基于物聯(lián)網(wǎng)的石油鉆機(jī)安全監(jiān)控技術(shù)研究

朱小輝，郭關(guān)波，劉晶

（中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機(jī)的工作環(huán)境一般比較惡劣，且需要經(jīng)過復(fù)雜的作業(yè)流程，安全風(fēng)險(xiǎn)較高，對(duì)于施工開采人員來說危險(xiǎn)性較高，為了降低石油鉆機(jī)的安全風(fēng)險(xiǎn)，提升石油鉆機(jī)的安全性，設(shè)計(jì)安全監(jiān)控系統(tǒng)非常有必要，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井下數(shù)據(jù)信息、圖像信息的采集和處理，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，危險(xiǎn)預(yù)警等，可大幅度提升石油鉆機(jī)的安全性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)它通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將互聯(lián)網(wǎng)與傳感器等設(shè)備結(jié)合起來，構(gòu)建一個(gè)龐大的通信網(wǎng)絡(luò)，讓人、機(jī)、物隨時(shí)隨地進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息可以交換時(shí)間和地點(diǎn)。執(zhí)行智能管理和意識(shí)。物聯(lián)網(wǎng)的核心底層仍然是互聯(lián)網(wǎng)，但它在互聯(lián)網(wǎng)之上進(jìn)行了擴(kuò)展，是下一代無線通信技術(shù)的重要組成部分。常用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括GPRS。NB-IoT、ZigBee 和WiFi。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，許多國(guó)家和政府都在加大人力和財(cái)力對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和投入，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合傳感器技術(shù)正在慢慢滲透到各個(gè)行業(yè)。從日常生活到航空航天，我們都能看到物聯(lián)網(wǎng)的影子。預(yù)計(jì)未來會(huì)有更多行業(yè)轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)可以分為3個(gè)層次，每個(gè)層次都有不同的功能，從功能上來看，可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

感知層采集的信息數(shù)據(jù)為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用層提供了基礎(chǔ)條件。正如我們?nèi)祟愅ㄟ^我們的五個(gè)感覺器官，我們的感覺器官和我們的皮膚感知外部世界的一切一樣，我們將其傳遞給大腦進(jìn)行分析和處理，以確定我們的行動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的認(rèn)知層主要利用設(shè)備標(biāo)簽技術(shù)、射頻技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制等相關(guān)技術(shù)，形成物聯(lián)網(wǎng)五感官、感官、皮膚，并采集相關(guān)數(shù)據(jù)。外部物理世界的感知層。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層就像人腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)層利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完成設(shè)備接入和可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能，為信息交換和數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定可靠的連接路徑，主要解決識(shí)別層獲得的數(shù)據(jù)傳輸問題。連接屬于。這是介于應(yīng)用層和感知層之間的層。是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用層就像人的大腦，人從外部獲取相關(guān)信息，進(jìn)行思考，得出結(jié)論。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用層從識(shí)別層接收數(shù)據(jù)，然后控制數(shù)據(jù)的分析和處理，識(shí)別層主要解決信息處理和人機(jī)交互的問題來實(shí)現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)發(fā)展。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

智能安全監(jiān)控系統(tǒng)由圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、輸出報(bào)警模塊和視頻監(jiān)控模塊四個(gè)部分組成。

2.1 圖像數(shù)據(jù)采集模塊

目前市場(chǎng)上常用的一種視頻監(jiān)控模塊是由攝像頭和網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)組成，這是為了便于圖像信息的采集，在選擇攝像頭的時(shí)候，一定要根據(jù)實(shí)際情況和需求，選擇合適的攝像頭類型和模型，尤其是攝像頭要高清攝像頭，才能保證拍到的圖像信息比較真實(shí)可靠，而網(wǎng)絡(luò)硬盤攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)圖像信息的儲(chǔ)存，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)硬盤攝像機(jī)的參數(shù)設(shè)置模塊，設(shè)置一個(gè)偏向自己喜好的圖像采集方式和儲(chǔ)存方式，同樣可以實(shí)現(xiàn)有效的圖像數(shù)據(jù)信息的篩選和利用。

