基于物聯網的石油鉆機安全監控技術研究

朱小輝，郭關波，劉晶

（中國石油集團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）

石油鉆機的工作環境一般比較惡劣，且需要經過復雜的作業流程，安全風險較高，對于施工開采人員來說危險性較高，為了降低石油鉆機的安全風險，提升石油鉆機的安全性，設計安全監控系統非常有必要，利用物聯網技術，實現井下數據信息、圖像信息的采集和處理，實時視頻監控，危險預警等，可大幅度提升石油鉆機的安全性。

1 物聯網技術概述

物聯網它通過物聯網技術將互聯網與傳感器等設備結合起來，構建一個龐大的通信網絡，讓人、機、物隨時隨地進行通信，實現信息可以交換時間和地點。執行智能管理和意識。物聯網的核心底層仍然是互聯網，但它在互聯網之上進行了擴展，是下一代無線通信技術的重要組成部分。常用的物聯網技術包括GPRS。NB-IoT、ZigBee 和WiFi。隨著物聯網技術的飛速發展，許多國家和政府都在加大人力和財力對物聯網技術的研究和投入，推動了物聯網產業的快速發展。物聯網技術結合傳感器技術正在慢慢滲透到各個行業。從日常生活到航空航天，我們都能看到物聯網的影子。預計未來會有更多行業轉向物聯網。

物聯網可以分為3個層次，每個層次都有不同的功能，從功能上來看，可以分為感知層、網絡層和應用層。

感知層采集的信息數據為物聯網技術的應用層提供了基礎條件。正如我們人類通過我們的五個感覺器官，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行分析和處理，以確定我們的行動。物聯網技術的認知層主要利用設備標簽技術、射頻技術、傳感器網絡技術、遠程控制等相關技術，形成物聯網五感官、感官、皮膚，并采集相關數據。外部物理世界的感知層。

物聯網技術的網絡層就像人腦的中樞神經系統，基于無線網絡通信。網絡層利用無線網絡技術完成設備接入和可靠的數據傳輸功能，為信息交換和數據傳輸提供穩定可靠的連接路徑，主要解決識別層獲得的數據傳輸問題。連接屬于。這是介于應用層和感知層之間的層。是物聯網技術的重要組成部分。

物聯網技術的應用層就像人的大腦，人從外部獲取相關信息，進行思考，得出結論。物聯網技術的應用層從識別層接收數據，然后控制數據的分析和處理，識別層主要解決信息處理和人機交互的問題來實現和實現發展。

2 安全監控系統構成

智能安全監控系統由圖像數據采集模塊、圖像數據處理模塊、輸出報警模塊和視頻監控模塊四個部分組成。

2.1 圖像數據采集模塊

目前市場上常用的一種視頻監控模塊是由攝像頭和網絡硬盤錄像機組成，這是為了便于圖像信息的采集，在選擇攝像頭的時候，一定要根據實際情況和需求，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可靠，而網絡硬盤攝像機可以實現圖像信息的儲存，用戶可以通過網絡硬盤攝像機的參數設置模塊，設置一個偏向自己喜好的圖像采集方式和儲存方式，同樣可以實現有效的圖像數據信息的篩選和利用。

2.2 圖像數據處理模塊

石油鉆井設備中安全監控系統組成中，最重要的一個組成部分就是圖像數據的處理內容，一個好的圖像數據處理系統能夠保證操作者良好地控制石油鉆井設備，目前最常用的一種圖像數據處理模塊是基于物聯網實現的，要高于普通的視圖像數據處理器。當攝像頭采集到圖像信息之后，該部分需要對圖像信息進行預處理，對圖像進行灰度處理、降噪處理、顏色處理等一系列的算法操作，在完成這些內容之后，該模塊會將圖片信息與現實世界的坐標位置進行鏈接，從而便于操作者實時觀察現場情況，同樣的也會與報警模塊連接，當出現風險時，會傳輸到報警模塊提醒操作者積極規避風險。

