肖 楠，徐秋云，吳金峰，方 昉，陳 銳

（1.中國(guó)石油塔里木油田分公司信息與通訊技術(shù)中心，庫(kù)爾勒 841000；2.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開發(fā)研究院，庫(kù)爾勒 841000）

在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域，正在重點(diǎn)建設(shè) “油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”來(lái)進(jìn)一步提高整個(gè)中國(guó)石油及油氣田的自動(dòng)化控制管理水平。

1 塔里木油田油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)整體方案

1.1 油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)

圖1 油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立覆蓋油田地面生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、煉化、銷售各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)。

1.2 油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)分為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和生產(chǎn)管理子系統(tǒng)三部分。

圖2 國(guó)家油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范工程架構(gòu)圖

圖3 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

1.2.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)采集、生產(chǎn)環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能。

圖4 采集與監(jiān)控子系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

1.2.2 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括：實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制命令數(shù)據(jù)、視頻圖像數(shù)據(jù)及語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

1.2.3 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)

圖6 生產(chǎn)管理子系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

2 塔里木油田油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)概況

油氣運(yùn)銷物聯(lián)網(wǎng)采取分步實(shí)施原則，優(yōu)先選取2個(gè)油氣儲(chǔ)運(yùn)中心、具有代表性的10條油氣管道先期實(shí)施，實(shí)現(xiàn)閥室氣液聯(lián)動(dòng)閥、壓力及溫度變送器、可燃?xì)怏w檢測(cè)儀等生產(chǎn)參數(shù)自動(dòng)采集，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，配套手持終端，提高巡檢效率，結(jié)合油田管道完整性管理的業(yè)務(wù)需求，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)維護(hù)功能，將長(zhǎng)輸管道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、檢測(cè)等各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，集中管理，多專業(yè)應(yīng)用，結(jié)合天然氣及油品銷售管理業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)銷售計(jì)劃數(shù)據(jù)的錄入、查詢、調(diào)整、與實(shí)際情況對(duì)比分析，生成和發(fā)布各類銷售報(bào)表，實(shí)現(xiàn)用戶用氣量趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

煉化物聯(lián)網(wǎng)充分結(jié)合MES2.0（Manufacturing Execution System，制造執(zhí)行系統(tǒng)），部署物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，接入化肥裝置等生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及視頻監(jiān)控信號(hào)，同時(shí)在應(yīng)用層搭建煉化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油田煉化業(yè)務(wù)從原料消耗、合成氨生產(chǎn)、尿素生產(chǎn)、包裝銷售各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)生產(chǎn)指標(biāo)綜合集成展示，基于煉油與化工運(yùn)行系統(tǒng)（B1），實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成生產(chǎn)日?qǐng)?bào)、對(duì)比分析報(bào)表，實(shí)現(xiàn)石化廠三維可視化管理，提高工作效率。

3 塔里木油田油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用效果

3.1 傳感器技術(shù)

表1 電泵井生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)誤差率對(duì)比表

表2 抽油機(jī)井生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)誤差率對(duì)比表

油田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用傳感器包括：無(wú)線壓力變送器、無(wú)線溫度變送器、電流電壓互感器、示功儀、流量計(jì)等。以電泵井為例（如表1），將采集與監(jiān)控子系統(tǒng)參與現(xiàn)場(chǎng)儀表對(duì)比，油壓與套壓誤差在0.1% 左右，溫度誤差在1%左右；生產(chǎn)管理子系統(tǒng)中，油壓與套壓誤差約為0.05%，溫度誤差約0.2%；而抽油機(jī)井（如表2），采集與監(jiān)控子系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)儀表對(duì)比，油壓與套壓誤差為0，溫度誤差在0.4%左右，生產(chǎn)管理子系統(tǒng)中，油壓與套壓誤差約為0，溫度誤差約0.1%；可以看出，無(wú)線壓力變送器、無(wú)線溫度變送器在生產(chǎn)參數(shù)一致性方面效果良好。

3.2 自動(dòng)化技術(shù)

石油行業(yè)是較早利用物聯(lián)網(wǎng)的行業(yè)，在物聯(lián)網(wǎng)概念提出之前，石油行業(yè)就廣泛應(yīng)用DCS、SCADA、PLC等自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的感知、傳輸和處理。

表3 聯(lián)合站生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)誤差率對(duì)比表

油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中將已有的DCS、PLC以及SCADA等系統(tǒng)集成，從而將這些封閉系統(tǒng)采集的油氣加工、處理數(shù)據(jù)接入國(guó)家油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣生產(chǎn)加工設(shè)備工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，提高處理油氣加工設(shè)備異常狀況的速度。如表3所示，聯(lián)合站壓力參數(shù)在生產(chǎn)管理子系統(tǒng)中誤差為0，可以看出數(shù)據(jù)一致性方面效果很好。

