梁根生，常小虎，馬有龍，徐夢瑤

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，油井、計(jì)量站的運(yùn)行方式由傳統(tǒng)的人工操作轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人值守。集油站、聯(lián)合站由職工手工抄表、晝夜巡檢轉(zhuǎn)變?yōu)樯偃酥凳?。運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)變得益于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的，物聯(lián)網(wǎng)的英文名：Internet of Things(IOT)，也稱為Web of Things。它是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展，是通過各種傳感技術(shù)(傳感器、GPS、攝像機(jī))、各種通訊手段(有線、無線)，將任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、控制和維護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“管理、控制、營運(yùn)”一體化的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)包含三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是通過傳感器對生產(chǎn)過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)提?。痪W(wǎng)絡(luò)層是將提取的數(shù)據(jù)構(gòu)成數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)信息共享；應(yīng)用層利用這些信息數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制[1]。

2 智能化油田

智能化系統(tǒng)組成方式：系統(tǒng)分為油田級、采油廠級、管理區(qū)三級應(yīng)用管理。通過數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集和配套自動(dòng)化改造，完善數(shù)據(jù)庫，建立管線、井場及站場的智能化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)分級監(jiān)控，并形成集輸管線、井場、計(jì)量站、集油站、聯(lián)合站----生產(chǎn)指揮中心的油氣生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)控應(yīng)用模式。生產(chǎn)模式及數(shù)據(jù)傳輸見圖1。

圖1 生產(chǎn)模式及數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.1 井場

每口油井設(shè)置測量載荷、位移、沖次的一體化示功儀，將抽油機(jī)井的運(yùn)行參數(shù)通過無線通信模式發(fā)送至井場RTU(Remote Terminal Unit 遠(yuǎn)程測控終端)[2]。經(jīng)過處理后，通過功圖得到單井產(chǎn)液量。

在油井井口的采油管線上設(shè)置溫度、壓力傳感器，采油樹設(shè)置套壓傳感器，可通過有線或無線通信模式將信號傳送至井場RTU。

一體化示功儀，溫度、壓力變送器與井場RTU的通信一般采用無線通信，遵循ZigBee協(xié)議(基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議,又稱紫蜂協(xié)議)。該技術(shù)是一種新興的短距離、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。因?yàn)槭竟x和變送器的傳輸數(shù)據(jù)少，至RTU的距離近，且應(yīng)用該技術(shù)不需要繳納額外的通訊費(fèi)，因此井場的儀表與RTU的通信基本應(yīng)用此技術(shù)。

在高產(chǎn)油井井場和主要公路路口設(shè)置視頻監(jiān)控、圖像分析報(bào)警、廣播預(yù)警等。在需要監(jiān)控的井場和路口各設(shè)置1套一體化球型攝像機(jī)，立桿安裝，攝像機(jī)具備遠(yuǎn)紅外功能，可以在夜間清楚拍攝下移動(dòng)物體，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)盜油案件，減少類似案件的發(fā)生，保證油井的正常生產(chǎn)。油井控制柜內(nèi)安裝RTU、變頻器和電參模塊。電參模塊負(fù)責(zé)采集抽油機(jī)的電壓、電流、功率等參數(shù)。變頻器可遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)抽油機(jī)電機(jī)頻率，達(dá)到調(diào)整沖次的目的。RTU采集示功儀、溫度、壓力等參數(shù)，與視頻信號一起將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控中心。

視頻信號要求傳輸帶寬大，通信方式可選擇有線或無線。有線傳輸應(yīng)用光纜，信號穩(wěn)定且速度快；無線可應(yīng)用4G技術(shù)和無線網(wǎng)橋。4G技術(shù)和無線網(wǎng)橋都要求在區(qū)域中心建設(shè)基塔，滿足傳輸覆蓋半徑要求，在工程建設(shè)初期需要一定的投資，后期的通訊費(fèi)免除。無線傳輸?shù)慕ㄔO(shè)費(fèi)用偏低，但如果是山區(qū)或丘陵地區(qū)，則信號容易被阻擋，傳輸穩(wěn)定性沒有保障。因此，平原地區(qū)建議應(yīng)用無線傳輸，丘陵地區(qū)建議應(yīng)用光纜傳輸。

2.2 計(jì)量站

計(jì)量站設(shè)置1套RTU系統(tǒng)。在單井進(jìn)站管線及生產(chǎn)匯管處設(shè)置溫度變送器，在單井摻水管線和生產(chǎn)匯管處設(shè)置壓力變送器，以上信號通過電纜傳輸至RTU系統(tǒng)。稱重式計(jì)量裝置通過RS485接口與RTU系統(tǒng)連接，單井產(chǎn)液量數(shù)據(jù)上傳。同時(shí)，可對稱重式計(jì)量裝置進(jìn)行控制，能夠自動(dòng)選井計(jì)量，并實(shí)現(xiàn)緊急關(guān)斷的功能。

