，由傳統的售后服務模式向“時時服務，終身服務”轉變。

1 系統總體架構

修井機遠程監控系統是對其運行數據進行遠程傳輸，實時掌握修井機設備運行現狀參數和關鍵圖像資料，通過人機對話、雙向互通及時對設備故障進行分析，實現修井機產品實時全方位監控。

（1）工作原理。修井機遠程監控系統使油田公司和渤海裝備公司各級管理人員通過訪問網絡服務器來迅速獲取自己權限下的所有信息并及時做出響應。遠程監控系統管理模式如下：將來自各傳感器的信號輸入采集終端，采集終端將信號轉換后通過網絡轉發到油田物質裝備和渤海裝備監控中心。監控中心的監控計算機對收到的來自前端的數據，通過軟件界面進行顯示。

（2）總體構架。遠程視頻監控系統由各個修井機現場數據采集子系統、數據傳輸子系統、近程人機交互子系統和遠程監控子系統組成。修井機遠程監控系統網絡拓撲。修井機現場負責信號的采集，采集的數據由PLC集中處理，并傳遞給人機界面和信號發射裝置。數據傳輸子系統將處理過的信號，通過遠程中繼單元以4G信號的形式傳遞給移動終端和遠程監控中心。監控中心可以通過網絡管理多個修井機現場子系統，能切換至任何一個監控點現場，實施總體監控，從而實現對每臺修井機的監控。

2 現場數據采集子系統

修井機現場數據采集子系統包括動態數據采集、靜態數據錄入和設備數據存儲等。采集的動態數據包括環境信息、現場作業信息、設備運行信息和維修、保養信息。環境、作業和運行信息由系統自動采集，維修、保養信息由用戶錄入。靜態數據錄入整車信息、底盤車信息、上裝部件信息，靜態信息由制造廠家錄入，可供用戶查詢。

（1）動態數據采集。①數字量信號采集。PLC與電機動力系統DSP模塊連接，接收DSP模塊傳輸的數字量信號，采集數字量信號包括工作時間、消耗電量、進線電壓、電機轉速等；PLC接收編碼器、繼電器采集的數字量信號，包括絞車轉速、過圈防碰信號等信號。②模擬量信號采集。模擬量數據包括液路系統壓力、液路系統溫度、起升缸工作壓力、伸縮缸工作壓力、氣路系統壓力、燃油箱液位、大鉤載荷、變速箱油壓等。③其他信號采集。地理位置信號采集：修井機上安裝有GPS接收器，采集設備動態位置和時間等信息，遠程監控系統自動在具有地理信息查詢和地圖匹配功能的電子地圖上，對設備位置和軌跡進行顯示跟蹤。視頻信號采集裝置：采用多點攝錄設備，并存儲在當地，設備故障或發生安全事故時，可以讀取數據，回放現場狀態。

（2）靜態數據錄入。靜態數據是對修井機的性能描述，主要包括整機參數、底盤車參數和主要部件參數。在整機出廠時，由制造廠家進行靜態數據錄入。

3 數據傳輸子系統

數據傳輸子系統采用tcp/ip和www技術，通過4G/GPRS無線傳輸方式，將數據實時回傳至遠程監控中心。

（1）通訊協議。通訊協議是根據石油天然氣行業特殊環境在現有各種工業總線基礎之上開發的用于數據傳輸的自定義協議，加入數據校驗和容錯算法，保證數據實時性和準確性。由于是自定義通訊協議，具有較強的保密性，在沒有獲得通訊協議授權之前是無法解析這些數據的。協議數據的傳輸依賴于現有的各種工業總線（如RS485、以太網等），該協議具備低冗余特性，便于復雜網絡的數據傳輸。

（2）遠程數據傳輸。DTU支持雙通道傳輸數據，支持與多中心進行數據通信，支持域名解析功能。現場DTU把設備的運行數據、作業數據、報警信息、報表等數據通過4G或GPRS傳輸到監控中心服務器。

4 近程人機交互子系統

近程人機交互是以串行通信方式與PLC進行連接，通過軟件界面的方式讓修井現場操作者可以直觀地管理設備，其內容主要包括系統設置、集中監控、實時監控、報警保養提醒、歷史數據、預防性維護、維修記錄、報表、技術資料等。近程人機交互界面如圖1所示。

近程人機交互實現操作者與設備之間的溝通，通過趨勢圖、報警列表和數字等方式，反映出設備的工作狀態，使整個修井作業過程可視化。同時接受操作者發出的各種命令和參數設置，用來更改作業工藝和控制設備運行。當發生報警時，首先在人機界面提示操作者，并形成報警列表，解釋報警原因。

圖1 近程人機交互界面

5 遠程監控子系統

遠程監控子系統架設在油田物資裝備遠程監控中心和渤海裝備遠程監控中心，遠程監控中心涉及遠程監測、設備管理、現場作業、數據統計/分析、故障診斷、作業統計和決策支持等功能，滿足各個部門等不同層面的管理需求，實現多級數據自動同步和匯總，支持跨專業數據共享和跨專業業務協作，是一個一體化的決策管理平臺，并且能為企業經營管理、生產安全管理、數據管理等其他業務管理提供相關數據依據。其主要功能如下。

（1）設備監控。監控設備的運行數據、狀態和報警信息，及時掌握設備的健康狀態。第一時間掌握故障情況、潛在隱患，及時的做出故障分析、診斷和評估，并進行工作調度和安排，快速的采取針對性控制措施，清除隱患，降低設備的維修費用。

（2）預防性維護。預防性維護可防止設備意外故障、意外事故。預防性維護可根據修井施工作業的規范、作業手冊、操作卡等創建設備巡回檢查計劃、部件維護計劃、作業施工安排等，做好事前預防。

（3）數據庫技術。①故障代碼庫。建立故障代碼庫提高了數據的質量，使管理人員對設備維護的統計分析更加準確。②圖像化數據分析。數據可以圖像化顯示，這樣更直觀的分析數據。通過分析可以獲得關鍵績效指標：平均故障恢復時間；設備利用率；設備完好率；設備壽命周期成本；綜合利用率；設備停機率。 修井時效指標：系統可以將修井工程全井段各項作業消耗的時間，通過餅圖，柱狀圖或折線圖進行描繪。用戶可以清晰的了解各項作業所占用的工程時間比例和整個鉆井工程的時間消耗趨勢。③統計分析報表。統計分析報表為設備管理部門制定維護計劃、提高設備的生產效率、降低設備故障率提供充分的科學依據。為設備制造商持續改進設計、制造提供數據支撐。

（4）手持終端。監控數據中的記錄、文檔查看等動作都可以在手機、平板電腦、PDA等移動設備中完成。當有報警或異常信息時，服務器自動把信息推送到移動設備上，保證信息響應的及時性。在修井機每個部件上都有二維碼標識，使用手持設備掃描二維碼便可快速獲取設備的信息后，填寫維護記錄、檢驗記錄、狀態變更等信息。

6 結語

修井機通過遠程監控系統，加強了用戶對設備使用和維護信息的跟蹤管理，有效地提高設備的可靠性、可控性和安全性，延長了設備使用周期，提高設備管理的水平和效率。同時為制造廠實現了設備監控、維護、統計分析、大數據建立、再優化調整的閉環，幫助制造廠提高了產品經濟效益和市場競爭力。