海上無人值守采油平臺安全監控系統設計

董超群，董 芳，孫偉峰，李立剛

（1.中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，山東 青島 266555；2.青島濱海學院 機電工程學院，山東 青島 266555）

為了有效遏制不法分子登陸海上石油開發無人值守采油平臺進行非法活動（偷盜平臺生產設施、破壞原油開采設備、盜取原油等）、及時發現海上采油生產設備故障信息，綜合應用先進的傳感器、數據采集、PLC、計算機監控、視頻聯動報警、無線網絡通信和數據庫等技術設計和開發一套適用于海上無人值守采油平臺生產實際的安全監控系統[1-2]，對海上平臺周界入侵信息和采油生產設備故障信息進行在線實時監測，經視頻認證后對非法入侵和設備故障進行及時處理，有效發現不法分子的非法入侵，延緩和阻止不法分子的非法行徑，及時發現和處理生產設備的異常和故障，確保海上油區的生產安全。

1 系統總體設計

系統的總體結構如圖1所示，其核心部件是設置在海洋平臺上的安全監控主機，其采集3大類信號：1）前端識別探測陣列實時檢測平臺周界入侵信號，一旦發現非法入侵、及時將相關信息送往安全監控主機；2）PLC系統實時檢測生產設備的工況信息，一旦發現異常和故障、及時將異常和故障信息送往安全監控主機；3）當安全監控主機接收到非法入侵或異常/故障信息時，啟動聲光報警器和視頻聯動監控系統，通過高清智能攝像機對非法入侵或異常/故障地點進行視頻監控，視頻信息經視頻采集板卡送往安全監控主機。

圖1 海上采油平臺安全監控系統總體結構圖Fig.1 Overall structure diagram of the system

安全監控主機將采集到的平臺周界入侵信息、生產設備工況信息和視頻信息通過無線通信網絡傳輸至陸地的遠程監控中心[3-4]，工作人員在視頻信息的輔助下對非法入侵或異常/故障信息進行甄別和確認，并及時進行防范和處理。

全套系統具備如下功能和特點：1）非法入侵多重識別探測功能，系統根據實際情況在平臺的不同位置選用不同的探測器裝置進行非法入侵識別檢測，多種探測器的有機結合形成了前端識別探測器陣列；2）非法入侵視頻聯動監控報警功能，當系統檢測到非法入侵信號時，攝像系統及時聯動跟蹤到發生報警的位置進行視頻監控錄像；3）生產過程故障視頻聯動監控報警功能，當系統檢測到平臺生產過程出現異常和故障時，攝像系統及時聯動跟蹤到發生異常和報警的位置進行視頻監控錄像；4）聲光報警功能，當系統檢測到有非法入侵或異常/故障時，驅動平臺聲光報警器發出聲光報警；5）視頻及報警信息遠程傳輸功能，系統能夠將非法入侵報警信息和生產過程故障報警信號經無線網絡發送至陸地遠端監控中心，同時遠程監控中心可以實時訪問海上平臺的視頻監視信息；6）布防/撤防功能，系統維護人員和平臺工作人員能夠根據需要靈活地進行撤防/布防設置。

2 硬件系統設計及設備選型

全套系統從硬件設備歸屬地可以劃分為3個部分：1）位于海上平臺的防入侵/生產故障監控及視頻聯動系統；2）位于陸地的遠程監控中心；3）連接平臺安全監控主機和陸地監控中心計算機系統的無線通信網絡。其中防入侵/生產故障監控及視頻聯動系統的硬件結構如圖2所示，從功能上可將其細分為3個子系統：1）基于紅外對射探測或門磁開關檢測的平臺周界防入侵電子圍欄系統；2）基于PLC的生產設備異常/故障監控系統；3）基于高清智能攝像機的視頻聯動監控及錄像系統。

