油田運維綜合管理系統在福山油田的應用

衛乾，鄧若虹，劉星，伍儒彬

（北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京 102200）

0 引言

隨著油氣生產物聯網的迅猛發展，感知層設備、傳輸層設備的數量激增，復雜度也進一步地提高，新的發展形勢對油田物聯網運維綜合管理系統的快速響應能力、服務保障能力、智能管理能力提出了更高的要求[1-3]。本文介紹一種物聯網運維綜合管理系統，該系統由井口儀表、井口控制器RTU及井場數據采集終端RTU、應用管理服務器、物聯網運維綜合管理系統組成，可以實現物聯網相關設備掃描、設備管理、設備診斷、設備升級、運維專家系統、網絡拓撲展示、網絡信息存儲等功能，為技術工程師、生產管理人員和現場運維人員提供了一套強有力的工具。

物聯網運維綜合管理系統的應用可以確保運維過程的流程化、自動化、智能化和信息化，快速傳遞并反饋設備信息，實現快速故障定位、業務處理和恢復；保證油氣田正常生產過程能夠持續、高效運轉，運維人員可及時了解當前油氣生產物聯網中各設備的運轉狀況，降低故障停機時間，延長油井系統高效率生產的時間，間接提高油氣生產的平均系統效率，進而提高油氣產量。

下面以海南福山油田物聯網運維綜合管理系統為例，介紹一個物聯網運維綜合管理系統的系統架構、功能及應用。

圖1 物聯網運維綜合管理系統體系架構圖Fig.1 Internet operation and maintenance of the integrated management system architect ture diagram

圖2 物聯網運維綜合管理系統功能架構圖Fig.2 Internet operation and maintenance of the integrated management framework diagram of system functions

圖3 井場網絡拓撲功能Fig.3 Network topology functions

圖4 井口設備網絡拓撲功能Fig.4 Wellhead equipment network topology functions

圖5 工程管理子系統界面圖Fig.5 Project management subsystem interface

1 物聯網運維綜合管理系統

1.1 物聯網運維綜合管理系統體系架構

物聯網運維綜合管理系統由井口儀表、井口控制器RTU及井場數據采集終端RTU、應用管理服務器、物聯網運維綜合管理系統組成[4]，體系架構如圖1所示。

感知層設備可以通過由數字壓力表、數字溫度表、一體化智能示功儀、電參采集儀等設備組成，其中電參采集儀負責采集機采井電參數據以及感知層無線設備的數據采集及設備管理，井口工況數據及設備運維管理數據通過進口控制器RTU將數據傳送至井場數據采集終端RTU，最終將信息匯總至物聯網運維綜合管理系統。

圖6 儀表類設備管理界面圖Fig.6 Meter class device management interface

圖7 運維信息異常報警功能Fig.7 OPS information exception alerting features

圖8 設備診斷功能Fig.8 Equipment fault diagnosis function

1.2 物聯網運維綜合管理系統功能架構

如圖2所示，物聯網運維綜合管理系統由網絡管理子系統、工程管理及運維子系統、診斷子系統、報表子系統4部分組成。

1.2.1 網絡管理子系統

網絡管理子系統包含傳輸層設備網絡拓撲展示功能和感知層設備網絡拓撲功能，其中傳輸層設備網絡拓撲功能用于展示某一油區內各井場的網絡部署情況，感知層設備網絡拓撲功能用于展示某井場井口控制器及感知層設備的部署情況。

