準東油田監(jiān)控系統(tǒng)升級探索

司長征 敖開栓 陳云飛 周繼偉

摘要：準東采油廠2020年啟動生產(chǎn)監(jiān)控平臺建設(shè)項目，對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進行更新和升級，實現(xiàn)對全廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和監(jiān)控。升級過程中，引入最新的云計算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立云平臺架構(gòu)體系，實現(xiàn)由C/S監(jiān)控模式往B/S監(jiān)控模式的轉(zhuǎn)變。通過總結(jié)新系統(tǒng)在準東油田的應(yīng)用情況，分析其與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)之間的區(qū)別，為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供經(jīng)驗和思路。

關(guān)鍵詞：準東油田；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)監(jiān)控；云計算

一、前言

準東采油廠所轄油區(qū)位于準噶爾盆地古爾班通古特沙漠以東，總面積2.5萬km2，包括火燒山、彩南、沙南、探井四個作業(yè)區(qū)，各作業(yè)區(qū)相對分散，間隔距離遠。所轄油區(qū)地貌復(fù)雜，條件艱苦。部分位于戈壁和沙漠，部分毗鄰農(nóng)田和城市，后勤保障難度大，統(tǒng)一管理面臨挑戰(zhàn)。各區(qū)塊油田自動化水平差異大，有些區(qū)塊在二十世紀九十年代完成整裝油田建設(shè)，自動化程度較高，有的區(qū)塊基本沒有進行自動化建設(shè)，整體物聯(lián)網(wǎng)覆蓋率較低，單井物聯(lián)網(wǎng)覆蓋率不到30%。現(xiàn)場生產(chǎn)管理、操作主要以人工為主。數(shù)字化油氣水井站主要集中在彩南油田、北三臺。準東采油廠基地未建設(shè)廠級監(jiān)控中心，無法實現(xiàn)油田集中監(jiān)控管理。2020年準東采油廠啟動生產(chǎn)監(jiān)控平臺建設(shè)項目，在準東采油廠新建廠級生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)1套，接入4個作業(yè)區(qū)油氣水井和站庫以及水務(wù)公司的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)控。

二、油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

以PLC、RTU、DCS、SCADA為代表的油田生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程自動化監(jiān)控與管理，為新疆油田安全生產(chǎn)和高效開發(fā)提供了強有力的保障[1]。前期油田信息化建設(shè)過程中由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃、經(jīng)驗不足等原因，導(dǎo)致我國數(shù)字油田發(fā)展水平相對較低，主要存在以下問題：

（一）繁雜分散的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)。隨著油田企業(yè)的發(fā)展，總體上呈現(xiàn)出“重復(fù)建庫，無序開發(fā)”的局面，各部門間業(yè)務(wù)和生產(chǎn)需求不一致，缺乏統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理，造成重復(fù)采集、重復(fù)建庫、標準不一、重復(fù)開發(fā)等問題，常常同時部署運行多個版本的數(shù)據(jù)庫，“信息孤島”突顯[2]。

（二）系統(tǒng)建設(shè)相對封閉。我國數(shù)字油田建設(shè)處于初級階段，各企業(yè)、區(qū)域、部門等開展了基于自身發(fā)展情況的大量研究，隨之建設(shè)部署了大量不同公司、不同功能的系統(tǒng)。業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)需求的不確定性和頻繁變動，催生更多冗余項目。緊耦合的開發(fā)架構(gòu)和建設(shè)公司的商業(yè)考慮，導(dǎo)致各系統(tǒng)間相對封閉，升級成本高昂，并與繁雜分散的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)形成惡性循環(huán)。

（三）數(shù)據(jù)應(yīng)用處于初級階段。當前數(shù)據(jù)應(yīng)用主要用于監(jiān)控展示和報警，應(yīng)用效率較低，遠遠沒有達到智能化水平。

（四）建設(shè)質(zhì)量問題突出。隨著油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的不斷推進，數(shù)據(jù)量不斷增加，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量問題日益明顯。一是數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，包括其本身的采集、存儲質(zhì)量和異構(gòu)數(shù)據(jù)整合、共享的質(zhì)量問題；另一方面是系統(tǒng)性能問題，無法滿足后續(xù)建設(shè)需求，運行穩(wěn)定性較差。

隨著物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進，數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴大，生產(chǎn)管理更加精細化、安全化、智能化，對監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)提出了更高要求。一是融合現(xiàn)有數(shù)據(jù)、平臺，實現(xiàn)標準化建設(shè)，形成集中監(jiān)控、分散控制模式；二是開發(fā)功能模塊化、能夠靈活部署、快速升級的高性能監(jiān)控系統(tǒng)，提供更簡潔的交互界面和更方便的后期維護；三是深挖數(shù)據(jù)潛力，提供更強性能和更貼合實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)應(yīng)用[3]。

三、準東油田現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)弊端和生產(chǎn)需求

（一）傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用中的弊端

準東油田普遍使用GE公司提供的IFIX和三維力控公司提供的Force Control（力控）組態(tài)軟件，且版本較老，該類軟件實際使用中主要存在以下問題：

1.傳統(tǒng)監(jiān)控軟件數(shù)據(jù)點容量有限，需要多套才能滿足一個廠級規(guī)模需要，給監(jiān)控管理增加了難度。

2.傳統(tǒng)監(jiān)控軟件相對封閉，接口的吞吐性能不能滿足大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用需要。

3.監(jiān)控軟件是單機版本，無法滿足全廠規(guī)模化應(yīng)用與共享。

4.監(jiān)控系統(tǒng)部署的計算機配置較低，短期內(nèi)無法實現(xiàn)規(guī)模化升級。

5.現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)化強，單獨部署在每臺計算機上，系統(tǒng)用戶信息化水平不足以解決使用中出現(xiàn)的所有問題，系統(tǒng)維護依賴于專業(yè)工程師，導(dǎo)致維護部門工作繁重。

