信息化輔助監控系統在油氣行業中的應用研究

摘 ?要：物聯網和大數據、云計算技術的不斷發展完善，帶動了油氣行業研究智能聯控信息化輔助監控系統的需求。為了真正實現“智慧油氣田”，進行了帶外網絡管理平臺與基于數據采集器構建的井站信息化輔助功能系統的研究。研究旨在探究系統的應用潛能，以實現通過輔助監控系統減少現場派工，方便故障排查并實現無人化，利用設備完成對重要數據的直觀監測，輔助技術人員更有效率地完成生產建設任務。

關鍵詞：數據采集器;數據透傳;串行通信;帶外網管

中圖分類號：TE938;TP277 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0100-04

Abstract：The continuous development and improvement of internet of things，big data and cloud computing technology has driven the demand of oil and gas industry to research intelligent joint control information auxiliary monitoring system. In order to realize “smart oil and gasfield”，this paper studies the outband platform and the auxiliary function system of well station information based on data collector. The purpose of the research is to explore the application potential of the system，so as to reduce the on-site dispatching through the auxiliary monitoring system，facilitate the troubleshooting and realize unmanned，use the equipment to complete the intuitive monitoring of important data，and assist the technical personnel to complete the production and construction tasks more efficiently.

Keywords：data collector;data transparent transmission;serial communication;outband

0 ?引 ?言

油氣行業現有的通信系統、生產信息化輔助系統及自控系統的故障確認及記錄，均采用人工確認告警，臺賬報表記錄方式進行管理。技術員在受理故障時，接到的往往是故障報告（如：通信中斷），要查出故障原因就必須進行回溯摸排。由于停電及設備死機等原因都可能造成通信中斷，處理人員在排查時必須依次檢查，所以故障處理的效率很低。

一直以來，信息化生產維護方式是以技術小組為單位，實行技術人員對生產區域的承包責任制。當技術人員數目和技術素質足以滿足設備維護需求時，生產區域的正常運作就能得到有效保障。然而，隨著生產系統的不斷優化，應用的系統種類的數目和型號越來越多。

生產系統的無人值守化需要大量設備及系統硬件，而硬件需要合理的管理優化才能發揮最大的效能。從統計學的角度看，由故障率計算公式分析得知，當需要處理的故障對象N增加到一定數量之后，平均無故障時間MTBF會減小，設備發生一般性故障（如：設備宕機、線路阻斷）的次數會直線上升。忽略掉因為各種因素導致故障無法處理的情況，假定每個技術人員都能獨立處理完成，那么這些一般性故障的原因排查加上現場狀況恢復確認的任務，匯總起來工作量就十分可觀。因此，傳統的故障處理方式始終存在人力、時間、設備工具、車輛等資源問題。

目前石油行業井站的巡檢方式為：從總部派遣人員車輛，按季度和片區到井站現場進行巡檢。人員開具作業票或操作卡，經屬地人員辨識。運用智能防爆終端，對已標記的設備進行二維碼電子巡檢及拍照、檢查設備間環境、排查線路端口、查看設備運轉狀況、檢查有無告警。每年的故障排查與問題處理解決都會消耗大量的人力物力資源。

1 ?油氣井站故障狀況的現狀分析

1.1 ?井站的故障處置流程

（1）通過微信平臺、屬地及巡檢運維人員電話、運維QQ群、電話報障平臺、生產監控平臺告警的檢查反饋進行故障確認。

（2）聯系距離現場最近的井站管理人員/巡檢人員，或是運營商/承包商對故障情況進行確認，拍照反饋。嘗試用人工重啟設備及檢查線纜端口狀況等一般方式恢復。如果設備支持帶內網管功能，請求總站技術專家進行遠程故障排查。

（3）一般方法測試及遠程故障排查處理無效后，安排外聘技術專家至現場配合井站屬地及巡檢人員排查故障。如有必要，安排聯系中心專家或故障設備生產廠家配合進行故障處理。

1.2 ?故障情況分類

目前油氣行業的生產系統包括：光通信系統、網絡傳輸系統、視頻安防系統、大屏系統、電源系統、雙向語音對講系統、太陽能系統、設備間動環監控系統及其他系統。經統計的故障實例如表1、圖1所示。

1.3 ?以往故障數據統計

根據石油行業某單位的“2019年運維故障登記”得出了以下主要統計結果：

2019年總計發生約425次網絡傳輸故障，主要故障原因包括：11次電源故障（不包括空開跳閘、停電）;36次設備死機（含RTU及路由器交換機，原因基本為死機、溫度過高、端口堵死，經重啟后能恢復）;22次UPS/UPD及太陽能系統故障;48次停電、空開跳閘故障。其中，使用了耗材及備品備件完成修復的故障總計約59次;重啟設備完成的故障處理及判斷約36次。

