趙春雪，李兵元，韓夢蝶，殷 潔，吳權萍

（新疆油田公司數據公司，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

近年來，隨著油氣生產物聯網系統建設技術的日趨成熟和油田生產規模的擴大，為實現油田生產的集中監控與科學管理，許多油田先后建設了以分散控制系統（Distributed Control System，DCS）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、數據采集與監視控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等為代表的自動化監控系統，但系統間存在通信協議不一致、數據集中交互困難、難以統一監控管理等問題。

為了實現數據集中交互和統一監控管理，本文結合紅山油田現有生產自動化現狀和信息系統特點，以低功耗廣域物聯網技術LoRa 為基礎，利用云平臺，設計了一套適用油氣生產現場監控，同時滿足“統一數據、統一監控、皆為服務、靈活部署”的油氣生產監控系統，克服了系統間的限制，實現了不同系統的融合集成，滿足了油田上下游生產過程一體化集中監控的應用需求。

1 油田生產監控系統簡介

以PLC、DCS、SCADA 為代表的油田生產監控系統實現了生產過程自動化監控與管理，為油田安全生產和高效開發提供了強有力的保障。但隨著油田物聯網建設的不斷推進，傳統監控系統存在的問題也越來越明顯，直接制約著生產監控工作的正常運行，主要體現在繼承性開發層面各監控系統開發相對獨立，接口協議私有化，導致系統間兼容性差，繼承開發與擴展難度較大，不僅為數據集中交互、統一監控管理帶來了困難，還嚴重影響了油氣生產的正常運行，主要表現在以下兩個方面。①系統運行穩定性。大規模數據采集和復雜控制成為趨勢，對系統穩定性提出了更高的要求，現有開發技術架構無法支撐大數據量接入運行，系統運行穩定性較差。②系統擴容與數據管理。受廠家授權制約，擴容成本急劇升高，數據采集驅動不完善，數據滯后、丟失等問題層出不窮。

2 基于物聯網及云平臺設計油氣生產監控系統的必要性

當前，隨著物聯網建設規模的不斷擴大、采集間隔縮短、數據采集量增加、數據間關聯性逐漸增強，傳統組態軟件開發部署方式以及簡單的數據監控、報警功能已無法滿足油田生產監控的需要。油氣生產監控的需求也隨著生產建設需要、技術發展、員工意識不斷變化。

按照油田精益化生產管理的要求，油氣生產監控需要通過一個平臺實現井、間、站全要素數據集中采集與存儲，實現數據綜合展示與控制，為采油（氣）廠、油（氣）田公司生產數據管理提供唯一數據來源。同時具備集成、復用、共享和快速開發能力以及高度自主的組態開發、調用、展示能力，能夠充分結合生產實際問題，進行快速開發與升級。此外，在提供更簡化便捷的操作體驗與更加復雜精確的報警分析基礎上，實現貫穿全數據流的穩定性和可持續性，達到單一設備、某一功能故障或升級等均不影響系統的正常運行，確保油田生產的正常運行。

3 基于紅山油田物聯網及云平臺的油氣生產監控系統設計

3.1 紅山油田背景簡介

紅山油田是以稠油生產為主的自營油田，主要采用蒸汽吞吐開采方式，單井產量低，生產安全風險高。紅山油田生產數據自動采集程度較低，生產過程自動化控制能力較弱，生產監控平臺集中化管控覆蓋程度不高，現場大部分采用PLC 就地監控，沒有實現統一集中管理。因此其管理方式采用傳統的人工操作和定時巡檢，用工需求快速上升，結現場生產和人力成本帶來巨大的壓力。

3.2 系統設計目標

該系統以集中監控為核心，高度集成全過程生產數據，實現油田生產過程一體化集中監控，滿足了在線監測、實時報警、異常預警的應用需求，形成了工藝設備、單元、上下游系統的三層防控體系。

3.3 系統設計內容

3.3.1 系統框架設計

基于物聯網及云平臺設計的油氣生產物聯網監控系統框架主要包括以下內容。

（1）應用層。該層主要包括工藝流程監控、報表管理、報警管理、視頻管理、地理信息系統（Geographic Information System，GIS）服務、功圖分析等應用功能，以實現生產監控、管理等一系列油田業務的應用，并實現生產數據的統一監控、統一管理、統一調度。在應用層通過將物聯網技術與大數據技術相結合，完成了設備的狀態、上線率等信息的實時分析，實現了生產趨勢的自動預測，為油氣生產動態調控、信息綜合分析提供了有效手段。