2.2 圖像數(shù)據(jù)處理模塊

石油鉆井設(shè)備中安全監(jiān)控系統(tǒng)組成中，最重要的一個(gè)組成部分就是圖像數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容，一個(gè)好的圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠保證操作者良好地控制石油鉆井設(shè)備，目前最常用的一種圖像數(shù)據(jù)處理模塊是基于物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的，要高于普通的視圖像數(shù)據(jù)處理器。當(dāng)攝像頭采集到圖像信息之后，該部分需要對(duì)圖像信息進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理、降噪處理、顏色處理等一系列的算法操作，在完成這些內(nèi)容之后，該模塊會(huì)將圖片信息與現(xiàn)實(shí)世界的坐標(biāo)位置進(jìn)行鏈接，從而便于操作者實(shí)時(shí)觀察現(xiàn)場(chǎng)情況，同樣的也會(huì)與報(bào)警模塊連接，當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，會(huì)傳輸?shù)綀?bào)警模塊提醒操作者積極規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊是基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的用戶與系統(tǒng)之間的交互平臺(tái)，用戶可以通過視頻監(jiān)控模塊進(jìn)行自定義的參數(shù)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到更好地操作系統(tǒng)的目的，該部分主要通過顯示部分顯示當(dāng)前平臺(tái)監(jiān)控到的圖像信息，然后有一個(gè)操控模塊，提供給操作者進(jìn)行該視頻監(jiān)控中出現(xiàn)的問題的監(jiān)控，智能化的電子設(shè)備更能滿足用戶的偏好需求，以及一些人性化的內(nèi)容設(shè)置，更能讓操作者實(shí)現(xiàn)對(duì)石油鉆井設(shè)備的操控。除此之外，還有一些更智能化的操作部門，允許用戶通過過濾、配置、跟蹤、保存、實(shí)時(shí)監(jiān)控和保存參數(shù)軟件。我們?yōu)槭占囊曨l信息運(yùn)行一個(gè)程序。用戶只需根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的時(shí)間坐標(biāo)配置現(xiàn)場(chǎng)平面圖，制定與工票信息對(duì)應(yīng)的安全作業(yè)指導(dǎo)書，并保存設(shè)置，即可達(dá)到減輕監(jiān)管人員勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

2.4 輸出報(bào)警模塊

報(bào)警系統(tǒng)是與圖像信息處理模塊相連接的，當(dāng)圖像信息處理模塊將圖像信息處理之后，如果由風(fēng)險(xiǎn)問題，就會(huì)通過報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警模塊也會(huì)進(jìn)行圖像信息傳輸?shù)膬?nèi)容的分析，當(dāng)該模塊分析圖像信息有問題或需要報(bào)警提示時(shí)，模塊的中樞系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警告，將判斷結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控室，同時(shí)也傳送到操作控制人員的視頻監(jiān)控模塊中，從而便于操作者做出正確的判斷。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 頂驅(qū)監(jiān)控設(shè)計(jì)

旋挖鉆機(jī)已經(jīng)逐漸消失在石油鉆井工作環(huán)境中，現(xiàn)在主要使用的是一種頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)，頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)能夠?yàn)槭豌@機(jī)持續(xù)提供動(dòng)力，并保證鉆井設(shè)備的使用，而且減少了司鉆與管體的連接次數(shù)，同時(shí)還可以保證鉆井液的重復(fù)使用，降低了成本，因此研究頂驅(qū)鉆機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)非常重要，進(jìn)行頂驅(qū)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)鉆井工作的順利進(jìn)行。

頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)主要由頂鉆電機(jī)總成、電機(jī)支架/導(dǎo)向塊總成、鉆桿總成上下料裝置等輔助系統(tǒng)組成。頂鉆電機(jī)組件提供鉆孔動(dòng)力，并讓電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)溫度指示電機(jī)是否正常運(yùn)行。冷卻風(fēng)扇的風(fēng)壓也會(huì)影響電機(jī)溫度，因此需要監(jiān)測(cè)。如果發(fā)生需要電機(jī)停止的事故，例如在鉆孔過程中鉆頭被夾住，則必須控制制動(dòng)缸中的壓力?？刂葡到y(tǒng)的自動(dòng)控制，以及啟動(dòng)和關(guān)閉的操作，可以通過設(shè)置制動(dòng)缸壓力的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。鉆桿總成的修理或拆卸單元提供起下鉆服務(wù)，頂驅(qū)鉆機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)省鉆井時(shí)間，減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，監(jiān)測(cè)該位置對(duì)于鉆井作業(yè)非常重要。通過控制轉(zhuǎn)塔頭電機(jī)，可以實(shí)時(shí)掌握轉(zhuǎn)塔頭的位置，通過控制傾斜結(jié)構(gòu)的氣缸壓力來確定傾斜位置結(jié)構(gòu)。更重要的是，可以監(jiān)測(cè)井內(nèi)壓力，及時(shí)觸發(fā)報(bào)警。

3.2 移動(dòng)區(qū)塊掛鉤監(jiān)控設(shè)計(jì)

在石油鉆機(jī)使用的過程中，司鉆一定要持續(xù)運(yùn)行，才能保證孔位的準(zhǔn)確，在鉆孔的過程中，多數(shù)是處于單孔狀態(tài)，因此需要連續(xù)不斷的進(jìn)行鉆孔，因此這是需要對(duì)司鉆部分添加一個(gè)特殊的掛鉤裝置，主要是為了保證在司鉆的運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)問題時(shí)，可以通過手動(dòng)來解決當(dāng)前的問題，并且保證司鉆的安全運(yùn)行。而且在井架的下方安裝的有傳感器裝置，主要時(shí)為了用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)司鉆的位置和高度，方便司鉆的工作，司鉆在鉆孔的過程中，需要面對(duì)不同的作業(yè)壓力，在不同的作業(yè)壓力下，應(yīng)該選擇不同的吊塊，也就是所謂應(yīng)急裝置，當(dāng)出緊急情況時(shí)，緊急裝置就會(huì)啟動(dòng)，從而保證石油鉆機(jī)的安全使用。光敏傳感器和應(yīng)急裝置，一個(gè)判斷司鉆是在作業(yè)中還是停止?fàn)顟B(tài)，而應(yīng)急裝置是當(dāng)司鉆出現(xiàn)緊急情況時(shí)，例如被卡住，停止了工作，兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行反饋，將控制系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)閉，從而避免事故的發(fā)生，大幅度的提升了石油鉆機(jī)的使用安全性。

3.3 井架和司鉆控制室監(jiān)控設(shè)計(jì)

司鉆的工作環(huán)境監(jiān)控非常重要，良好的工作環(huán)境才能保證鉆井設(shè)備的良好運(yùn)行，為了更好的實(shí)現(xiàn)司鉆的工作環(huán)境，需要定期對(duì)井架進(jìn)行監(jiān)控，并且保證司鉆工作的安全，而司鉆控制室是控制司鉆工作的地方，需要設(shè)計(jì)一個(gè)基于PLC 的報(bào)警系統(tǒng)編程，在系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)臨界值，當(dāng)司鉆在作業(yè)中，達(dá)到臨界值時(shí)，此時(shí)的預(yù)警系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行預(yù)警，控制室作為該部分的中樞系統(tǒng)，對(duì)于石油鉆井設(shè)備的安全運(yùn)行有重要的作用，工作環(huán)境的監(jiān)測(cè)也非常重要，對(duì)于環(huán)境的溫度和濕度的監(jiān)測(cè)，才能保證司鉆設(shè)備的使用壽命，降低腐蝕的進(jìn)程，從而減低石油開采的成本。同時(shí)也要對(duì)井架進(jìn)行定義檢查，出現(xiàn)問題時(shí)，要及時(shí)進(jìn)行停業(yè)檢查和維修，保證石油開采作業(yè)的安全。