2019年年內總計發生約324次視頻安防系統故障，主要故障原因包括：接頭端子或線纜故障約54次;設備死機造成的故障約21次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復的故障總計約53次;重啟設備完成的故障處理及判斷約64次。

2019年年內總計發生約107次電源系統故障，主要故障原因包括：UPS/UPD及故障8次;停電、空開跳閘故障26次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復的故障總計約10次。

2 ?選題目的及意義

為了有效提升單井站的故障處理和運維效率，幫助現場人員更好地完成生產任務，提效率、降成本、增效益，實現運維巡檢智能安全且高效的目的，我們計劃應用市場上現有的成熟技術產品搭建硬件，在生產環境中進行測試實驗，驗證方案可行性。通過技術手段實現管理人員的權限分級管控，消除單井站故障監測盲點，實現故障事前預防預警、故障歷史記錄及分析。完善跨平臺業務協同，實現帶外網絡管理的功能，方便管理人員通過移動終端讀取數據。對在用系統實現動態跟蹤分析，生產過程全監測，設備狀態自動診斷，挖掘數據資源價值。

3 ?信息化輔助監控系統設計選型

3.1 ?嵌入式串口處理以太網傳輸模塊監控應用

不同系統的設備，如交換機、UPS、路由器、RTU控制器等，由于存在專業用途的差異性，加上廠家規格的不同，很難進行集中訪問控制。但是各個系統仍支持主流的串行通信接口（RS232/RS485/RS422）。如圖2所示，框內為UPS/UPD電源背板的RS485、RS232接口。

我們計劃利舊井站現有設備的串口，運用一種專門的嵌入式設備處理串口數據。在參考了行業標準及規范后，考慮運用以太網透傳TCP/UDP協議，并配合Modbus協議的主從服務模式來監控前端設備的狀態，把井站設備串口讀取到的數據信息傳輸到統一的上級管理站進行管理。計劃監測的內容包括UPS/UPD、網元設備（帶網管功能交換機及路由器等）、自動控制等系統的數據。

當透傳的數據被接收以后，上級管理計算機可以使用不同的應用對數據進行編輯和操作，從而方便人員管理。進而不需要再到單井站現場處理操作，以此提升效率。

系統最終選用了NP801三合一串口設備聯網服務器。這是一種ARM架構的嵌入式系統設備，能夠通過以太網傳輸RS232/RS485/RS422制式的串口數據，對接現有的主要通信自控設備，工作原理簡單有效，是一種帶外網管工具，無需投入大量資金更換或升級原有軟件和硬件系統方案，產品經過市場檢驗，高效、安全、穩定、簡單有效。如表2所示是總結的設備部署效益分析。

NP801部署必備條件：分配1個局域網IP地址;局域網路由可達。通過該設備對串口數據進行收集匯總。

3.2 ?遠程數據采集終端部署

由于單井站現場仍存在I/0接口的監控需求。為了對這部分接口進行處理，選中了金鴿科技的幾款監控模塊（Supervision Module），旨在配合組態軟件及內網服務器，用多端顯示的方式讀取數據，利用數學工具統計分析。

這種數據采集終端類似于RTU的工作方式，主要針對一些I/0接口設備的數據接收，如傳感器、繼電器、控制器、PLC及RTU等設備，其可以進行的狀態監測如：機柜內溫濕度、蓄電池內阻狀態、UPS/UPD監控、太陽能系統光照強度、雷擊及靜電防護、紅外線探傷、微波探傷、蓄電池氫氣濃度及可燃氣體濃度等。也可以用于自控的井安、壓力、流量監測。

這些模塊可以實現對空調調溫器的控制、PDU及電源設備的硬重啟，把控生產過程監測與報警，以及實現物聯設備的自診斷。希望通過這套監控模塊盡可能減少工作人員的工作量，提升效率。監控模塊的詳細情況如表3及圖3所示。

4 ?信息化輔助監控系統應用

4.1 ?搭建帶內網絡管理平臺

（1）搭建硬件測試環境：完成電源線纜及設備電源的安裝，測試使用NP801的RS232接口連接AR1200路由器的Console口，NP801的RJ45接口連接局域網交換機，通過局域網內的測試電腦（假定為最終數據匯總管理計算機）進行測試，檢驗對AR1200的數據查詢及配置功能（帶外網絡管理）。

（2）局域網內電腦使用配置軟件，搜索NP801設備，進行數據配置設置選用串口種類及通信參數。（此處測試電腦IP地址為10.90.123.181，將NP801地址配置為10.90.120. 249）完成數據配置后，用ping命令測試至NP801的網絡可達情況，確認無誤。

