張海鋒李 瑋

（1中海石油技術檢測有限公司 天津 300452 2海洋石油工程股份有限公司檢驗分公司 天津 322452）

引言

工業(yè)現(xiàn)場的管控是企業(yè)提高生產力的主要手段，在當前海上石油平臺主要的控制手段是以一個平臺為單位，使用DCS集散控制系統(tǒng)對現(xiàn)場工業(yè)數(shù)據(jù)進行采集，輔以視頻監(jiān)控系統(tǒng)對現(xiàn)場進行監(jiān)視，由中控值班人員對數(shù)據(jù)進行甄別，發(fā)生生產流程故障或現(xiàn)場異常情況下，由中控值班人員調節(jié)生產流程，并協(xié)調現(xiàn)場人員進行處理，在處理問題時對值班人員的能力要求很高，且在緊急情況下容易產生錯誤操作，導致人為故障擴大。且平臺與平臺之間雖有生產流程的影響但系統(tǒng)上不能交互，出現(xiàn)故障時由人為通知，非常容易使故障擴大化，影響整個油田群正常生產，極大的影響了海上石油平臺的生產效率[1]。

隨著物聯(lián)網技術逐步發(fā)展，傳感器技術、通訊技術、數(shù)據(jù)運算技術都得到了很大的進步，基于物聯(lián)網通過配置各種傳感器，采集實時數(shù)據(jù)信息，配合智能終端，結合多種通訊方式，形成油田群物聯(lián)網絡，加以大數(shù)據(jù)儲存運算，及通過智能感知、智能識別、數(shù)據(jù)存儲、大數(shù)據(jù)分析、信息推送建立設備與系統(tǒng)、設備與設備、系統(tǒng)與系統(tǒng)、設備與人、系統(tǒng)與人的緊密連接，實現(xiàn)了設備的感知、思考與決策，解放了人力，提升了油田自動化水平和生產效率。

目前物聯(lián)網已經在工業(yè)現(xiàn)場廣泛應用，物聯(lián)網的主要環(huán)節(jié)包括全面感知、信息傳遞、智能處理、信息反饋等幾個方面。全面感知是指通過利用現(xiàn)代化的信息收集、采集技術手段，隨時隨地對物體進行信息采集和獲取;信息傳遞是指通過各種通信網絡、互聯(lián)網隨時隨地進行可靠的信息交互和共享;智能處理是指對收集到的海量數(shù)據(jù)和信息進行分析處理，提升對工業(yè)生產環(huán)境和市場的洞察力，實現(xiàn)智能化的決策和控制;信息反饋是指將處理完的信息，以程序指令的形式傳達給各生產環(huán)節(jié)，以優(yōu)化生產結構和完成生產計劃。通過智能化的監(jiān)控和管理手段，能明顯提高工業(yè)現(xiàn)場的智能控制、智能診斷、智能分析統(tǒng)計，有助于優(yōu)化生產工藝，維護生產設備，提高產品的品質。

本文根據(jù)海上石油平臺的實際情況，結合物聯(lián)網技術發(fā)展，構建海上油田群的物聯(lián)網絡和數(shù)據(jù)中心，開發(fā)海上油田集中管控系統(tǒng)，為中海油提供海上平臺生產流程的實時監(jiān)控、分析、診斷與管理服務，助推海油生產發(fā)展。

1 系統(tǒng)框架

海上油田集中管控系統(tǒng)整體上可以劃分為信號采集層、系統(tǒng)交互層、數(shù)據(jù)儲存層、智能管控人機交互層[2]。

圖1 系統(tǒng)框圖

（1）信號采集層：采集信號包括各平臺傳感器、智能傳感器、控制系統(tǒng)：溫度、壓力、流量、液位、震動、火氣報警、溫濕度、局放、傾斜、高清視頻、PCS系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)、各撬塊控制盤。信號采集層的主要作用是的主要作用是集控系統(tǒng)與現(xiàn)場設備的聯(lián)系，通過采集層上傳系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，在特殊情況下也可通過信號采集層下發(fā)操作指令，由現(xiàn)場設備執(zhí)行

