信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)在油氣行業(yè)中的應(yīng)用研究

摘 ?要：物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)、云計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展完善，帶動(dòng)了油氣行業(yè)研究智能聯(lián)控信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)的需求。為了真正實(shí)現(xiàn)“智慧油氣田”，進(jìn)行了帶外網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)與基于數(shù)據(jù)采集器構(gòu)建的井站信息化輔助功能系統(tǒng)的研究。研究旨在探究系統(tǒng)的應(yīng)用潛能，以實(shí)現(xiàn)通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)減少現(xiàn)場(chǎng)派工，方便故障排查并實(shí)現(xiàn)無人化，利用設(shè)備完成對(duì)重要數(shù)據(jù)的直觀監(jiān)測(cè)，輔助技術(shù)人員更有效率地完成生產(chǎn)建設(shè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集器;數(shù)據(jù)透?jìng)?串行通信;帶外網(wǎng)管

中圖分類號(hào)：TE938;TP277 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）13-0100-04

Abstract：The continuous development and improvement of internet of things，big data and cloud computing technology has driven the demand of oil and gas industry to research intelligent joint control information auxiliary monitoring system. In order to realize “smart oil and gasfield”，this paper studies the outband platform and the auxiliary function system of well station information based on data collector. The purpose of the research is to explore the application potential of the system，so as to reduce the on-site dispatching through the auxiliary monitoring system，facilitate the troubleshooting and realize unmanned，use the equipment to complete the intuitive monitoring of important data，and assist the technical personnel to complete the production and construction tasks more efficiently.

Keywords：data collector;data transparent transmission;serial communication;outband

0 ?引 ?言

油氣行業(yè)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)、生產(chǎn)信息化輔助系統(tǒng)及自控系統(tǒng)的故障確認(rèn)及記錄，均采用人工確認(rèn)告警，臺(tái)賬報(bào)表記錄方式進(jìn)行管理。技術(shù)員在受理故障時(shí)，接到的往往是故障報(bào)告（如：通信中斷），要查出故障原因就必須進(jìn)行回溯摸排。由于停電及設(shè)備死機(jī)等原因都可能造成通信中斷，處理人員在排查時(shí)必須依次檢查，所以故障處理的效率很低。

一直以來，信息化生產(chǎn)維護(hù)方式是以技術(shù)小組為單位，實(shí)行技術(shù)人員對(duì)生產(chǎn)區(qū)域的承包責(zé)任制。當(dāng)技術(shù)人員數(shù)目和技術(shù)素質(zhì)足以滿足設(shè)備維護(hù)需求時(shí)，生產(chǎn)區(qū)域的正常運(yùn)作就能得到有效保障。然而，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，應(yīng)用的系統(tǒng)種類的數(shù)目和型號(hào)越來越多。

生產(chǎn)系統(tǒng)的無人值守化需要大量設(shè)備及系統(tǒng)硬件，而硬件需要合理的管理優(yōu)化才能發(fā)揮最大的效能。從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度看，由故障率計(jì)算公式分析得知，當(dāng)需要處理的故障對(duì)象N增加到一定數(shù)量之后，平均無故障時(shí)間MTBF會(huì)減小，設(shè)備發(fā)生一般性故障（如：設(shè)備宕機(jī)、線路阻斷）的次數(shù)會(huì)直線上升。忽略掉因?yàn)楦鞣N因素導(dǎo)致故障無法處理的情況，假定每個(gè)技術(shù)人員都能獨(dú)立處理完成，那么這些一般性故障的原因排查加上現(xiàn)場(chǎng)狀況恢復(fù)確認(rèn)的任務(wù)，匯總起來工作量就十分可觀。因此，傳統(tǒng)的故障處理方式始終存在人力、時(shí)間、設(shè)備工具、車輛等資源問題。

