油田智能化聯合站的建設構想

鄭鑫 段光毅 王新亮

1中國石化西北油田分公司

2青海油田采油三廠

隨著數字化、信息化技術的快速發展，聯合站實現了生產運行數據的采集、傳輸、存儲、分析和共享，在有效地提升聯合站自動化監管水平的同時，也為如何實現聯合站安全、高效的生產運行，綠色可持續的發展理念和管理水平的全面提升奠定了基礎，提供了新途徑。在智能油田的引導下，智能化是聯合站發展的必然趨勢，它將使聯合站從過去相對孤立的控制生產管理模式跨入基于數據應用為發展核心的新階段。

1 智能化建設思路

1.1 系統架構

智能化聯合站建設是一個系統性的工程，它是以數字化、信息化為基礎，通過對大數據、人工智能、高級應用等前沿技術的使用，將聯合站運行、生產構建成為一個全智能綜合性的應用體系[1]。在該體系中，數據是應用的基礎，網絡是聯系的紐帶，智能應用則是體系的核心，三者的相輔相成，共同推進了智能化建設。同時，三者的相互關系也決定了智能化聯合站建設的系統架構（圖1）。其主要架構分為以下三層：

圖1 智能化聯合站建設的系統架構Fig.1 System architecture of intelligent multi-purpose station construction

（1）控制層。將核心數據服務器與站場的站控系統和RTU 網絡連接，完成實時數據采集與控制，實現站場生產運行的實時監測與遠程控制。

（2）監控層。監控層是將服務器、操作站等連接在一起，完成監控操作、數據處理及存儲，實現各服務器之間數據的交互和調用。

（3）智能應用層。通過OPC 服務器調用監控層服務器系統進行數據互傳，運用算法、程序及應用軟件等實現智能應用功能。

1.2 體系建設

在數字化建設階段，站庫依靠遠傳儀表、遠程測控終端（RTU）、站控系統（SCS）等，以物聯網為通信紐帶，實現了站庫工藝、自控、設備參數等相關數據的自動采集、實時監控及參數異常報警功能[2]。

智能化建設階段則是以數字化提供的龐大數據信息為基礎，持續推進對數據“采、傳、存、管、用”中“用”的不斷升級，使其向更深層發展。聯合站智能化建設的基本思路是通過融合基礎數據搭建數據中心，據此為核心面向生產實際發展功能應用，同時結合虛擬現實，借助大數據、云計算、人工智能的“三位一體”技術深化數據賦能，持續應用優化，最終實現聯合站系統性的智能化建設。

順北某站的數字化建設采用監控及數據采集系統（SCADA）作為智能化核心。通過建設SIL3 等級站控系統，采用遠傳儀表、閥門自控，配套高效容錯的FTE 網絡結構，實施“工控、視頻、辦公”三網隔離；搭建OPC Server等措施，保障數據在控制器、服務器、操作站和SCADA 系統之間流暢、安全和可靠的傳輸；并配套建立相應數據管理體系，實現了對整個區塊內各工藝站場數據參數的采集和實時監控。其建設體系結合智能化的發展規劃[3]如圖2所示。

圖2 聯合站智能化建設體系Fig.2 Multi-purpose station intelligent construction system

數字化建設夯實了數據“采、傳、存、管”的應用基礎，為站庫智能化發展提供了無限可能，以下對智能化建設方向和體系搭建提出幾點構想：

（1）實時獲取并分析現場運行參數，根據初始設定規則，系統對現場自動調參控制。

（2）對PID 回路進行性能評估及參數自整定，對裝置能耗數據實時采集分析，實現輔助決策，推進控制優化、工藝優化及管理優化[4]。

（3）通過對工藝報警處理分析，向操作員提供預防性措施及指導性建議，對潛在隱患進行預測、預警。

（4）通過巡檢管理、設備管理、知識庫管理等功能模塊，實現對站庫運行的系統化、智能化管理。

2 智能化建設

2.1 智能控制

2.1.1 先進控制方案

在數字化階段，運行參數調控主要依靠于PID控制，盡管PID控制能夠保證系統穩定，但閉環系統動態穩定與PID增益變化存在高耦合關聯。這導致控制系統中積分環節的“快速性”和“超調性”存在不可調和的矛盾。因此很難適用于復雜、控制精度要求高的參數控制[5]。