1.2.1.1 井場設備網絡拓撲

物聯網運維綜合管理系統根據指定IP地址段進行自動遍歷，首先獲取在線設備的IP地址并存入地址緩沖池，然后通過井場設備在線測試應答指令確定井場設備信息。系統具備自動掃描和手動掃描接口，正常情況下系統可定時自動掃描現場接入網絡的井場數據采集終端RTU并將設備信息自動存入數據庫，調試模式下，用戶可以選擇手動掃描，用戶可以根據需要指定掃描地址、端口號、應答選項等多種參數，掃描方式靈活、可選，掃描完畢后會提醒用戶是否存入系統數據庫。通過井場設備網絡拓撲展示功能，用戶可以查看井場數據采集終端RTU網絡拓撲圖，該拓撲圖可根據用戶需要展示井場名稱、網絡拓撲關系、當前井型、攝像頭安裝狀態、設備IP地址等信息，如圖3所示。

用戶在網絡拓撲圖上，可自主定義井的類型、配置當前設備IP地址，同時還可以對設備進行診斷、復位、管理等操作。在該視圖模式下，可以通過點擊相關設備進入其子網絡展示，子網絡是由井場RTU及傳感器等組成的無線zigbee網絡。

1.2.1.2 井口設備網絡拓撲

井口設備網絡拓撲功能的實現依賴于井口控制器的網關模塊，通過井口控制器網關模塊，能夠將zigbee網絡的數據轉換為物聯網運維綜合管理系統可以識別的信息包，然后通過井場數據采集終端RTU封裝為UDP數據包傳輸至管理系統。用戶可以通過井場網絡拓撲圖過濾功能，選擇查看具體井口RTU及其傳感網絡組成的拓撲結構，清晰了解現場傳感器的工作狀況。井口網絡拓撲圖如圖4所示。

在該界面下用戶可以對井口控制器及傳感器設備進行管理操作，具體可以實現設備數據讀取、工況參數讀取、診斷信息讀取、曲線讀取，同時可以對設備進行參數配置和復位等操作。

用戶可以在該界面下了解當前設備的運轉狀態，如果有通訊異?；蛘唠姵仉妷浩偷那闆r，系統會自動報警，并可以根據系統設置將報警信息發送至設定的值班人手機或郵箱，提醒值班人員及時處理。

1.2.2 工程管理子系統

工程管理及運維子系統包含現場運維功能、遠程運維功能及智能查詢功能，其中現場運維功能為用戶提供了現場操作設備的接口，遠程運維功能實現了在中控室進行遠程設備操控的接口，智能查詢功能為工程管理人員提供了快速查找、定位問題設備的接口。另外，設備或網絡異常報警功能、設備配置與管理功能及設備固件升級功能也在該子系統中實現，該子系統為用戶提供了設備本地及遠程配置功能、異常報警功能、本地及遠程固件升級功能。

1.2.2.1 現場運維

現場運維包含無線及有線方式進行設備維護，其中無線主要有zigbee和wifi兩種接入方式，主要用于現場維護井場數據采集終端RTU和無線數字溫度表、無線數字壓力表、無線一體化示功儀等設備，有線主要有RS232及RS485兩種標準接口，一般用于現場維護井口控制器RTU。

1.2.2.2 遠程運維

遠程運維模式下，用戶可以通過網絡對遠程的井場數據采集終端RTU和無線數字溫度表、無線數字壓力表、無線一體化示功儀等設備進行信息維護。遠程運維模式的實現，主要依賴于中油瑞飛物聯網運維綜合管理系統的虛擬映射機制，該機制可以根據用戶的操作自動將互聯網網絡數據包映射至zigbee網絡或井場數據采集終端RTU，從而達到遠程操作與本地操作幾乎完全一樣，非常便于運維管理及技術人員的學習和使用。

1.2.2.3 設備管理

物聯網運維綜合管理系統支持設備的本地管理及遠程管理，因采用了中油瑞飛特殊的映射機制，用戶在進行遠程及本地設備管理時的操作界面是一樣的，這對用戶來說是非常方便的。

用戶可以通過管理模式對井場數據采集終端RTU和無線數字溫度表、無線數字壓力表、無線一體化示功儀等設備進行管理，其中包括復位操作、參數配置、恢復出廠設置、固件升級、設備診斷及實時數據讀取功能。

