汪君明，袁鴻軼，韋丁午

（1.渤海鉆探塔里木鉆井分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；2.渤海裝備華油鋼管公司，河北 滄州 062650）

0 引言

石油鉆探行業(yè)設(shè)備經(jīng)常處于環(huán)境惡劣的室外運(yùn)行，由于設(shè)備多而復(fù)雜的特性導(dǎo)致工作人員需更加注重設(shè)備的保養(yǎng)與維護(hù)管理，盡管已有部分監(jiān)控系統(tǒng)陸續(xù)被應(yīng)用于鉆井行業(yè)，但是各監(jiān)控部分相互獨(dú)立，必須人為參與巡檢任務(wù)，而且并未具備實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)的功能[1-3]。這種情況會(huì)引起監(jiān)控系統(tǒng)的分散，往往都是事故發(fā)生后進(jìn)行預(yù)警或作出反應(yīng)，并且在大量投入人力、物力去維護(hù)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，受到外界環(huán)境因素的影響，還是不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患。目前石油行業(yè)處于自動(dòng)化的階段，加上近幾年國(guó)家的大力支持，某些石油地區(qū)井隊(duì)已經(jīng)配備高度自動(dòng)化的設(shè)備，從而減少人力勞動(dòng)，提升鉆井效率。從另一方面來說，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)人員自動(dòng)化程度越高的設(shè)備所帶來的相關(guān)問題越難以處理，所以智能化的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案引起了行業(yè)廣泛的關(guān)注，并且針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)通信方式多為有線通信，可能有斷線、短路等風(fēng)險(xiǎn)，因此將有線通信改進(jìn)為技術(shù)成熟的無線LoRa射頻通信技術(shù)，由于LoRa無線模塊具備在同等功率的條件下傳輸距離更遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且抗干擾能力也遠(yuǎn)勝于其他無線技術(shù)，因此在環(huán)境惡劣的條件下該技術(shù)具備可靠性、穩(wěn)定性[4-5]。

基于LoRa射頻的石油鉆機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)主要分為4個(gè)架構(gòu)層，包括物聯(lián)層、數(shù)據(jù)層、智能層、業(yè)務(wù)層，其概念圖如圖1所示。在物聯(lián)層主要就是確定面向?qū)ο蟮脑O(shè)備，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)主要是電動(dòng)機(jī)電壓、電流，而智能化監(jiān)控系統(tǒng)從鉆機(jī)八大系統(tǒng)主要設(shè)備出發(fā)，例如提升系統(tǒng)的絞車、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)盤、循環(huán)系統(tǒng)的泥漿泵等[6]，監(jiān)測(cè)重要數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)層分析的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)層主要技術(shù)手段是數(shù)據(jù)的采集方式，從硬件角度來說，要通過智能網(wǎng)采集數(shù)據(jù)，從軟件角度來說，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法，將數(shù)據(jù)集歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化；智能層主要從智能監(jiān)控、智能預(yù)警、智能分析、智能維護(hù)的角度出發(fā)，重點(diǎn)是研究算法；業(yè)務(wù)層主要是終端顯示方式，可采用Web端，也可以采用移動(dòng)端進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 石油鉆機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)概念圖

1 系統(tǒng)組成

基于LoRa射頻的石油鉆機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)重點(diǎn)集中于數(shù)據(jù)層和智能層，數(shù)據(jù)層可以采集工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、故障報(bào)警等信息，利用PLC有線通信將數(shù)據(jù)內(nèi)置于程序內(nèi)部，再通過智能網(wǎng)關(guān)F8L10T與PLC無線LoRa射頻技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送至服務(wù)器，經(jīng)過算法處理后，最終結(jié)果顯示于Web端及移動(dòng)端。監(jiān)控工控機(jī)采用研華IPC-610L型，服務(wù)器是ThinkPad R14 Windows Server 2012服務(wù)器系統(tǒng)，搭建石油鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)的云平臺(tái)是易云平臺(tái)，通過平臺(tái)組態(tài)搭建實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)安全狀態(tài)、報(bào)警信息、巡檢信息等功能，并且將重要信息遠(yuǎn)程發(fā)送至移動(dòng)端，重要人員隨時(shí)收到警報(bào)及任務(wù)信息，易云平臺(tái)提供豐富的REST接口，可供應(yīng)上層人員二次開發(fā)。