進入智能化階段，更為先進的控制方案策略將被引進，例如分程控制、解耦控制及模糊控制等。對滯后大、時變、非線性的復雜系統進行精確控制，使控制系統輸出迅速跟蹤給定值，達到“快、穩、準”的理想控制效果。

（1）分程控制。分割信號，按區間控閥，采取逐段逼近的方式進行精確控制。

（2）解耦控制。消除多變量系統的耦合關系，使輸入輸出一一對應，形成穩定的單回路控制[6]。

（3）模糊控制。將經驗性思維作為模擬對象，通過推理、判斷，將經驗、常識等用自然語言的形式表達出來，建立適用于自控處理的過程控制模型，實現精準調控。

2.1.2 數字孿生

數字孿生是融合了多尺度、多模型、多專業屬性的技術，在實現虛擬與物理空間的映射融合中有著同步交互及高度保真的特性。在這種更為深入的數據交互模式驅動下，映射實體聯合站至虛擬網絡進行線上調度生產是智能化建設的新目標。

數字孿生技術主要是通過建立超高擬實度的產品、資源和工藝流程等虛擬仿真模型，驅動站庫工藝及自控規劃，以全要素、全流程的虛實映射、交互融合，在虛擬與物理空間共生的迭代協同優化機制下，實現面向生產現場工藝參數的智能控制與產能結構的持續優化[7]。數字孿生技術的建設及應用如圖3所示。

圖3 數字孿生驅動站庫運行示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital twin drive station operation

（1）運用模型庫和三維設計引擎，結合工藝、自控、設備選型及產能需求，同比映射站庫的三維虛擬模型，完成聯合站虛擬布局設計。

（2）編制非標容器、異構設備的運行機制和動作腳本，開發響應程序，搭建虛擬控制網絡，實現站庫工藝、自控的近物理仿真，并基于實際數據進行預測、評估和優化。

（3）集成融合DCS、SIS 等系統，進行設備運行與指令一致性測試、內部控制邏輯聯合測試、指令與信息上下行通道測試、數據周期同步化測試等，同步擬合數據對站庫工藝及自控規劃進行持續提升優化[8-9]。

2.2 智能優化

2.2.1 控制監測及優化

聯合站運行屬于連續型生產過程，物料在站內處理時往往需要各種各樣的工藝條件，工藝參數也會隨著生產需求即時調整，這對于過程控制性能有著較高的要求。因此，自控系統尋求準確且符合生產需求的PID參數顯得尤為重要。

智能優化是針對PID參數整定的智能應用，以數據采集及預處理、組態軟件、先進控制策略等技術為基礎，通過PID 性能評估與整定軟件，對重要設備和關鍵工藝參數進行控制優化，主要實現如下功能：①回路診斷及建議；②回路性能指標監測；③自相關性和互相關性分析；④多回路、多變量PID整定。

2.2.2 能耗優化

粗放式的管理和低層次的技術手段無法有效地指導節能減排。為此提出能耗優化管理模式，以SCADA 系統所提供的設備能耗數據為基礎，通過優化系統智能算法，評估節能減排關鍵問題，為能耗管理提供直觀、準確的管控模式。

（1）產耗預測與分析。結合油田實際產出，建立針對聯合站的綜合能耗監測系統，錄入碳排放等統計與分析的方法，系統自行評估節能減排關鍵問題，并通過數據同比、環比分析生成報表，支撐產耗預測與分析。

（2）能耗管理與問題分析。系統通過對能源績效參數的實時采集和監控，形成數據分析圖表，協助人員快速掌握某設備、單元和整體裝置的能源績效水平。對于異常能耗問題，系統根據知識庫提供分析建議和輔助決策，提升能耗管理及問題處置水平[10]。

（3）節能方案的制定執行和分析。制定節能方案與執行措施錄入系統，形成方案進度督促計劃；在執行周期后對能耗數據進行采集與分析，將兩者偏差以形成方案優化調整建議的負反饋形式作用于節能計劃與執行措施，保障計劃按時、按質完成。

2.3 智能預警

傳統參數閾值報警局限于報警事件的滯后性處理，無法提前預測、防患于未然，而智能預警通過實時采集的運行數據及趨勢變化，綜合多工藝參數分析、知識庫人工智能、數據性推理等，實現生產運行異常報警的前瞻性預測。

（1）生產報警。實時采集分析生產運行數據，對流量、液位、壓力等異常情況進行分級報警，并從信息庫中提取應對方案措施，建立閉環的跟蹤流程，及時發現并有效處置異常情況。