目前石油行業(yè)井站的巡檢方式為：從總部派遣人員車輛，按季度和片區(qū)到井站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡檢。人員開具作業(yè)票或操作卡，經(jīng)屬地人員辨識(shí)。運(yùn)用智能防爆終端，對(duì)已標(biāo)記的設(shè)備進(jìn)行二維碼電子巡檢及拍照、檢查設(shè)備間環(huán)境、排查線路端口、查看設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況、檢查有無告警。每年的故障排查與問題處理解決都會(huì)消耗大量的人力物力資源。

1 ?油氣井站故障狀況的現(xiàn)狀分析

1.1 ?井站的故障處置流程

（1）通過微信平臺(tái)、屬地及巡檢運(yùn)維人員電話、運(yùn)維QQ群、電話報(bào)障平臺(tái)、生產(chǎn)監(jiān)控平臺(tái)告警的檢查反饋進(jìn)行故障確認(rèn)。

（2）聯(lián)系距離現(xiàn)場(chǎng)最近的井站管理人員/巡檢人員，或是運(yùn)營(yíng)商/承包商對(duì)故障情況進(jìn)行確認(rèn)，拍照反饋。嘗試用人工重啟設(shè)備及檢查線纜端口狀況等一般方式恢復(fù)。如果設(shè)備支持帶內(nèi)網(wǎng)管功能，請(qǐng)求總站技術(shù)專家進(jìn)行遠(yuǎn)程故障排查。

（3）一般方法測(cè)試及遠(yuǎn)程故障排查處理無效后，安排外聘技術(shù)專家至現(xiàn)場(chǎng)配合井站屬地及巡檢人員排查故障。如有必要，安排聯(lián)系中心專家或故障設(shè)備生產(chǎn)廠家配合進(jìn)行故障處理。

1.2 ?故障情況分類

目前油氣行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)包括：光通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、視頻安防系統(tǒng)、大屏系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、雙向語音對(duì)講系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)、設(shè)備間動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及其他系統(tǒng)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)的故障實(shí)例如表1、圖1所示。

1.3 ?以往故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)石油行業(yè)某單位的“2019年運(yùn)維故障登記”得出了以下主要統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

2019年總計(jì)發(fā)生約425次網(wǎng)絡(luò)傳輸故障，主要故障原因包括：11次電源故障（不包括空開跳閘、停電）;36次設(shè)備死機(jī)（含RTU及路由器交換機(jī)，原因基本為死機(jī)、溫度過高、端口堵死，經(jīng)重啟后能恢復(fù)）;22次UPS/UPD及太陽能系統(tǒng)故障;48次停電、空開跳閘故障。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計(jì)約59次;重啟設(shè)備完成的故障處理及判斷約36次。

2019年年內(nèi)總計(jì)發(fā)生約324次視頻安防系統(tǒng)故障，主要故障原因包括：接頭端子或線纜故障約54次;設(shè)備死機(jī)造成的故障約21次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計(jì)約53次;重啟設(shè)備完成的故障處理及判斷約64次。

2019年年內(nèi)總計(jì)發(fā)生約107次電源系統(tǒng)故障，主要故障原因包括：UPS/UPD及故障8次;停電、空開跳閘故障26次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計(jì)約10次。

2 ?選題目的及意義

為了有效提升單井站的故障處理和運(yùn)維效率，幫助現(xiàn)場(chǎng)人員更好地完成生產(chǎn)任務(wù)，提效率、降成本、增效益，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維巡檢智能安全且高效的目的，我們計(jì)劃應(yīng)用市場(chǎng)上現(xiàn)有的成熟技術(shù)產(chǎn)品搭建硬件，在生產(chǎn)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證方案可行性。通過技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)管理人員的權(quán)限分級(jí)管控，消除單井站故障監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)故障事前預(yù)防預(yù)警、故障歷史記錄及分析。完善跨平臺(tái)業(yè)務(wù)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)帶外網(wǎng)絡(luò)管理的功能，方便管理人員通過移動(dòng)終端讀取數(shù)據(jù)。對(duì)在用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤分析，生產(chǎn)過程全監(jiān)測(cè)，設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)診斷，挖掘數(shù)據(jù)資源價(jià)值。