圖2 石油鉆機(jī)智能化監(jiān)控系統(tǒng)組成

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)：1）設(shè)備資源數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)、規(guī)則報(bào)警；2）設(shè)備的健康診斷與分析；3）設(shè)備維護(hù)計(jì)劃、任務(wù)、人員的統(tǒng)一管理；4）支持移動(dòng)端的信息同步。

石油鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要安全可靠的傳輸環(huán)境，而且還需針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備做一定的算法預(yù)測(cè)，智能化的監(jiān)控系統(tǒng)能極大降低石油行業(yè)人力成本、經(jīng)濟(jì)成本，帶動(dòng)行業(yè)從自動(dòng)化設(shè)備轉(zhuǎn)型智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)融合，減少風(fēng)險(xiǎn)隱患，提升故障處置能力，優(yōu)化資源配置，降低維護(hù)成本[7-10]。

2 基于LoRa石油鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)前端采用Veu3.0框架結(jié)構(gòu)，優(yōu)化傳統(tǒng)Web架構(gòu)，基于Proxy的底層與前端API都能實(shí)現(xiàn)響應(yīng)式反饋，Web后端運(yùn)用SpringBoot技術(shù)，與傳統(tǒng)的Spring技術(shù)相比，在配置方式上具有一定的優(yōu)勢(shì)，對(duì)第三方框架可以兼容，而且內(nèi)嵌Sevelet可以降低對(duì)環(huán)境因素的影響。反觀移動(dòng)端，也提出比原本的Android系統(tǒng)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)lutter是Google的SDK且免費(fèi)開源，其UI包完全可以作為設(shè)計(jì)交互式界面的素材，能提升系統(tǒng)運(yùn)行效率，渲染效果高效簡(jiǎn)潔，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。

在石油行業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性是最值得關(guān)注的問題，基于LoRa射頻的石油鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)簡(jiǎn)單，維護(hù)性強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，完全能夠適應(yīng)環(huán)境因素的影響，大大提升鉆機(jī)安全運(yùn)行的能力，以下是對(duì)該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)劃分。

1）監(jiān)測(cè)中心。監(jiān)測(cè)中心具備對(duì)電控系統(tǒng)所控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，對(duì)重要的數(shù)據(jù)設(shè)定閾值，當(dāng)超過閾值時(shí)，會(huì)發(fā)出警報(bào)。而且該模塊支持用戶查看歷史參數(shù)，便于工作人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)做一定的自主判斷決策，也會(huì)以可視化的方式展現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)趨勢(shì)波動(dòng)，能夠觀察相關(guān)性高的參數(shù)值，方便用戶自定義分組參數(shù)列表，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)中心架構(gòu)

2）健康診斷中心。監(jiān)控診斷中心主要對(duì)選定的設(shè)備提供基于局域網(wǎng)、藍(lán)牙、GPS的定位功能，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境、參數(shù)列表、歷史維護(hù)信息、故障警告、失效分析等因素，提出權(quán)重分布方式，對(duì)需要重點(diǎn)關(guān)心的參數(shù)及設(shè)備進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控，利用線性回歸模型，簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)故障發(fā)生的時(shí)間段及概率。根據(jù)用戶配置的健康指標(biāo)和傳感器數(shù)據(jù)交叉檢驗(yàn)對(duì)比，深度了解當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)超出健康標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備給予警告處理，并支持運(yùn)維工單的填寫，便于故障溯源。同時(shí)，將結(jié)果數(shù)據(jù)緩存于服務(wù)器，為后續(xù)報(bào)警裝置提供指導(dǎo)意見，如圖4所示。

圖4 健康診斷中心架構(gòu)