在計(jì)量站關(guān)鍵位置設(shè)置視頻監(jiān)控、圖像分析報(bào)警、廣播預(yù)警等。防爆區(qū)采用130萬像素防爆網(wǎng)絡(luò)紅外云臺一體化攝像機(jī)，非防爆區(qū)采用130萬像素紅外網(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)。視頻圖像采用光纜傳輸至站內(nèi)控制室。計(jì)量站RTU與監(jiān)控室的通信方式根據(jù)實(shí)際情況選擇有線或無線傳輸。

2.3 集油站

集油站設(shè)置1套站控PLC控制系統(tǒng)，對站內(nèi)工藝變量及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制及聯(lián)鎖保護(hù)。站內(nèi)現(xiàn)場顯示儀表更換為可遠(yuǎn)傳的變送器，在控制室顯示。站控PLC系統(tǒng)提供OPC接口，將PLC系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)視數(shù)據(jù)上傳至上級監(jiān)控中心，并能實(shí)現(xiàn)報(bào)表自動(dòng)生成，自動(dòng)預(yù)報(bào)警。

在集油站內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)備，對站內(nèi)主要出入口、工藝區(qū)、泵房等區(qū)域設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。防爆區(qū)采用130萬像素防爆網(wǎng)絡(luò)紅外云臺一體化攝像機(jī)，非防爆區(qū)采用130萬像素紅外網(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)。視頻圖像采用光纜傳輸至站內(nèi)控制室進(jìn)行本地存儲(chǔ)。光纜敷設(shè)沿站內(nèi)已有橋架或直埋敷設(shè)。

集油站控制室根據(jù)前端攝像點(diǎn)數(shù)量合理配置存儲(chǔ)、管理、顯示設(shè)備。集油站視頻監(jiān)控點(diǎn)為16個(gè)點(diǎn)以內(nèi)，采用NVR存儲(chǔ)，配置客戶終端，配2臺42′′液晶顯示器。格式采用HD，圖像壓縮采用H.264，存儲(chǔ)時(shí)間30天。

視頻圖像與PLC系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過光纜上傳。集油站實(shí)現(xiàn)少人值守。

2.4 聯(lián)合站

聯(lián)合站一般包含原油脫水、原油穩(wěn)定、原油外輸、污水處理、注水、供熱六大生產(chǎn)系統(tǒng)。已有的DCS控制系統(tǒng)僅包含原油脫水和原油穩(wěn)定系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及控制，其余系統(tǒng)部分設(shè)置現(xiàn)場顯示儀表，沒有遠(yuǎn)傳及控制。中心控制室的已有DCS控制系統(tǒng)需要完善、擴(kuò)容，對影響安全生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的溫度、壓力、液位進(jìn)行控制，對反映生產(chǎn)過程參數(shù)的溫度、壓力、液位和重要設(shè)備參數(shù)進(jìn)行采集。污水處理、注水和供熱系統(tǒng)設(shè)置分散的PLC控制系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)采集后上傳至中心控制室，DCS控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)經(jīng)整合后統(tǒng)一存儲(chǔ)、上傳。

在聯(lián)合站內(nèi)設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)備，對站內(nèi)主要出入口、罐區(qū)、工藝區(qū)、泵房等區(qū)域設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。防爆區(qū)采用防爆一體化網(wǎng)絡(luò)型攝像機(jī)；非防爆區(qū)采用普通網(wǎng)絡(luò)型攝像機(jī)。視頻圖像采用光纜傳輸至站內(nèi)控制室進(jìn)行本地存儲(chǔ)。光纜敷設(shè)沿站內(nèi)已有橋架或直埋敷設(shè)。

聯(lián)合站視頻監(jiān)控點(diǎn)為16～32個(gè)點(diǎn)區(qū)間，采用NVR存儲(chǔ)，配置客戶終端，配4臺42′′液晶顯示器。格式采用HD，圖像壓縮采用H.264，存儲(chǔ)時(shí)間30天。

視頻圖像與DCS控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過光纜上傳。

聯(lián)合站實(shí)現(xiàn)控制室集中管控、分區(qū)巡檢、少人值守。

2.5 集輸管線

在集輸管線的起點(diǎn)、終點(diǎn)設(shè)置可遠(yuǎn)傳的溫度、壓力變送器和流量計(jì)，便于監(jiān)視管線動(dòng)態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患。

