油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應用

郭亮，王歡，馬強，余輝，張海峰

(中石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000 )

油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應用

郭亮，王歡，馬強，余輝，張海峰

(中石油長慶油田分公司第一采油廠，陜西 延安 716000 )

油氣物聯(lián)網(wǎng)是指借助專用設(shè)備和專用網(wǎng)絡而搭建的能夠?qū)崿F(xiàn)油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的系統(tǒng)。對于安塞油田而言，由于生產(chǎn)網(wǎng)絡和辦公網(wǎng)絡未進行物理隔離，同時系統(tǒng)內(nèi)包含數(shù)量眾多的數(shù)字化監(jiān)控設(shè)備，因而較易發(fā)生網(wǎng)絡擁塞、數(shù)據(jù)中斷等現(xiàn)象。從故障現(xiàn)象入手，分別從網(wǎng)絡環(huán)境分析和設(shè)備網(wǎng)絡缺陷兩個方面分析了造成數(shù)據(jù)不穩(wěn)定的原因，提出了優(yōu)化網(wǎng)絡、完善設(shè)備網(wǎng)絡協(xié)議等措施，使相關(guān)問題得到了較好的解決。

油氣物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡優(yōu)化；數(shù)字化監(jiān)控；安塞油田

安塞油田是長慶油田公司的主力采油區(qū)塊，自從2009年大規(guī)模開展數(shù)字化建設(shè)以來，已經(jīng)形成了覆蓋油田采油井場、各級站點、作業(yè)區(qū)指揮調(diào)度中心的一個完善的油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。2013年安塞油田按照中石油A11建設(shè)規(guī)范，進行了作業(yè)區(qū)級SCADA系統(tǒng)的升級，作為配套措施對網(wǎng)絡進行了升級改造[1]：將原以站點為核心的小型局域網(wǎng)擴展為涵蓋網(wǎng)絡設(shè)備更多、覆蓋范圍更大的局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)[2,3]。但是經(jīng)過一段時間的應用，新的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)使原運行穩(wěn)定的數(shù)字化系統(tǒng)出現(xiàn)了較大范圍的數(shù)據(jù)中斷現(xiàn)象。為了保證油田的正常生產(chǎn)，筆者對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)中斷的原因進行了分析，提出了相應的解決措施，收到了較好的應用效果。

1 安塞油田油氣生產(chǎn)網(wǎng)結(jié)構(gòu)

安塞油田某作業(yè)區(qū)網(wǎng)絡系統(tǒng)在物理上是由交換機、光纖、雙絞線構(gòu)成的一個局域網(wǎng)系統(tǒng)。自上而下包括3層交換機設(shè)備：位于最上層的為作業(yè)區(qū)的匯聚交換機(三層網(wǎng)絡交換機)、中間層的為站點接入交換機、最下層為井場接入交換機，交換機之間采用光纖方式進行連接。在邏輯上通過VLAN劃分的方式，將網(wǎng)絡虛擬為連接辦公設(shè)備的辦公網(wǎng)和連接現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)施的生產(chǎn)網(wǎng) 。

對于一個作業(yè)區(qū)油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)而言，在生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)包含了大量的生產(chǎn)設(shè)施，主要包括各級監(jiān)控電腦、站點PLC設(shè)備、井場數(shù)據(jù)采集終端(井場RTU設(shè)備)、井場和站點視頻采集設(shè)備等。其中包含的主要設(shè)備為SCADA服務器，生產(chǎn)監(jiān)控電腦，視頻監(jiān)控電腦，RTU， PLC 及視頻服務器。

2 油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中運行出現(xiàn)的問題

自2013年SCADA系統(tǒng)投入應用，油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在系統(tǒng)中運行出現(xiàn)了較為嚴重的問題，從2016年4月13日至5月10日期間，該站點共計出現(xiàn)10次網(wǎng)絡中斷情況。主要體現(xiàn)為SCADA服務器與現(xiàn)場油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間(如井場主RTU設(shè)備、站點PLC)普遍出現(xiàn)數(shù)據(jù)中斷。

2.1 網(wǎng)絡分析

通過對安塞油田中斷比較嚴重的杏六注水站進行網(wǎng)絡報文截取，發(fā)現(xiàn)該站存在較為嚴重的廣播報文和組播報文(圖1)。

圖1 網(wǎng)絡報文截圖

在進行報文截獲時，數(shù)據(jù)的截獲點位于杏六增PLC至交換機之間，在該點截獲的數(shù)據(jù)報文將直接進入PLC網(wǎng)絡接口，對PLC的網(wǎng)口形成沖擊。通過分析統(tǒng)計，整理出PLC網(wǎng)絡接口報文類型統(tǒng)計(表1)。