3 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

3.1 ?嵌入式串口處理以太網(wǎng)傳輸模塊監(jiān)控應(yīng)用

不同系統(tǒng)的設(shè)備，如交換機(jī)、UPS、路由器、RTU控制器等，由于存在專業(yè)用途的差異性，加上廠家規(guī)格的不同，很難進(jìn)行集中訪問控制。但是各個(gè)系統(tǒng)仍支持主流的串行通信接口（RS232/RS485/RS422）。如圖2所示，框內(nèi)為UPS/UPD電源背板的RS485、RS232接口。

我們計(jì)劃利舊井站現(xiàn)有設(shè)備的串口，運(yùn)用一種專門的嵌入式設(shè)備處理串口數(shù)據(jù)。在參考了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范后，考慮運(yùn)用以太網(wǎng)透?jìng)鱐CP/UDP協(xié)議，并配合Modbus協(xié)議的主從服務(wù)模式來監(jiān)控前端設(shè)備的狀態(tài)，把井站設(shè)備串口讀取到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浇y(tǒng)一的上級(jí)管理站進(jìn)行管理。計(jì)劃監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括UPS/UPD、網(wǎng)元設(shè)備（帶網(wǎng)管功能交換機(jī)及路由器等）、自動(dòng)控制等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)透?jìng)鞯臄?shù)據(jù)被接收以后，上級(jí)管理計(jì)算機(jī)可以使用不同的應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和操作，從而方便人員管理。進(jìn)而不需要再到單井站現(xiàn)場(chǎng)處理操作，以此提升效率。

系統(tǒng)最終選用了NP801三合一串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。這是一種ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，能夠通過以太網(wǎng)傳輸RS232/RS485/RS422制式的串口數(shù)據(jù)，對(duì)接現(xiàn)有的主要通信自控設(shè)備，工作原理簡(jiǎn)單有效，是一種帶外網(wǎng)管工具，無需投入大量資金更換或升級(jí)原有軟件和硬件系統(tǒng)方案，產(chǎn)品經(jīng)過市場(chǎng)檢驗(yàn)，高效、安全、穩(wěn)定、簡(jiǎn)單有效。如表2所示是總結(jié)的設(shè)備部署效益分析。

NP801部署必備條件：分配1個(gè)局域網(wǎng)IP地址;局域網(wǎng)路由可達(dá)。通過該設(shè)備對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總。

3.2 ?遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端部署

由于單井站現(xiàn)場(chǎng)仍存在I/0接口的監(jiān)控需求。為了對(duì)這部分接口進(jìn)行處理，選中了金鴿科技的幾款監(jiān)控模塊（Supervision Module），旨在配合組態(tài)軟件及內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，用多端顯示的方式讀取數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)工具統(tǒng)計(jì)分析。

這種數(shù)據(jù)采集終端類似于RTU的工作方式，主要針對(duì)一些I/0接口設(shè)備的數(shù)據(jù)接收，如傳感器、繼電器、控制器、PLC及RTU等設(shè)備，其可以進(jìn)行的狀態(tài)監(jiān)測(cè)如：機(jī)柜內(nèi)溫濕度、蓄電池內(nèi)阻狀態(tài)、UPS/UPD監(jiān)控、太陽能系統(tǒng)光照強(qiáng)度、雷擊及靜電防護(hù)、紅外線探傷、微波探傷、蓄電池氫氣濃度及可燃?xì)怏w濃度等。也可以用于自控的井安、壓力、流量監(jiān)測(cè)。

這些模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)調(diào)溫器的控制、PDU及電源設(shè)備的硬重啟，把控生產(chǎn)過程監(jiān)測(cè)與報(bào)警，以及實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備的自診斷。希望通過這套監(jiān)控模塊盡可能減少工作人員的工作量，提升效率。監(jiān)控模塊的詳細(xì)情況如表3及圖3所示。