3.3 TD-LTE 4G無(wú)線通信技術(shù)

油田采用TD-LTE 4G無(wú)線通信技術(shù)彌補(bǔ)光纖網(wǎng)絡(luò)的不足，解決沙漠腹地網(wǎng)絡(luò)布線困難的問題。應(yīng)用效果方面，在油田戈壁區(qū)域，地勢(shì)較平坦，選用30米鐵塔部署基站，信號(hào)覆蓋范圍可達(dá)到10km，單基站平均上行吞吐率75Mb/s，下行吞吐率63Mb/s，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及視頻圖像傳輸需求；在油田沙漠腹地區(qū)域，由于沙丘起伏較大，對(duì)4G信號(hào)遮擋影響也很大，選用55米鐵塔部署基站，覆蓋范圍達(dá)12km，基本滿足傳輸需求，但個(gè)別單井由于地勢(shì)較低，信號(hào)質(zhì)量較差。

3.4 無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)

油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過程中，無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)作為傳輸層中無(wú)線傳輸?shù)难a(bǔ)充部分，用于偏遠(yuǎn)井場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，滿足偏遠(yuǎn)井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻信號(hào)的傳輸需求，在油田沙漠腹地偏遠(yuǎn)單井應(yīng)用效果較好。

3.5 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，采用防火墻來(lái)過濾由TD-LTE無(wú)線網(wǎng)上傳的各種信息，防止不法分子對(duì)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的惡意入侵；作業(yè)區(qū)生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)之間安裝單向網(wǎng)閘，保證作業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)只能上傳，保護(hù)生產(chǎn)網(wǎng)的安全；在油田公司及總部的數(shù)據(jù)庫(kù)前端安裝數(shù)據(jù)庫(kù)防護(hù)網(wǎng)關(guān)，對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)。

3.6 SOA

SOA組件模型可以實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用軟件模塊功能，可以把油田已建的應(yīng)用系統(tǒng)互連起來(lái)，軟件設(shè)計(jì)中選用標(biāo)準(zhǔn)接口整合已有的應(yīng)用程序、把新的應(yīng)用程序構(gòu)建成服務(wù)，那么其他應(yīng)用系統(tǒng)就可以很方便的使用這些功能服務(wù)。油田物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)將油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）平臺(tái)與油氣供應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺(tái)進(jìn)行了無(wú)縫融合，同時(shí)與油氣水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（A2）、地理信息系統(tǒng)（A4）采油與地面工程系統(tǒng)（A5）、作業(yè)區(qū)統(tǒng)一采集平臺(tái)、油氣生產(chǎn)綜合預(yù)警、安防及物聯(lián)設(shè)備預(yù)警、油田集輸管網(wǎng)及處理站預(yù)警系統(tǒng)、油田產(chǎn)運(yùn)煉銷綜合展示等子系統(tǒng)的應(yīng)用功能進(jìn)行集成，將油田的油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、煉化、銷售各板塊的業(yè)務(wù)功能整合到統(tǒng)一軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、多部門的數(shù)據(jù)和應(yīng)用集成，提高平臺(tái)開發(fā)效率和應(yīng)用集成的靈活性，形成一個(gè)面向應(yīng)用的，集開發(fā)、運(yùn)行、支撐部署、管理和維護(hù)為一體的集成平臺(tái)架構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以下需要在后續(xù)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中進(jìn)一步完善：一是智能儀表作為采集層最前端設(shè)備，對(duì)生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性有至關(guān)重要的作用，提高智能儀表數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)；二是為實(shí)現(xiàn)油田物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控管理全覆蓋，需要在現(xiàn)有建設(shè)基礎(chǔ)上，優(yōu)選油氣區(qū)塊開展物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)、擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)覆蓋率，提高單井、站庫(kù)數(shù)字化率，進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)、煉化、銷售業(yè)務(wù)中的作用。三是雖然油田在油氣指標(biāo)預(yù)警、智能安防及物聯(lián)設(shè)備健康度預(yù)警、油氣管道智能巡線、處理站預(yù)警等應(yīng)用功能方面做嘗試，取得一定效果，但如何充分發(fā)揮已采集海量生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的作用，需要在今后的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中一并考慮，為油氣生產(chǎn)等全業(yè)務(wù)鏈提供更好的決策支持?！?/p>