（2）系統(tǒng)交互層：結合物聯(lián)網通訊技術利用通訊網關構建物聯(lián)網絡；在網絡中，設備與設備、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間進行交互。

（3）數(shù)據(jù)儲存層：利用數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析打造堅實數(shù)據(jù)基礎；數(shù)據(jù)儲存層是以一個數(shù)據(jù)庫的形式體現(xiàn)的，數(shù)據(jù)庫是存儲在一起的相關數(shù)據(jù)的集合，這些數(shù)據(jù)是結構化的，無有害的或不必要的冗余，并為上層人機交互層的應用服務的。

（4）智能管控人機交互層：也稱應用層，提供對外的工業(yè)現(xiàn)場管控功能，包括設備運維監(jiān)控、生產過程監(jiān)控、現(xiàn)場安全監(jiān)控、操作策略指導；應用層位于物聯(lián)網三層結構中的最頂層，其功能為“處理”，即通過云計算平臺進行信息處理。應用層與最低端的感知層一起，是物聯(lián)網的顯著特征和核心所在，應用層可以對感知層采集數(shù)據(jù)進行計算、處理和知識挖掘，從而實現(xiàn)對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。物聯(lián)網應用層的核心功能圍繞兩個方面：一是“數(shù)據(jù)”，應用層需要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理；二是“應用”，僅僅管理和處理數(shù)據(jù)還遠遠不夠，必須將這些數(shù)據(jù)與各行業(yè)應用相結合。例如在智能電網中的遠程電力抄表應用：安置于用戶家中的讀表器就是感知層中的傳感器，這些傳感器在收集到用戶用電的信息后，通過網絡發(fā)送并匯總到發(fā)電廠的處理器上。該處理器及其對應工作就屬于應用層，它將完成對用戶用電信息的分析，并自動采取相關措施。

2 智能數(shù)據(jù)采集終端

2.1 智能數(shù)據(jù)采集終端硬件部分

智能數(shù)據(jù)采集終端分為采集層、處理層、通信層三大部分。每層又分為多個模塊組成，針對不同的采集需求，需要選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸和鎮(zhèn)定模塊，就可以采集到多種傳感器的數(shù)據(jù)，如：溫度、壓力、液位、DCS系統(tǒng)等。

A/D轉換采用ADC0809，8位A/D轉換器。每采集一次一般需100μs。由于ADC0809 A/D轉換器轉換結束后會自動產生EOC信號（高電平有效），取反后將其與8031的INT0相連，可以用中斷方式讀取A/D轉換結果。

圖2 A/D轉換器內部結構圖

ADC0809各腳功能如下：

D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0～IN7：8位模擬量輸入引腳。

VCC：+5V工作電壓。GND：地。

REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負端。

START：A/D轉換啟動信號輸入端。

ALE：地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉換）.

EOC：轉換結束信號輸出引腳，開始轉換時為低電平，當轉換結束時為高電平。

OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

CLK：時鐘信號輸入端（一般為500KHz）。

A、B、C：地址輸入線。

系統(tǒng)硬件采用低功耗嵌入式CPU模塊設計，滿足低功耗設計要求，所有器件選用工業(yè)級芯片，工作溫度需要達到-45攝氏度60攝氏度的要求，以滿足海上平臺嚴酷的工作環(huán)境。電路上采用抗干擾措施，使EMC電磁兼容測試達到國家標準。

智能數(shù)據(jù)采集終端各組件的技術性能如下：

控制芯片：采用ARM cortex-M4處理器，操作頻率可達100MHZ，CPU具有3級流水線和哈弗結構，處理速度快，工作溫度可滿足-45攝氏度60攝氏度的要求。