儀表類設備管理界面如圖6所示。

1.2.2.4 異常報警

物聯網運維綜合管理系統具備非常完善的異常報警功能，可以根據用戶配置將報警信息自動發送至運維管理人員的手機或郵件，在設備或網絡出現故障時能夠第一時間獲取通知，以便及時處理故障，降低生產風險。

異常報警支持的功能如圖7所示。

圖9 報表子系統界面圖Fig.9 Reporting subsystem interface diagram

圖10 智能報表功能Fig.10 Intellectual report features

1.2.3 診斷子系統

診斷子系統包含網絡診斷和設備診斷兩個部分，通過網絡診斷功能可以診斷出當前井場網絡健康狀況，通過設備診斷功能可以獲取在線設備的運轉狀況。

報表子系統是為工程管理運維、決策人員提供的一套功能強大、智能化程度較高的報表統計、輸出系統，通過該系統可以實現任務自動派單，統計并輸出年度、月度或指定時間段內的運維信息及相關圖表。

1.2.3.1 網絡診斷

網絡診斷主要通過REQ/ACK通訊機制實現的，其中網絡診斷包括互聯網通訊網絡診斷及zigbee無線網絡診斷功能，用戶可以通過診斷功能查看當前網絡的健康情況。

1.2.3.2 設備診斷

設備診斷是用戶進行設備維護的重要工具，該工具集成了瑞飛設備故障運維專家系統，在設備出現故障時，通過該功能可以協助、指導用戶對設備進行維護，圖8以示功儀設備為例展示了設備診斷功能。

在診斷模式下，可以實時查看傳感器的工況數據，如載荷、位移、電池電壓、信號強度等信息，當偵測到設備異常時，專家系統會自動彈出。

1.2.4 報表子系統

報表子系統是為工程管理運維、決策人員提供的一套功能強大、智能化程度較高的報表統計、輸出系統，通過該系統可以實現任務自動派單，統計并輸出年度、月度或指定時間段內的運維信息及相關圖表。以現場無線儀表狀態統計為例展示如圖9所示。

1.2.4.1 自動工單

該系統集成了自動工單功能，用戶通過系統配置窗口可以進行工單配置，具體功能如下：可以將設備故障分類進行管理，當某一類設備出現故障時系統會以郵件及短信方式自動向相關運維人員分派工作任務，制定工時計劃，當運維人員超時未提交工單完成情況時，系統會自動提醒工作人員交付工單。

1.2.4.2 智能報表

系統集成了豐富的報表功能，其中包括整體故障率統計、某一型號設備故障率統計、設備運維次數統計、運維管理人員出勤率及出勤時間統計，具體功能如圖10所示。

2 結束語

本文介紹的油氣生產物聯網綜合管理系統在海南福山油田運行良好，為油田的技術工程師、生產管理人員和現場運維人員提供了一套強有力的工具。通過該系統的井場網絡拓撲圖顯示、感知層設備網絡拓撲及管理、數據采集與曲線回放、設備管理、系統監測、工程管理等功能，用戶可及時了解當前油氣生產物聯網中各設備的運轉狀況，指導系統運維決策，實現快速故障定位、業務處理和恢復，保證油氣田正常生產過程能夠持續、高效運轉。

油氣生產物聯網綜合管理系統在福山油田的成功應用為該系統在其他油田的應用推廣提供了寶貴的經驗，未來在其他油田的油氣生產物聯網的建設中也可推廣應用該系統。

[1]賈靈,王薪宇,鄭淑軍,等.物聯網/無線傳感網原理與實踐[M].北京航空航天大學出版社,2011,1:86.

[2]檀朝東,邵定波,關成堯.油井在線監控計量分析系統技術研究及應用[J].工業計量,2008,18(5):1-4.

[3]UIT.ITU Internet Reports:The Internet of Things[R].2005.

[4]張暉.物聯網技術架構與標準化進展[R].2010,08.