在集輸管線的閥室及管線穿越河流、人口密集區(qū)等處設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)備。閥室內(nèi)采用130萬像素防爆網(wǎng)絡(luò)紅外云臺一體化攝像機(jī)，管線穿越高后果區(qū)采用130萬像素紅外網(wǎng)絡(luò)高清高速智能球機(jī)。視頻數(shù)據(jù)采用無線傳輸至上級監(jiān)控中心。

2.6 網(wǎng)絡(luò)傳輸

井場和計(jì)量站分布分散、數(shù)量眾多，我油田屬于平原地區(qū)，采用無線傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健?/p>

集油站和聯(lián)合站的通信組網(wǎng)為專網(wǎng)方式，采用工業(yè)以太網(wǎng)+光纖傳輸?shù)姆绞?，將自?dòng)控制系統(tǒng)的儀表數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均上傳至監(jiān)控中心進(jìn)行集中監(jiān)控管理。生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)是物理斷開的，一般情況下，辦公網(wǎng)用戶是不能登陸到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中，只有授權(quán)的辦公網(wǎng)絡(luò)客戶端用戶通過防火墻才能登陸到生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中。

2.7 監(jiān)控系統(tǒng)

根據(jù)當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)，智能化監(jiān)控系統(tǒng)整體構(gòu)架為數(shù)字化平臺，以太網(wǎng)方式組網(wǎng)。采用集中和分散相結(jié)合監(jiān)控，分級控制、統(tǒng)一管理。監(jiān)控系統(tǒng)分四級管理，分公司--采油廠--管理區(qū)--站場。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)包含一級監(jiān)控室、二級監(jiān)控室、三級分控監(jiān)控室、四級本地監(jiān)控室。其中，二級監(jiān)控室僅部署廠級系統(tǒng)，三級分控監(jiān)控室配置服務(wù)器及顯示屏。

一級監(jiān)控室設(shè)在分公司，要求具備可調(diào)看網(wǎng)絡(luò)中任何一個(gè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)或一個(gè)攝像機(jī)的圖像功能。

二級監(jiān)控室設(shè)在各采油廠，要求具備可調(diào)看各廠所轄站場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和攝像機(jī)的圖像功能，設(shè)置服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、顯示屏等。

三級分控監(jiān)控室設(shè)在各廠管理區(qū)。三級分控室可調(diào)看轄區(qū)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中生產(chǎn)數(shù)據(jù)和攝像機(jī)的圖像，并對重要的攝像機(jī)的圖像進(jìn)行選擇性存儲(chǔ)，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，對網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備進(jìn)行管理、配置等，監(jiān)控室設(shè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、I/O服務(wù)器、流媒體服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備、顯示屏等。

四級本地監(jiān)控室設(shè)置在各站(聯(lián)合站、集油站等)。本地監(jiān)控室采集控制系統(tǒng)中的各項(xiàng)參數(shù)，并能控制站內(nèi)的攝像機(jī)，完成前端采集圖像和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、回訪、顯示、上傳，以以太網(wǎng)方式將圖像上傳到上一級分控室，日常視頻監(jiān)控采用自動(dòng)報(bào)警、黑屏管理。

全網(wǎng)系統(tǒng)為數(shù)字化系統(tǒng)。各級監(jiān)控室的主設(shè)備、控制軟件應(yīng)保持一致或具有兼容性或具有開放的通信協(xié)議。

2.8 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

感知層是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，它包括四個(gè)方面的數(shù)據(jù)源：(1)由基建部門管理錄入設(shè)計(jì)竣工資料等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(2)管線、井場及站場的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過控制系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)上傳；(3)管線、井場和站場的視頻通過服務(wù)器自動(dòng)上傳；(4)從相關(guān)專業(yè)數(shù)據(jù)庫提取數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)層要求建立數(shù)據(jù)庫，需要收集、管理海量的圖形和屬性數(shù)據(jù)資源，主要包括：(1)各種地理相關(guān)圖形(全要素基礎(chǔ)地形圖、各專業(yè)地理相關(guān)的現(xiàn)狀專題圖、規(guī)劃設(shè)計(jì)圖、竣工圖等)；(2)各種非地理相關(guān)圖形(各種站、庫平面布置圖、各種站、庫工藝流程圖、各種站、庫設(shè)備結(jié)構(gòu)圖等)；(3)地面工程靜態(tài)數(shù)據(jù)；(4)地面工程生產(chǎn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