2.3 視頻監控模塊

視頻監控模塊是基于物聯網設計的用戶與系統之間的交互平臺，用戶可以通過視頻監控模塊進行自定義的參數設計，從而達到更好地操作系統的目的，該部分主要通過顯示部分顯示當前平臺監控到的圖像信息，然后有一個操控模塊，提供給操作者進行該視頻監控中出現的問題的監控，智能化的電子設備更能滿足用戶的偏好需求，以及一些人性化的內容設置，更能讓操作者實現對石油鉆井設備的操控。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、實時監控和保存參數軟件。我們為收集的視頻信息運行一個程序。用戶只需根據監控區域的時間坐標配置現場平面圖，制定與工票信息對應的安全作業指導書，并保存設置，即可達到減輕監管人員勞動強度的目的。

2.4 輸出報警模塊

報警系統是與圖像信息處理模塊相連接的，當圖像信息處理模塊將圖像信息處理之后，如果由風險問題，就會通過報警模塊進行報警，報警模塊也會進行圖像信息傳輸的內容的分析，當該模塊分析圖像信息有問題或需要報警提示時，模塊的中樞系統就會發出警告，將判斷結果傳輸到監控室，同時也傳送到操作控制人員的視頻監控模塊中，從而便于操作者做出正確的判斷。

3 安全監控系統設計

3.1 頂驅監控設計

旋挖鉆機已經逐漸消失在石油鉆井工作環境中，現在主要使用的是一種頂驅鉆井系統，頂驅鉆井系統能夠為石油鉆機持續提供動力，并保證鉆井設備的使用，而且減少了司鉆與管體的連接次數，同時還可以保證鉆井液的重復使用，降低了成本，因此研究頂驅鉆機的運行狀態非常重要，進行頂驅系統的實時監控，可實現鉆井工作的順利進行。

頂驅鉆井系統主要由頂鉆電機總成、電機支架/導向塊總成、鉆桿總成上下料裝置等輔助系統組成。頂鉆電機組件提供鉆孔動力，并讓電機轉速和電機溫度指示電機是否正常運行。冷卻風扇的風壓也會影響電機溫度，因此需要監測。如果發生需要電機停止的事故，例如在鉆孔過程中鉆頭被夾住，則必須控制制動缸中的壓力。控制系統的自動控制，以及啟動和關閉的操作，可以通過設置制動缸壓力的參數來實現。鉆桿總成的修理或拆卸單元提供起下鉆服務，頂驅鉆機的最大優點是可以節省鉆井時間，減輕操作人員的勞動強度。因此，監測該位置對于鉆井作業非常重要。通過控制轉塔頭電機，可以實時掌握轉塔頭的位置，通過控制傾斜結構的氣缸壓力來確定傾斜位置結構。更重要的是，可以監測井內壓力，及時觸發報警。

3.2 移動區塊掛鉤監控設計

在石油鉆機使用的過程中，司鉆一定要持續運行，才能保證孔位的準確，在鉆孔的過程中，多數是處于單孔狀態，因此需要連續不斷的進行鉆孔，因此這是需要對司鉆部分添加一個特殊的掛鉤裝置，主要是為了保證在司鉆的運行過程中，如果出現問題時，可以通過手動來解決當前的問題，并且保證司鉆的安全運行。而且在井架的下方安裝的有傳感器裝置，主要時為了用來實時監測司鉆的位置和高度，方便司鉆的工作，司鉆在鉆孔的過程中，需要面對不同的作業壓力，在不同的作業壓力下，應該選擇不同的吊塊，也就是所謂應急裝置，當出緊急情況時，緊急裝置就會啟動，從而保證石油鉆機的安全使用。光敏傳感器和應急裝置，一個判斷司鉆是在作業中還是停止狀態，而應急裝置是當司鉆出現緊急情況時，例如被卡住，停止了工作，兩個同時進行反饋，將控制系統進行關閉，從而避免事故的發生，大幅度的提升了石油鉆機的使用安全性。