設備接口包括：USB、以太網、HART、CAN總線、8通道ADC等等

傳感器接口模塊：支持4-20ma、0-10V、1-5V、MODBUS現(xiàn)場總線、Profibus現(xiàn)場總線、RJ45 以太網、RFID、DH+、Devicenet總線。

圖3 A/D智能數(shù)據(jù)采集終端結構圖

2.2 智能數(shù)據(jù)采集終端軟件部分[3]

（1）運行系統(tǒng)：Linux操作系統(tǒng)[4]，安全可靠、占用內存小、良好的開放性、豐富的網絡功能、多任務；

（2）硬件驅動：USB、以太網、HART、CAN 總線、8 通道 ADC等等；

（3）通訊協(xié)議：MODBUS現(xiàn)場總線、Profibus現(xiàn)場總線、RJ45以太網、RFID、DH+、Devicenet總線。

3 網絡搭建

數(shù)據(jù)通訊是兩個實體間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。數(shù)據(jù)在傳輸時，需要對原始信息進行編碼，使之成為能在信道上傳輸?shù)男盘枺辉诮邮斩送ㄟ^反編譯還原原始信息?，F(xiàn)行物聯(lián)網技術下有多種通訊方式可以完成數(shù)據(jù)的通訊，比如：以太網、無線電臺、RS485總線、藍牙、WIFI、LTE 等。

基于現(xiàn)有海上石油平臺的整體情況，結合物聯(lián)網通訊技術，搭建海上油田集中管控系統(tǒng)通訊平臺。

圖4 數(shù)據(jù)采集網絡結構圖

各海上石油平臺安裝智能數(shù)據(jù)采集終端，通過各種通訊方式讀取現(xiàn)場傳感器數(shù)據(jù)，平臺之間通過海底光纖組網，所有數(shù)據(jù)通過中海油局域網采集入數(shù)據(jù)中心，開發(fā)適用于電腦桌面、PAD、安卓手機應用[5]。

在網絡搭建中，主要用到的通訊手段有：

（1）以太網 Ethernet：由 Xerox 公司創(chuàng)建并由 Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網規(guī)范，是當今現(xiàn)有局域網采用的最通用的通信協(xié)議標準。設備通過千兆以太網光纖交換機配合海底光纜構建的主鏈路千兆以太網絡，可以達到100Mb/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（2）Modbus：由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，一條總線支持多達200個以上遠程從屬控制器，現(xiàn)行海油工業(yè)系統(tǒng)、控制器、大多支持此種協(xié)議。通過RS485總線可簡單快捷采集現(xiàn)場控制器數(shù)據(jù)。

（3）模擬量信號（4-20ma、0-10V）：在時間上或數(shù)值上都是連續(xù)的物理量稱為模擬量，把表示模擬量的信號叫模擬信號。目前海上石油平臺多數(shù)傳感器或智能變送器包括溫度變送器、壓力變送器、液位變送器，均采用模擬量信號，可以通過模擬量信號采集模塊完成數(shù)據(jù)采集。

4 物聯(lián)網中間件

物聯(lián)網中間件系統(tǒng)位于感知設備與應用之間，作用是對感知設備采集的數(shù)據(jù)進行校對、濾除、集合等處理，可有效減少傳輸數(shù)據(jù)的冗余度、提高數(shù)據(jù)正確接受的可靠性。

圖5 物聯(lián)網中間件邏輯圖

由于本項目應用集成了現(xiàn)場多種傳感設備、結構復雜，設計了物聯(lián)網中間件篩選梳理流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、應用的統(tǒng)一管理。

圖6 中間件邏輯架構

本設計包括中間件邏輯架構包括接口層、驅動層、核心層、應用層，接口層用于與現(xiàn)場設備進行通訊連接，驅動層驅動硬件匹配，核心層是整個系統(tǒng)核心，用于采集數(shù)據(jù)、儲存數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、并配以相應邏輯，應用層為應用程序提供接口。