（3）在測試電腦上使用網絡調試軟件Xshell（根據對串口數據的應用目的，可以選擇不同的管理軟件，如組態軟件或CRT等）新建會話。建立對NP801的Telnet訪問會話，實現對AR1200路由器的訪問及控制。

（4）建立并保存多主機會話，統一管理。

4.2 ?部署遠程數據采集終端及應用

（1）要使用設備，首先要安裝驅動程序，用專用軟件完成配置。以添加設備及采集設備溫濕度為例，部署一套設備的查詢控制用例。

（2）打開瀏覽器，進入設備管理地址（此處應用了動態網頁管理服務）。顯示登錄頁面，輸入賬號密碼登錄，顯示主界面。系統登錄界面支持二維碼掃描登錄。在首頁，會顯示設備管理的主界面，可以了解在用的用戶數量、下屬機構、待確認告警、已處理告警、設備總數、在線設備數量、離線設備數量及任務數（邏輯任務），方便管理人員查閱統籌管理。

（3）添加設備，完成設備名稱命名，檢查數據采集器收集的數據。在設備管理頁面，綁定每個設備的序列號，對設備名稱進行命名，手動添加設備在GIS界面的定位（一般為人為修改定位地址，部分設備支持自動定位，如S475），可以根據需要定制VPN地圖，完成設備數據點的校驗添加及參數設置。

（4）創建告警任務，根據需要指定觸發器邏輯命令，觸發器根據需要設置關聯點位、條件、名稱及轉發對象（觸發器可進行克隆以批量復制）。在左側的任務欄，選擇任務管理-觸發器管理，點擊創建觸發器。在創建觸發器管理頁面，選擇設備及數據點，設置觸發條件。關聯推送信息方式，完成對溫濕度條件告警的設置。

（5）完成設備創建后，在設備管理主界面顯示出新建設備信息以及觸發器信息。主界面顯示出設備告警及設備數量，告警信息顯示出設備名稱、序列號、數據點名稱、觸發時間、告警條件、觸發值及推送數量。告警頁面可以設置告警信息確認。

至此，設備管理界面設置完成，告警信息可成功通過觸發器顯示，實現了對溫濕度傳感器的數據接收。

5 ?信息化輔助監控系統效果檢測

帶內網絡管理平臺界面圖如圖4所示。

帶內網絡管理平臺部署后，系統可以完成對AR1200設備的查詢控制。后續在一部分無人單井站及部分設備間嘗試了使用NP801串口轉換器建立管理平臺。通過NP801能夠成功讀取到RS232/RS485/RS422等串口的數據，根據需要可以應用特定的管理軟件進行數據處理。如OpenView、CiscoWorks、Tivoli這類的網管軟件系統都是帶內網管。網管系統必須通過網絡來管理設備，如果無法通過網絡訪問被管理對象，帶內網管系統就失效了，接下來就要使用帶外網管系統。

帶外網管是網管系統中的緊急通道。方便了巡檢運維工作，避免了系統安全依賴于局域網網絡條件所受的限制，減少了故障排查時間，提升了效益。井站的設備串口得到了充分利用，幫助總站運維人員實現了技術管理的方法提升。

部署的遠程數據采集終端及應用，很好地實現了對傳感器I/O數據點位的數據采集及集中顯示。系統可以方便地搜尋需要的設備、點位、人員等歷史信息，即具有可追溯性，并可以根據需要創建管理機構組織及管理人員角色，對管理員權限進行有效把握。可以實現對告警信息、設備上下線、設備控制信息的查詢。另外，系統支持數據的表格及圖像分析，支持表格數據的導出，方便人員對數據的統計，按需求可增加數學處理模塊，建立數學模型。數據信息可以選擇推送服務，如可以設置提供中間推送服務商。指定accessKeyID、accessSecret及AppID，保證網絡安全。

6 ?結 ?論

帶內網絡管理平臺與遠程數據采集終端系統為油氣巡檢運維質量提升探尋出了新的解決途徑，減少了運維消耗理論時間，減小了路途上的風險，巡檢運維管理效率能夠獲得有效提升。部署的系統非常實用，能夠有效解決我們現實工作中的絕大部分問題。降低人員的勞動強度，簡化工作流程，實現降本增效。

該數據采集系統支持接入多種通信協議，提供多種網絡接入方式，可實現實時信息交互，并且可通過接入不同的硬件模塊，實現多種功能的擴展，應用前景十分廣闊。在中國，隨著兩化融合的大力實施，以及物聯網和大數據智能控制技術的完善，相信信息化輔助監控系統也會順應發展潮流，不斷地進行更新變革。

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作者簡介：廖恒（1994—），男，漢族，四川自貢人，助理工程師，畢業于四川大學錦城學院，本科，研究方向：機械電子工程。