3.4 安全監(jiān)控軟件功能的實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)收集。鉆機(jī)設(shè)備安全運(yùn)行平臺(tái)的主要數(shù)據(jù)采集庫是由King IO Server 支持的，該內(nèi)容可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動(dòng)化采集，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理。

（2）數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互安全協(xié)議主要采用Modbus/TCP 協(xié)議和WITS 協(xié)議，這2 種協(xié)議不僅能保證交互數(shù)據(jù)的安全，還能實(shí)現(xiàn)有線設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，也可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的交互，從數(shù)據(jù)交互安全協(xié)議，視頻安全監(jiān)控平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集和集成，并將視頻信息在監(jiān)控界面進(jìn)行展現(xiàn)，同時(shí)將數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存到平臺(tái)數(shù)據(jù)庫中，便于操作人員可以查看歷史數(shù)據(jù)，同時(shí)面對(duì)這些數(shù)據(jù)信息，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息的交互，可以通過ODBC 和API 2 種接口來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)的交互。

（3）人機(jī)界面開發(fā)。人機(jī)交互界面主要包含7個(gè)組成部分，每個(gè)組成部分有不同的功能，一是用戶登錄管理界面，可以進(jìn)行用戶的登錄操作；二是登錄主頁界面，主要用來展示用戶的基本信息和一些常規(guī)的操作，保證用戶的信息安全；三是工作狀態(tài)監(jiān)控界面，用來實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆井設(shè)備的工作狀態(tài)和遇到的工作情況；四是單元作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控界面，主要監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是否在穩(wěn)定運(yùn)行當(dāng)中；五是電子巡檢，主要作用是監(jiān)控整體的系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行；六是預(yù)警報(bào)警界面，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題或者鉆井設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，該功能就會(huì)自動(dòng)報(bào)警和預(yù)警，提醒操作者注意及時(shí)規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；七是報(bào)表和趨勢(shì)曲線界面，主要作用的是監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)并匯集成表格和數(shù)據(jù)信息，便于操作者查看。

（4）視頻圖像嵌入。石油鉆井平臺(tái)安全監(jiān)控中的重要組成部分為視頻監(jiān)控部分，可選擇King SCADA 作為石油鉆井平臺(tái)安全監(jiān)控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。King SCADA 表現(xiàn)良好，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，同時(shí)還能接受來自于網(wǎng)絡(luò)的視頻，并將視頻展示在人機(jī)交互的視頻監(jiān)控界面。

（5）數(shù)據(jù)庫鏈接設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫在鏈接的過程中，主要的數(shù)據(jù)庫鏈接步驟可以分為5個(gè)步驟，第一步是在安全監(jiān)控系統(tǒng)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，便于數(shù)據(jù)的查找、儲(chǔ)存和利用；第二步創(chuàng)建記錄體，主要目的是可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜索；第三步進(jìn)行數(shù)據(jù)庫鏈接，利用算法函數(shù)，編輯命令腳本，當(dāng)系統(tǒng)被啟動(dòng)時(shí)，就可以自動(dòng)鏈接到數(shù)據(jù)庫；第四步創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格，主要儲(chǔ)存位置為SQL 數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表格，可以更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)搜查查找；第五步利用SQL 語句以及King SCADA3.1 的腳本函數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫控制腳本的編寫，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定鏈接。

4 結(jié)語

綜上，在石油鉆機(jī)全監(jiān)控系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的安全監(jiān)控系統(tǒng)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行，一是設(shè)計(jì)硬件部分的安全監(jiān)控；二是實(shí)現(xiàn)軟件部分的安全監(jiān)控，從而組成完成石油鉆井安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)石油鉆機(jī)圖像數(shù)據(jù)信息的采集、圖像數(shù)據(jù)信息的處理、通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及輸出報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)石油鉆機(jī)的安全監(jiān)控。