表1 網(wǎng)絡報文統(tǒng)計表

2.2 網(wǎng)絡中斷分析

在所截獲的網(wǎng)絡報文中，有一處SCADA服務器和現(xiàn)場PLC中斷的通信報文(圖2)。服務器在4496號報文處發(fā)起了一條數(shù)據(jù)請求命令，申請讀取現(xiàn)場PLC的數(shù)據(jù)，PLC在4497號報文進行了回復。正常情況下，服務器收到回復后，會根據(jù)TCP協(xié)議返回一條確認幀(ACK幀)。但是服務器由于某種原因未收到PLC返回的4497號報文，因此SCADA服務器又發(fā)出了4513號重讀報文，結(jié)果PLC未予響應。如此，SCADA服務器又經(jīng)過4次報文重讀命令后，判斷當前PLC出現(xiàn)了通信故障。通過研究確認，在安塞油田的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品協(xié)議棧存在一定的缺陷，不支持重傳機制，因此當某種情況下出現(xiàn)網(wǎng)絡擁塞等情況時就會出現(xiàn)報文丟失，而設(shè)備又不能夠?qū)χ刈x報文進行應答，就容易造成通信鏈路中斷故障。

圖2 通信中斷報文截圖

3 造成網(wǎng)絡擁塞報文丟失的原因

圖3 VLAN網(wǎng)絡互連示意圖

VLAN網(wǎng)絡由若干個二層交換機構(gòu)成，交換機之間通過配置TRUNK口級聯(lián)以擴展端口數(shù)量。為了實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)的隔離，該作業(yè)區(qū)劃分為2個VLAN(圖3)。

生產(chǎn)網(wǎng)中的現(xiàn)場物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和位于辦公網(wǎng)的SCADA服務器必須通過支持路由功能的三層交換機才能進行通信。如主機A向主機B發(fā)送一段報文，必須經(jīng)過如下路徑：主機A——交換機1——三層交換機——交換機1——交換機2——主機B。

由于實際上作業(yè)區(qū)的網(wǎng)絡設(shè)備比示意圖復雜的多，網(wǎng)絡設(shè)備數(shù)量和VLAN數(shù)量也更多，因此在匯聚鏈路上出現(xiàn)擁塞、報文丟棄的幾率也更大。那么對于通信可靠性要求更為嚴格的工業(yè)通信報文，一旦出現(xiàn)如前所述的報文丟失等問題，將會帶來一系列網(wǎng)絡問題。對此必須要通過提高設(shè)備網(wǎng)絡性能、修補網(wǎng)絡協(xié)議缺陷進行補救。

4 解決問題的措施

分析安塞油田油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，認為造成網(wǎng)絡故障的原因主要包括2部分：一是網(wǎng)絡環(huán)境較為復雜，網(wǎng)絡內(nèi)存在大量廣播報文和組播報文，造成網(wǎng)絡無用開銷較大；二是油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備抵御網(wǎng)絡沖擊的抵抗力不足，網(wǎng)絡協(xié)議棧有待優(yōu)化。為此，提出以下相應的解決措施。

1)優(yōu)化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) 借助VLAN技術(shù)，以作業(yè)區(qū)為單位的一個虛擬局域網(wǎng)劃分為以站點為單位的多個虛擬局域網(wǎng)[4,5]。通過VLAN劃分，將原有的上百臺主機設(shè)備的網(wǎng)絡劃分為主機數(shù)量控制在40個左右的小型網(wǎng)絡，從而減少了ARP、NBNS等廣播的廣播域。大大降低了網(wǎng)絡風暴的形成，減輕了網(wǎng)絡負擔[6]。

2)凈化網(wǎng)絡環(huán)境 對作業(yè)區(qū)內(nèi)的各臺計算機統(tǒng)一安裝正版殺毒軟件，并嚴格進行病毒查殺。

3)修補物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(PLC/RTU)網(wǎng)絡漏洞 優(yōu)化工作主要包括：增加Modbus TCP重傳機制，避免報文丟失后無法響應主機重讀請求；修補TCP漏洞，增加半連接、空連接檢測機制，并及時釋放無用網(wǎng)絡資源，減少syn flood、land攻擊等帶來的風險。

[1]韓光. 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(A11)生產(chǎn)管理平臺擴展研究[A]. 新疆維吾爾自治區(qū)人民政府，中國科學技術(shù)協(xié)會，中國科學院，中國工程院.第四屆信息化創(chuàng)新克拉瑪依國際學術(shù)論壇論文集[C].新疆維吾爾自治區(qū)人民政府，中國科學技術(shù)協(xié)會，中國科學院，中國工程院: 2016.9.

[2]汪燕. 油氣物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理的研究[D].蘭州：蘭州理工大學,2016.

[3]張鶴立. 分層異構(gòu)網(wǎng)絡中干擾管理、用戶連接及自組織技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學,2014.

[4]陳劍鴻. 復雜網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)分發(fā)模型及技術(shù)研究[D].廣東：華南理工大學,2013.

[5]唐瑩. 網(wǎng)絡性能結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春：吉林農(nóng)業(yè)大學,2011.

[編輯] 帥群

2016-09-10

郭亮(1984-)，男，工程師，現(xiàn)主要從事油田數(shù)字信息管理工作，guolian1_cq@petrochina.com.cn。

TE928

A

1673-1409(2017)11-0088-03

[引著格式]郭亮，王歡，馬強，等.油氣物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安塞油田生產(chǎn)網(wǎng)中的應用[J].長江大學學報(自科版), 2017,14(11):88～90.