4 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 ?搭建帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)

（1）搭建硬件測(cè)試環(huán)境：完成電源線纜及設(shè)備電源的安裝，測(cè)試使用NP801的RS232接口連接AR1200路由器的Console口，NP801的RJ45接口連接局域網(wǎng)交換機(jī)，通過局域網(wǎng)內(nèi)的測(cè)試電腦（假定為最終數(shù)據(jù)匯總管理計(jì)算機(jī)）進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)對(duì)AR1200的數(shù)據(jù)查詢及配置功能（帶外網(wǎng)絡(luò)管理）。

（2）局域網(wǎng)內(nèi)電腦使用配置軟件，搜索NP801設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)配置設(shè)置選用串口種類及通信參數(shù)。（此處測(cè)試電腦IP地址為10.90.123.181，將NP801地址配置為10.90.120. 249）完成數(shù)據(jù)配置后，用ping命令測(cè)試至NP801的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)情況，確認(rèn)無誤。

（3）在測(cè)試電腦上使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件Xshell（根據(jù)對(duì)串口數(shù)據(jù)的應(yīng)用目的，可以選擇不同的管理軟件，如組態(tài)軟件或CRT等）新建會(huì)話。建立對(duì)NP801的Telnet訪問會(huì)話，實(shí)現(xiàn)對(duì)AR1200路由器的訪問及控制。

（4）建立并保存多主機(jī)會(huì)話，統(tǒng)一管理。

4.2 ?部署遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端及應(yīng)用

（1）要使用設(shè)備，首先要安裝驅(qū)動(dòng)程序，用專用軟件完成配置。以添加設(shè)備及采集設(shè)備溫濕度為例，部署一套設(shè)備的查詢控制用例。

（2）打開瀏覽器，進(jìn)入設(shè)備管理地址（此處應(yīng)用了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁管理服務(wù)）。顯示登錄頁面，輸入賬號(hào)密碼登錄，顯示主界面。系統(tǒng)登錄界面支持二維碼掃描登錄。在首頁，會(huì)顯示設(shè)備管理的主界面，可以了解在用的用戶數(shù)量、下屬機(jī)構(gòu)、待確認(rèn)告警、已處理告警、設(shè)備總數(shù)、在線設(shè)備數(shù)量、離線設(shè)備數(shù)量及任務(wù)數(shù)（邏輯任務(wù)），方便管理人員查閱統(tǒng)籌管理。

（3）添加設(shè)備，完成設(shè)備名稱命名，檢查數(shù)據(jù)采集器收集的數(shù)據(jù)。在設(shè)備管理頁面，綁定每個(gè)設(shè)備的序列號(hào)，對(duì)設(shè)備名稱進(jìn)行命名，手動(dòng)添加設(shè)備在GIS界面的定位（一般為人為修改定位地址，部分設(shè)備支持自動(dòng)定位，如S475），可以根據(jù)需要定制VPN地圖，完成設(shè)備數(shù)據(jù)點(diǎn)的校驗(yàn)添加及參數(shù)設(shè)置。

（4）創(chuàng)建告警任務(wù)，根據(jù)需要指定觸發(fā)器邏輯命令，觸發(fā)器根據(jù)需要設(shè)置關(guān)聯(lián)點(diǎn)位、條件、名稱及轉(zhuǎn)發(fā)對(duì)象（觸發(fā)器可進(jìn)行克隆以批量復(fù)制）。在左側(cè)的任務(wù)欄，選擇任務(wù)管理-觸發(fā)器管理，點(diǎn)擊創(chuàng)建觸發(fā)器。在創(chuàng)建觸發(fā)器管理頁面，選擇設(shè)備及數(shù)據(jù)點(diǎn)，設(shè)置觸發(fā)條件。關(guān)聯(lián)推送信息方式，完成對(duì)溫濕度條件告警的設(shè)置。