（2）平臺層。該層主要包括容器、微服務等方面的服務模塊以及實時流計算、數據交互存儲模塊等，用于快速構建油田業務應用開發和擴展，提高海量生產實時數據的管理和分析能力。

其中，平臺層的微服務模塊，結合油田業務應用設計，提供了數據分析、數據訂閱、操作日志、資產管理、消息管理、事件管理、實時計算、實時數據存儲等服務。數據存儲交互存儲模塊，則通過構建可彈性動態分配存儲空間和處理資源的實時數據平臺，引入了批計算和流計算結合的大數據計算引擎技術，解決了跨網、跨平臺數據安全傳輸的問題，滿足數據高頻次、大容量、多樣性的應用需求。

（3）基礎層。該層主要依托新疆油田數據中心網絡資源，構建硬件設施，提供分布式存儲和計算等基礎資源，包括中央處理器（Central Processing Unit，CPU）、內存、存儲、網絡和其他基本的計算資源，用于軟件平臺的部署和運行。

（4）邊緣層。該層主要包括油田設備的標準協議與私有協議接口，實現設備和第三方系統的接入能力，實現紅山油田的油氣生產設備數據的接入，數據接入后通過消息隊列遙測傳輸協議（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）傳輸到MQTT 消息隊列，為其他應用模塊提供消息服務。

3.3.2 系統功能設計

基于物聯網及云平臺設計的油氣生產物聯網監控系統，其功能架構主要包括參數匯總、計量監控、設備管理、報表查詢、曲線分析、通信監測等功能。其中，參數匯總包括油氣水井實時監控，接轉站、處理站、鍋爐等生產單元工藝流程監控，并以組態方式展示生產單元所屬監控參數。比如，計量站內展示了多通閥、分離器等設備的實時運行信息。報警處理則包括閾值配置、實時報警和報警統計，具體如圖1 所示。

3.3.3 系統關鍵技術應用

該系統結合大數據分析、Docker 容器和組件開發、MQTT通信協議分析等技術，與傳統自動化監控系統相比，提供了強大的開發環境，基于微服務的架構可以實現全場景、全業務、全流程覆蓋和模板化快速開發。

其中MQTT 是一種基于TCP/IP 協議上的“輕量級”通信協議。MQTT 的顯著優勢在于可以在有限寬帶和低功耗的網絡環境中提供實時可靠的網絡服務［1］。

分布式采集驅動通過分布式采集技術，支持油田多種類型和國產數據采集設備的協議，如ModbusTCP、GRM/LoRa、Modbus/LoRa 等協議，具有很強的兼容性，打破了傳統系統限制部分標準協議接入受限于采集點的掣肘。

Rich Web Client+Web API的全新用戶界面（User Interface，UI）運行方式，充分展示了系統基于瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）架構，采用Web 發布的優勢，不受限于客戶端的操作系統及類型，可跨平臺、跨終端、免安裝，同時查詢、展示、復雜分析響應時間更短。

圖1 紅山油田油氣生產監控系統架構

4 系統在油氣生產中的應用

基于物聯網及云平臺設計的油氣生產物聯網監控系統結合紅山油田的實際情況，對新一代工業互聯網技術進行借鑒，采用集數據存儲、傳輸、管理、應用于一體的云平臺設計生產監控系統，實現了PLC、DCS等監控系統的集成應用，實現井、計量站、轉油站、聯合處理站等油氣生產監控對象的全面集中監控，滿足了廠級、油田公司級生產監控管理需求。不同用戶以同一平臺為基礎，實施監控聯動，以同樣數據為基礎，開展協同工作［2］。

紅山油田通過基于物聯網及云平臺設計的油氣生產物聯網監控系統的應用，實現了采油、集輸、處理、供汽等關鍵生產環節的全面感知與實時檢測，關鍵生產活動自動操控，同時依托集中監控、統一管理，提高了生產運行效率，保障了生產運行安全，節省了生產運行成本，達到了關鍵生產指標發展趨勢預測和科學輔助優化管理決策的目標。

5 結語

油氣生產監控系統結合虛擬云技術，融合了傳感、控制、通信等多種技術，通過革新等方式，實現了實時數據采集、監控、存儲、報警、數據整合等各環節的升級改造，完成了井站生產信息的自動匯總、綜合處理、輔助分析［3］。油氣生產監控系統在紅山油田的規模應用，確定了以工業互聯網平臺架構設計為思路、以云交付設計為核心、基于Web 發布的生產監控為應用的實施框架，不僅可以滿足系統整體優化時期生產操作自動化、生產運行可視化、管理決策系統化的需求，更有利于保障油田生產能安全、環保、平穩運行。