3）報(bào)警中心。系統(tǒng)中的所有報(bào)警列表來源于PLC警報(bào)設(shè)定、基于規(guī)則和函數(shù)預(yù)警的工業(yè)算法，選擇設(shè)備分組、類型、狀態(tài)來篩選報(bào)警數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備報(bào)警需人員參與維護(hù)和檢查，并將檢查結(jié)果通過移動(dòng)端確認(rèn)并反饋結(jié)果。對(duì)于系統(tǒng)的報(bào)警提示，內(nèi)置結(jié)果權(quán)重指標(biāo)，將權(quán)重大的結(jié)果優(yōu)先推送處理，而且為了防止工作人員沒有細(xì)心檢查，所以必須含有人員確認(rèn)過程，如圖5所示。

圖5 報(bào)警中心

4）維護(hù)管理。傳統(tǒng)的計(jì)劃維護(hù)方式是定點(diǎn)、定時(shí)檢修，只需人為設(shè)定時(shí)間節(jié)點(diǎn)即可，到該時(shí)刻自動(dòng)下發(fā)通知。與傳統(tǒng)方式相比，本系統(tǒng)增加了用戶自定義檢修計(jì)劃，并關(guān)聯(lián)歷史記錄和報(bào)警信息，對(duì)高頻故障設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)控，提供相關(guān)設(shè)備資料及廠家信息，便于隨時(shí)溝通。現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)起維修計(jì)劃，可以設(shè)定計(jì)劃類型，如部件維修或整體設(shè)備維修、重大維修或輕度維修等，支持周期計(jì)劃，還可以具體指派某人去進(jìn)行養(yǎng)護(hù)管理。為了便于現(xiàn)場(chǎng)人員查閱信息，提供列表信息，對(duì)處理過的問題做記錄，便于下次查看，如圖6所示。

圖6 維護(hù)管理

5）移動(dòng)端。移動(dòng)端包括監(jiān)測(cè)、報(bào)警、維護(hù)等主要功能，針對(duì)不同的設(shè)備生成唯一二維碼標(biāo)志，現(xiàn)場(chǎng)工作人員利用智能監(jiān)控系統(tǒng)APP或者微信小程序，掃描二維碼后可對(duì)當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行查看，更加靈活方便。針對(duì)系統(tǒng)中未處理、已處理、處理中的報(bào)警信息，進(jìn)行移動(dòng)端下發(fā)通知，指派相應(yīng)維護(hù)人員，通知對(duì)重點(diǎn)任務(wù)的監(jiān)督處理，處理管理員可以修改信息操作，其他人員只能查看設(shè)備報(bào)警情況，不能操作。移動(dòng)端的設(shè)備維護(hù)功能重點(diǎn)是提醒工作人員處理未維護(hù)的任務(wù)，將正在維護(hù)的設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)控，同時(shí)查看任務(wù)詳情、處理資料、處理維護(hù)任務(wù)、結(jié)果提交，如圖7所示。

圖7 移動(dòng)端架構(gòu)

基于LoRa射頻的石油鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要采用LoRa射頻技術(shù)，工作于433～470 MHz范圍內(nèi)，直線傳輸距離＞200 m，F(xiàn)8L10T智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置LoRa模塊，整體上屬于協(xié)調(diào)器，用來建立網(wǎng)絡(luò)，控制系統(tǒng)PLC外置網(wǎng)關(guān)在協(xié)助自身通信的同時(shí)，對(duì)其他數(shù)據(jù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)發(fā)。石油鉆機(jī)運(yùn)行參數(shù)及安全信息經(jīng)過處理后，作為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)庫(kù)的輸入，通過信息融合計(jì)算，得到監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并顯示在大屏投影儀或者大屏顯示器上。而移動(dòng)端用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)、信息關(guān)聯(lián)等操作，同時(shí)做到及時(shí)通知，在處理問題響應(yīng)時(shí)間上進(jìn)一步提升。

3 結(jié)論

基于LoRa射頻的石油鉆機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是一種可行、可靠的方案，解決了鉆機(jī)現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)困難、故障難以溯源等難以解決的問題，對(duì)鉆井參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄、分析、展示，而且具備結(jié)果預(yù)測(cè)能力，提前發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，提升了鉆機(jī)的信息傳遞的適應(yīng)性，克服了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的局限性、易損性，有效提高設(shè)備的維護(hù)能力及數(shù)據(jù)安全的能力，對(duì)智能化鉆機(jī)有很好的指導(dǎo)意義，避免發(fā)生事故。