圖2 防入侵/生產故障監控及視頻聯動系統硬件連接圖Fig.2 Hardware connection diagram of the system

2.1 平臺周界防入侵電子圍欄系統設計

系統選用日本艾禮富公司生產的ABT-100型雙射線紅外主動對射探測器作為探測設備，選用北京中泰研創科技有限公司生產的RM446作為數字量采集模塊，選用RM4050作為RS485/RS232轉換器。ABT-100抗強光達50000LUX，內置自動調節強光過濾系統，抗陽光直射性能良好；采用全密封防雨、防霧、防塵等全天候一體化結構設計，在濃霧或天氣惡劣時會自動增強靈敏度；采用防雷擊電路設計，能夠在惡劣的環境中正常工作，滿足海上平臺上的安裝要求。

ABT-100的輸出為繼電器電平信號，輸出信號持續時間大于2 s，其輸出經RM446采集之后傳輸到485總線，485總線信號遠程傳輸至安全監控主機附近，經RM4050接入安全監控主機。采用485總線遠程傳輸現場信息，在簡化信號線路的同時也能夠大大提高信號傳輸的穩定性和可靠性，增強信號傳送的抗干擾能力。

海上平臺的登陸門位于登梯與平臺的結合部位，是平臺周界防入侵電子圍欄系統的重點布防位置，為了確保監控系統的可靠性和準確性，系統設置雙重探測識別裝置：1）在登陸門附近安裝紅外主動對射探測器ABT-100；2）在平臺登陸門上安裝門磁開關。系統選用日本艾禮富公司生產的DC-1561型門磁開關，其輸出信號送往RM446。

2.2 生產過程故障監控系統設計

采油平臺生產工藝設備運行狀況聯動監控報警系統對采油平臺生產過程和關鍵設備的運行狀態進行實時監控，一旦檢測到異常或故障，及時進行報警。系統主要針對平臺井口設備、注水設備及油水分離器的運行狀態進行重點監控：1）井口設備監測壓力、溫度、流量及相關開關量；2）注水設備監測壓力、流量及相關開關量；3）分離器監測壓力、溫度、液位及相關開關量。對于每個生產工藝設備，參數故障信號通過邏輯“或”的關系產生一個總的故障信號輸出。

平臺生產過程的運行狀態參數（壓力、溫度、液位等）由平臺生產設備監控PLC單元進行采集，這些參數通過故障分析程序進行判斷。系統選用德國西門子公司生產的SIMATIC S7-300型PLC（可編程邏輯控制器）執行相關功能。S7-300通過專用485通信電纜和RS485-RS232轉換器與安全監控主機相連。

2.3 視頻聯動監控及錄像系統設計

當安全監控主機接收到平臺周界防入侵電子圍欄系統或生產過程故障監控系統發出的報警信息時，馬上判斷出報警位置并啟動布置在該位置的高清智能攝像機、攝像機自動跟蹤到預設監視位置、對報警區域進行監視錄像，驅動平臺上設置的聲光報警器并向陸地遠程監控中心發出報警信息及報警部位的實時視頻錄像信號[5-7]。

系統選用常州盛和電子有限公司生產的SFY2006型一體化高速攝像機。該攝像機滿足現場防水防爆要求，采用高扭矩永磁直流電動機配合高精度行星齒輪減速機，具有較高的傳動精度和使用壽命；不銹鋼材質外殼，具有業界最高的防護等級IP68，能在任何惡劣環境下使用；攝像機內置多功能解碼器，具有極高的運行速度和可靠性，具備控制攝像儀的所有功能；內部結構件由銅或鋼制成，復合防爆最高等級認證；一體化設計，結構緊湊，體積小，安裝維護方便。