中間件的工作流程主要包括：傳感器接口配置、數(shù)據(jù)采集規(guī)則、數(shù)據(jù)封裝、應用數(shù)據(jù)接口配置。

圖7 中間件處理流程

（1）傳感器的接口配置：傳感器的接口配置主要用于適配現(xiàn)場多種傳感器信號接口，各種傳感器的數(shù)據(jù)儲存在傳感器的內存數(shù)據(jù)中。通過識別傳感器、初始化傳感器、構建傳輸通道完成對傳感器數(shù)據(jù)的正常采集鏈路。

（2）數(shù)據(jù)采集規(guī)則：由于本系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集量大、種類繁多，中間件為不同種類傳感器編譯了適應傳感器通訊規(guī)約的不同采集規(guī)則，當系統(tǒng)識別到傳感器種類是，自動調用匹配采集規(guī)則將數(shù)據(jù)采集入智能數(shù)據(jù)采集終端內存。

（3）數(shù)據(jù)封裝：按照石油平臺號、傳感器類型、設備位號、記錄時間、數(shù)值等對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行封裝，進行明細化統(tǒng)一存儲，支持數(shù)據(jù)計算應用。

圖8 數(shù)據(jù)封裝規(guī)則

5 基于原始大數(shù)據(jù)分析的輔助決策

海上油田集中管控系統(tǒng)主要是基于對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和存儲，進行長時間、多工況的綜合對比分析，在平臺生產過程中進行故障報警、操作指導、輔助決策。

其中輔助決策是該系統(tǒng)的核心功能，該系統(tǒng)可以手動錄入知識庫和案列庫，也可以在長期的數(shù)據(jù)積累工程中自動生產知識庫和故障案列庫，通過歷時大數(shù)據(jù)判斷某一故障發(fā)生前后生產流程參數(shù)的動態(tài)變化，從而指導操作人員再故障發(fā)生前，通過系統(tǒng)預警與應急操作，避免故障發(fā)生，在故障發(fā)生后按既定操作程序及時最優(yōu)化調整流程，避免事故擴大化，對現(xiàn)場的操作起到輔助決策的功能。

圖9 輔助決策流程

系統(tǒng)處理流程如圖九所示，通過感知信息采集，系統(tǒng)判斷產生特征向量。通過與案例庫比對選擇適合的操作程序，完成決策方案的執(zhí)行。系統(tǒng)可自動決策也可由操作人員手動操作，系統(tǒng)起輔助作用[6]。

6 系統(tǒng)實用性分析

本文提到的傳感器技術、通訊技術、數(shù)據(jù)處理技術在目前物聯(lián)網技術下已經能夠得到很好的實現(xiàn)。結合當前海上石油平臺的實際情況：目前以一個海上油田群為單位，各個平臺之間均有海底光纖網絡相連，平臺內部WIFI網絡暢通，多數(shù)平臺生產流程使用的是智能儀表，均有向外的數(shù)據(jù)傳輸接口。海上平臺生產系統(tǒng)DCS/PCS系統(tǒng)也有比較好的數(shù)據(jù)擴展性，比較容易獲得數(shù)據(jù)源。油田群內部可選取一個平臺作為數(shù)據(jù)中心，建立數(shù)據(jù)存儲運算服務器，利用海上平臺互聯(lián)局域網可將應用層擴展到海油陸地各個辦公室，

從當前情況來看，該系統(tǒng)在海上油田有比較合適的適用環(huán)境。

結語

本文提出的海上油田集中管控系統(tǒng)結合了當前物聯(lián)網智能傳感器技術、通訊技術、數(shù)據(jù)處理與分析技術，實現(xiàn)了海上石油平臺生產流程的基于原始大數(shù)據(jù)分析的輔助決策功能，自動生成案列庫、知識庫提升了應急事故的處理能力，可以加強海上石油平臺的生產管理工程，加強海上石油生產流程智能化水平，有效提升油田產量。