3.3 井架和司鉆控制室監控設計

司鉆的工作環境監控非常重要，良好的工作環境才能保證鉆井設備的良好運行，為了更好的實現司鉆的工作環境，需要定期對井架進行監控，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，需要設計一個基于PLC 的報警系統編程，在系統中設置一個臨界值，當司鉆在作業中，達到臨界值時，此時的預警系統就會進行預警，控制室作為該部分的中樞系統，對于石油鉆井設備的安全運行有重要的作用，工作環境的監測也非常重要，對于環境的溫度和濕度的監測，才能保證司鉆設備的使用壽命，降低腐蝕的進程，從而減低石油開采的成本。同時也要對井架進行定義檢查，出現問題時，要及時進行停業檢查和維修，保證石油開采作業的安全。

3.4 安全監控軟件功能的實現

（1）數據收集。鉆機設備安全運行平臺的主要數據采集庫是由King IO Server 支持的，該內容可以實現數據信息的自動化采集，從而進行數據分析和整理。

（2）數據交互。數據交互安全協議主要采用Modbus/TCP 協議和WITS 協議，這2 種協議不僅能保證交互數據的安全，還能實現有線設備的數據交互，也可以實現無線數據的交互，從數據交互安全協議，視頻安全監控平臺可以實現數據信息的收集和集成，并將視頻信息在監控界面進行展現，同時將數據信息儲存到平臺數據庫中，便于操作人員可以查看歷史數據，同時面對這些數據信息，動態數據信息的交互，可以通過ODBC 和API 2 種接口來實現動態信息數據的交互。

（3）人機界面開發。人機交互界面主要包含7個組成部分，每個組成部分有不同的功能，一是用戶登錄管理界面，可以進行用戶的登錄操作；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的操作，保證用戶的信息安全；三是工作狀態監控界面，用來實時監控鉆井設備的工作狀態和遇到的工作情況；四是單元作業狀態監控界面，主要監控系統的工作狀態，監測系統是否在穩定運行當中；五是電子巡檢，主要作用是監控整體的系統，保證系統的安全運行；六是預警報警界面，當系統運行出現問題或者鉆井設備出現故障時，該功能就會自動報警和預警，提醒操作者注意及時規避風險；七是報表和趨勢曲線界面，主要作用的是監控系統的工作狀態并匯集成表格和數據信息，便于操作者查看。

（4）視頻圖像嵌入。石油鉆井平臺安全監控中的重要組成部分為視頻監控部分，可選擇King SCADA 作為石油鉆井平臺安全監控的視頻監控系統。King SCADA 表現良好，具有較強的可擴展性，同時還能接受來自于網絡的視頻，并將視頻展示在人機交互的視頻監控界面。

（5）數據庫鏈接設計。數據庫在鏈接的過程中，主要的數據庫鏈接步驟可以分為5個步驟，第一步是在安全監控系統中創建數據源，便于數據的查找、儲存和利用；第二步創建記錄體，主要目的是可以實現數據的搜索；第三步進行數據庫鏈接，利用算法函數，編輯命令腳本，當系統被啟動時，就可以自動鏈接到數據庫；第四步創建數據表格，主要儲存位置為SQL 數據庫，創建格式統一的數據表格，可以更好的實現數據實時搜查查找；第五步利用SQL 語句以及King SCADA3.1 的腳本函數，進行數據庫控制腳本的編寫，實現數據庫的穩定鏈接。

4 結語

綜上，在石油鉆機全監控系統中，基于物聯網技術的安全監控系統可以從兩個方面進行，一是設計硬件部分的安全監控；二是實現軟件部分的安全監控，從而組成完成石油鉆井安全監控系統，實現石油鉆機圖像數據信息的采集、圖像數據信息的處理、通過視頻監控系統以及輸出報警系統，實現石油鉆機的安全監控。