3 系統軟件功能模塊設計與開發

系統軟件功能模塊如圖3所示。系統軟件由兩大部分組成：1）位于采油平臺安全監控主機上的海上監控模塊；2）位于陸地遠程監控中心計算機系統的遠程監控模塊。

圖3 系統軟件功能模塊圖Fig.3 Function module chart of the system software

安全監控主機需要完成4個方面的功能：1）對非法入侵和生產過程故障信號進行采集；2）檢測到報警啟動視頻聯動監控及錄像系統；3）檢測到報警啟動平臺聲光報警裝置；4）將采集到的平臺周界入侵信息、生產設備工況信息和視頻信息通過無線網絡遠程傳輸至陸地監控中心。安全監控主機系統軟件流程如圖4所示。

圖4 安全監控主機系統軟件流程圖Fig.4 Flow chart of the system software

陸地遠程監控中心模塊對海洋開發平臺進行總體的監視與控制，實時顯示平臺報警及故障信息：1）總體監控，對海洋平臺進行實時監控，實時顯示海洋平臺視頻信息，對平臺攝像系統進行控制，對報警錄像進行遠程回放；2）報警顯示，實時接收海洋平臺發來的報警及故障信息并顯示，同時將這些報警或故障信息存入數據庫系統，以便進行歷史查詢。

4 結束語

針對海上無人值守采油平臺的實際生產需要，綜合應用紅外對射探測、門磁開關檢測、PLC、視頻聯動監控錄像、無線通信網絡等多項技術設計和開發了一套海上無人值守采油平臺安全監控系統。系統能夠對海上平臺周界入侵信息和采油生產設備故障信息進行在線實時監測，發現報警立即啟動配套高清智能攝像機對非法入侵或異常/故障地點進行視頻監控，同時將相關信息傳送至陸地遠程監控中心，陸地工作人員通過視頻信息對非法入侵或異常/故障信息進行甄別和確認，并及時進行防范和處理。系統在某海上采油平臺現場運行一年有余，運行穩定可靠、報警準確及時。現場應用表明，該系統較好的完成了預期任務，具有較大的實用價值和應用前景。

[1]馬越，熊煒，王明秀，等.海上采油平臺安全預警機制管理[J].安全、健康和環境，2003，3（3）：13-14.

MA Yue， XIONG Wei， WANG Ming-xiu， et al.Marine oil platform safety warning mechanism management[J].Safety，Health and Environment，2003，3（3）：13-14.

[2]孫明，王柏森.數字化油田在海上平臺的建設及前景展望[J].測控技術，2007，26（12）：4-7.

SUN Ming，WANG Bai-sen.The construction of marine platform and prospect of digital oilfield[J].Measurement and Control Technology，2007，26（12）：4-7.

[3]魏克新，馬中原，冷建偉，等.基于無線數傳的海上采油平臺監控系統[J].電氣傳動，2009，39（10）：67-71.

WEI Ke-xin， MA Zhong-yuan， LENG Jian-wei， et al.Marine oil platform monitoring system based on wireless data transmission[J].Electric Transmission，2009，39（10）：67-71.

[4]孫欽，陳可欽，張藝.無線傳輸在海上平臺的應用研究[J].自動化技術與應用，2008，27（11）：63-64.

SUN Qin， CHEN Ke-qin， ZHANG Yi.Application research of wireless transmission in marine platform[J].Automation Technology and Application，2008，27（11）：63-64.

[5]楊洪旭.海上石油平臺無線視頻監控系統的建立[J].安全、健康和環境，2004，4（10）：16-18.

YANG Hong-xu.Establishment of marine oil platform wireless video monitoring System[J].Safety， Health and Environment，2004，4（10）：16-18.

[6]高志國，李巧鴿，高新鵬.視頻監控數據遠程傳輸的設計與實現[J].石油化工自動化，2010，47（5）：51-53.

GAO Zhi-guo， LI Qiao-ge， GAO Xin-peng.Design and implementation of video monitoring data remote Transmission[J].Petroleum Chemical Industry Automation，2010，47（5）：51-53.

[7]馬中原.基于無線數傳的海上采油平臺監控系統設計[D].天津：天津理工大學，2009.