（5）完成設(shè)備創(chuàng)建后，在設(shè)備管理主界面顯示出新建設(shè)備信息以及觸發(fā)器信息。主界面顯示出設(shè)備告警及設(shè)備數(shù)量，告警信息顯示出設(shè)備名稱、序列號(hào)、數(shù)據(jù)點(diǎn)名稱、觸發(fā)時(shí)間、告警條件、觸發(fā)值及推送數(shù)量。告警頁面可以設(shè)置告警信息確認(rèn)。

至此，設(shè)備管理界面設(shè)置完成，告警信息可成功通過觸發(fā)器顯示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)接收。

5 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)效果檢測(cè)

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)界面圖如圖4所示。

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)部署后，系統(tǒng)可以完成對(duì)AR1200設(shè)備的查詢控制。后續(xù)在一部分無人單井站及部分設(shè)備間嘗試了使用NP801串口轉(zhuǎn)換器建立管理平臺(tái)。通過NP801能夠成功讀取到RS232/RS485/RS422等串口的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以應(yīng)用特定的管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。如OpenView、CiscoWorks、Tivoli這類的網(wǎng)管軟件系統(tǒng)都是帶內(nèi)網(wǎng)管。網(wǎng)管系統(tǒng)必須通過網(wǎng)絡(luò)來管理設(shè)備，如果無法通過網(wǎng)絡(luò)訪問被管理對(duì)象，帶內(nèi)網(wǎng)管系統(tǒng)就失效了，接下來就要使用帶外網(wǎng)管系統(tǒng)。

帶外網(wǎng)管是網(wǎng)管系統(tǒng)中的緊急通道。方便了巡檢運(yùn)維工作，避免了系統(tǒng)安全依賴于局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)條件所受的限制，減少了故障排查時(shí)間，提升了效益。井站的設(shè)備串口得到了充分利用，幫助總站運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)了技術(shù)管理的方法提升。

部署的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端及應(yīng)用，很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器I/O數(shù)據(jù)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集及集中顯示。系統(tǒng)可以方便地搜尋需要的設(shè)備、點(diǎn)位、人員等歷史信息，即具有可追溯性，并可以根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建管理機(jī)構(gòu)組織及管理人員角色，對(duì)管理員權(quán)限進(jìn)行有效把握。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)告警信息、設(shè)備上下線、設(shè)備控制信息的查詢。另外，系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)的表格及圖像分析，支持表格數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，方便人員對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，按需求可增加數(shù)學(xué)處理模塊，建立數(shù)學(xué)模型。數(shù)據(jù)信息可以選擇推送服務(wù)，如可以設(shè)置提供中間推送服務(wù)商。指定accessKeyID、accessSecret及AppID，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

6 ?結(jié) ?論

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)為油氣巡檢運(yùn)維質(zhì)量提升探尋出了新的解決途徑，減少了運(yùn)維消耗理論時(shí)間，減小了路途上的風(fēng)險(xiǎn)，巡檢運(yùn)維管理效率能夠獲得有效提升。部署的系統(tǒng)非常實(shí)用，能夠有效解決我們現(xiàn)實(shí)工作中的絕大部分問題。降低人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，簡(jiǎn)化工作流程，實(shí)現(xiàn)降本增效。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持接入多種通信協(xié)議，提供多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息交互，并且可通過接入不同的硬件模塊，實(shí)現(xiàn)多種功能的擴(kuò)展，應(yīng)用前景十分廣闊。在中國，隨著兩化融合的大力實(shí)施，以及物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)的完善，相信信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)順應(yīng)發(fā)展潮流，不斷地進(jìn)行更新變革。

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作者簡(jiǎn)介：廖恒（1994—），男，漢族，四川自貢人，助理工程師，畢業(yè)于四川大學(xué)錦城學(xué)院，本科，研究方向：機(jī)械電子工程。