（2）安全預警。結合工藝參數運行曲線趨勢，就低液、高溫及高壓等工藝異常參數提前預警，轉變報警性質，將“亡羊補牢”轉變為“未卜先知”。

（3）趨勢預測。針對大型設備運行情況，基于實時工藝參數、能耗、振動等數據，應用統計分析和模型運算，建立設備信息庫，實現設備的運行趨勢預警和故障診斷。

2.4 智能管理

智能化管理旨在提升站庫安全管理水平，提高生產效益，完善聯合站的資產管理、檢維修和安全管理等業務。由此提出智能化管理模式，其主要包括巡檢管理、知識庫管理、設備管理等。

2.4.1 巡檢管理

（1）智能識別。智能識別是基于數字圖像處理技術，結合高清攝像頭，讀取關鍵參數，自動記錄數據形成報表，并與SCADA 采集值比較，存在偏差時進行報警（圖4）。后續將通過應用升級，引入紅外熱成像圖像識別，根據事故源周圍產生的溫度變化情況，更準確、高效地進行隱患排查，如識別火焰、跑冒滴漏、設備超溫、法蘭腐蝕、保溫層脫落等，可以有效彌補可見光視頻監控的不足，及時發現隱患事故，實現智能隱患識別功能（圖5）。

圖4 智能讀表示意圖Fig.4 Schematic diagram of intelligent meter identification

圖5 智能隱患識別Fig.5 Intelligent hidden danger identification

（2）人員定位。無人值守模式下仍然需要有人員進行故障巡檢，對人員巡檢的質量要求更高，巡檢工作的規范性和巡檢數據的有效性越來越重要。為達到“早發現、早溝通、早處理”的巡檢目的[11]，站庫可通過布設分布式藍牙信標，形成無線定位環境，人員佩戴定位器，結合智能化視頻監控系統（如電子圍欄、動作識別、違章識別等）、應急管理系統，實現對現場人員以及進站施工作業的全方位可視化管理（圖6），從而有效提升安全管理水平。

圖6 人員定位示意圖Fig.6 Schematic diagram of personnel positioning

2.4.2 知識庫管理

聯合站運行設備繁多、工藝流程復雜、安全生產要求高等因素，決定了生產操作規范、突發問題的復雜和多樣性：①故障定位繁瑣，依賴大量經驗判定，易出錯或者遺漏判斷條件；②無法形成良好的經驗積累和技術指導；③缺乏有效的反饋，無法第一時間快速處理或者連續處理故障。因此，提出通過構建聯合站知識信息庫，實現對生產操作規范、生產事故應急預案、歷史事故發生及處理分析等內容管理。知識庫擁有記錄、更新、修訂、查詢、檢索、分析功能，能夠為基層員工的生產操作規范查詢和檢索、生產問題處置、歷史事故分析提供支撐。

2.4.3 設備管理

設備是聯合站生產運行的核心，承擔著生產運行的重要職能。設備管理水平決定了整個聯合站的生產運行水平，將設備管理與智能化建設相結合，將有效降低生產運行風險，提高設備管理人員工作效率和信息獲取效率。由此提出建立設備信息管理系統（圖7），從登記到報廢全過程進行管理，其核心功能包括從設備設計采購、安裝調試，到設備日常運行管理、建立設備與資產檔案。對日常維護與維修管理線上執行，設備運行狀態實時監控分析，關鍵設備運行效率統計分析，設備故障趨勢預測等，實現“設、采、輸、用、維”的全流程、全方位、全生命周期管理。

圖7 設備信息管理系統Fig.7 Equipment information management system

3 結論和建議

智能化聯合站建設，其本質是對數據的采集和應用，目的是通過數據標準管理、數據集成與數據治理、數據分析與數據可視化等關鍵技術打通感知數據與智能應用之間的屏障，實現數據賦能，發展出適用工藝運行、服務生產技術的智能應用，是支撐聯合站智能控制、智能優化、智能預警、智能管理的先進運行模式，最終實現聯合站的全面感知、全面互聯、全面智能。

智能化建設是一項系統性工程，除了智能應用的建設升級，還應包含未來的持續創新優化、專業的技術運維保障，來共同推進智能化進程的全鏈條、全方位發展，不斷完善智能技術、深化應用場景，探索未來智能發展的新道路。