其中，地理相關(guān)圖形包含1∶1萬地形圖，高分辨率航空影像圖和探測出來的油水管線及站場分布圖。

地面工程靜態(tài)數(shù)據(jù)包含管線和站場的靜態(tài)數(shù)據(jù)。管線需采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：(1)埋深、穿跨越、管徑、壁厚、介質(zhì)、投產(chǎn)日期等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(2)管線級別、安全等級、壁厚、檢測結(jié)果、檢測結(jié)論等檢測數(shù)據(jù)；(3)占壓類別、占壓時(shí)間、占壓長度、占壓照片等占壓數(shù)據(jù)；(4)管線復(fù)雜區(qū)域照片、管線穿跨越照片等實(shí)景照片；(5)穿跨越名稱、位置、地點(diǎn)等穿跨越數(shù)據(jù)；(6)維護(hù)時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容、換管數(shù)據(jù)、改線數(shù)據(jù)等維修維護(hù)數(shù)據(jù)；(7)設(shè)計(jì)、施工、竣工、驗(yàn)收等文檔資料；(8)損傷、露管、打孔盜油等侵害類數(shù)據(jù)。站場需采集的靜態(tài)數(shù)據(jù)包括：(1)設(shè)計(jì)規(guī)模、投產(chǎn)日期、工藝流程圖、平面布置圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；(2)設(shè)備名稱、銘牌數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)；(3)區(qū)域照片、設(shè)備設(shè)施照片等實(shí)景照片；(4)維護(hù)時(shí)間、地點(diǎn)、內(nèi)容等維修維護(hù)數(shù)據(jù)；(5)設(shè)計(jì)、施工、竣工、驗(yàn)收等文檔資料。

地面工程動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括：井場、站場、管線的自動(dòng)化系統(tǒng)數(shù)據(jù)，管線、井場及站場的視頻監(jiān)控，溫度、壓力、流量等運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)上傳，異常情況的預(yù)警、報(bào)警等。 靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫，永久保存。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，按照本地、管理區(qū)、采油廠級、分公司級逐級存儲(chǔ)的原則，根據(jù)不同的頻率和需求進(jìn)行存儲(chǔ)。視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲(chǔ)，管理區(qū)、采油廠和分公司的監(jiān)控中心可進(jìn)行調(diào)看。

本地實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)(采集頻率為秒級)保存3個(gè)月，本地視頻數(shù)據(jù)保存1個(gè)月。集輸大隊(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)(采集頻率為5 min)保存1年，采油廠實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)(采集頻率為30 min)保存3年，油田實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)(采集頻率為8 h)保存3年。

異常情況的預(yù)警、報(bào)警經(jīng)過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫篩選后，進(jìn)入歷史數(shù)據(jù)庫永久保存。

將以上這些大量的數(shù)據(jù)快速無冗余地錄入數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行有效的安全管理、維護(hù)和更新，實(shí)現(xiàn)圖形和屬性的一體化建庫，正確快速且減少數(shù)據(jù)垃圾。

應(yīng)用層搭建分公司、采油廠、管理區(qū)三級應(yīng)用平臺。管理應(yīng)用模塊包括生產(chǎn)監(jiān)控、報(bào)警預(yù)警、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、調(diào)度運(yùn)行、生產(chǎn)管理、公用工程和應(yīng)急處置。在監(jiān)控室統(tǒng)一完成生產(chǎn)的調(diào)度運(yùn)行。

油田內(nèi)部建立源頭數(shù)據(jù)庫，利用已有的地理相關(guān)圖形，通過GPS技術(shù)進(jìn)行測量定位，將油田內(nèi)的油井、站場、管線的具體地理位置顯示在地形圖上。再通過監(jiān)控室的應(yīng)用平臺，調(diào)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，油井、站場、管線的相關(guān)參數(shù)通過點(diǎn)擊即可查看。

站場采集參數(shù)較多，傳統(tǒng)的二維地形圖無法觀看地下工藝管線的走向及埋深。本次對站場地上及地下的設(shè)備、管線進(jìn)行統(tǒng)一探測，再應(yīng)用三維平臺軟件對其進(jìn)行二次開發(fā)，完成站場的三維建模。各項(xiàng)采集、控制參數(shù)在三維圖像上顯示，清晰明了。

每個(gè)井場、站場和管線的數(shù)據(jù)通過IP地址加以區(qū)分，數(shù)據(jù)經(jīng)整合處理后對應(yīng)不同地點(diǎn)的不同物體，實(shí)現(xiàn)對物體的管理、控制、營運(yùn)，達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用效果。

3 結(jié)束語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對井場、站場和管線進(jìn)行自動(dòng)化改造，建設(shè)智能化油田。建成后，將對管線、井場和站場的安全、環(huán)保隱患進(jìn)行預(yù)防，對出現(xiàn)的事故進(jìn)行快速反應(yīng)；同時(shí)提升油田地面工程的科學(xué)管理與投資決策水平；另外促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田生產(chǎn)建設(shè)中發(fā)揮輔助決策作用。

井場、站場和管線由人工巡檢轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮友矙z，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)預(yù)報(bào)警，操作人員黑屏監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，提高管理水平，減少用工數(shù)量。