（二）準東采油廠生產(chǎn)需求

此次系統(tǒng)升級重點解決如下生產(chǎn)需求：

1.海量數(shù)據(jù)的采集與集中存儲。通過分布式技術(shù)，可以集合多個節(jié)點的計算資源，滿足全廠數(shù)據(jù)采集、存儲的需要。

2.消除數(shù)據(jù)調(diào)用瓶頸，提供高速的數(shù)據(jù)調(diào)用接口，支持大數(shù)據(jù)應(yīng)用，支持向A11、A2等數(shù)據(jù)推送[4]。

3.支持云組態(tài)，支持生產(chǎn)網(wǎng)內(nèi)各崗位協(xié)同辦公。

4.預(yù)留實時計算、先進報警管理（AAS）等前沿技術(shù)擴展接口，為后續(xù)利用油田大數(shù)據(jù)進行趨勢預(yù)測和輔助決策留有余地。

四、平臺架構(gòu)升級

云計算被視為計算機網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的一次革命，因為它的出現(xiàn)，社會的工作方式和商業(yè)模式也在發(fā)生巨大的改變。準東采油廠基于石油生產(chǎn)業(yè)務(wù)場景，結(jié)合“私有云”技術(shù)，將傳統(tǒng)C/S架構(gòu)的單機版監(jiān)控系統(tǒng)，升級為B/S架構(gòu)的云平臺。新系統(tǒng)架構(gòu)上的升級帶來以下優(yōu)勢：

（一）選用微服務(wù)架構(gòu)，由一個或者多個微服務(wù)組成，系統(tǒng)中的各個微服務(wù)可以被獨立部署，各個微服務(wù)之間是松耦合的，每個微服務(wù)僅僅關(guān)注于完成一件任務(wù)并很好地完成該任務(wù)。同時能更好地重用，后期升級、更新成本更低。

（二）用戶可以通過瀏覽器訪問新系統(tǒng)，不同于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)只能在固定計算機上使用，云平臺授權(quán)用戶可以在準東采油廠內(nèi)任何地點瞬時訪問此環(huán)境下的所有軟件及數(shù)據(jù)，有效實現(xiàn)協(xié)同辦公。

（三）傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)安裝在終端機器，對系統(tǒng)配置要求高，系統(tǒng)升級同時需要同步升級相應(yīng)計算機。云平臺對終端機器要求很低，系統(tǒng)升級也不會影響終端機器。該系統(tǒng)的部署，極大節(jié)省了準東采油廠硬件升級相關(guān)方面的支出。

（四）云平臺系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲于后臺服務(wù)器，極大減少了對前端監(jiān)控計算機的資源占用，同時避免了被破壞的風(fēng)險。

（五）監(jiān)控系統(tǒng)部署于后臺服務(wù)器上，僅需對此進行維護即可，極大減輕了相關(guān)人員的軟件維護工作量。

五、平臺性能升級

（一）傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)單節(jié)點采集點數(shù)10萬點以下，而云平臺單節(jié)點采集點數(shù)支持10萬點以上，最高能支持50萬點同時采集，數(shù)據(jù)點秒級采集。

（二）對于連續(xù)地址的采集，傳統(tǒng)監(jiān)控軟件需要建立多個采集點，云平臺支持List集合，數(shù)據(jù)采集更加高效。

（三）云平臺系統(tǒng)可保證所有用戶全天24小時隨時操作應(yīng)用軟件，調(diào)取數(shù)據(jù)；另外，系統(tǒng)的雙冗余設(shè)計，能夠使維護人員在不停止系統(tǒng)運行的情況下，快速有效地診斷、解決所遇到的問題，系統(tǒng)故障修復(fù)時間不超過2小時。

（四）系統(tǒng)運行可靠度R（t）（系統(tǒng)在規(guī)定工作時間內(nèi)無故障的概率）不低于0.99。

六、平臺功能升級

（一）兩級監(jiān)控模式

準東采油廠由于分布區(qū)域較廣，主干線網(wǎng)絡(luò)存在挖斷的風(fēng)險，故有兩級監(jiān)控需求，保證在主干網(wǎng)中斷情況下仍然能繼續(xù)監(jiān)控。兩級網(wǎng)絡(luò)的定位為：廠級監(jiān)控平臺實現(xiàn)監(jiān)控中心所有數(shù)據(jù)采集、控制、流程圖展示、報表生成打印、與DMS服務(wù)器通信等。作業(yè)區(qū)級監(jiān)控平臺管理各作業(yè)區(qū)數(shù)據(jù)，在主干網(wǎng)中斷情況下能繼續(xù)監(jiān)控。

（二）系統(tǒng)功能升級

通過研究準東采油廠當前系統(tǒng)弊端和生產(chǎn)需求，本次升級主要部署實時數(shù)據(jù)云平臺、監(jiān)控云平臺、自動化數(shù)據(jù)管理平臺三個模塊，19個功能點。

1.實時數(shù)據(jù)云平臺

實現(xiàn)全廠實時采集數(shù)據(jù)在同一平臺的統(tǒng)一管理，解決傳統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集時效性與穩(wěn)定性差、多級數(shù)據(jù)庫間數(shù)據(jù)同步性能弱、數(shù)據(jù)共享能力不足等應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題，利用實時數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘分析成為可能，能夠更加全面地發(fā)揮數(shù)據(jù)價值。主要功能包括實時數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)存儲、實時數(shù)據(jù)管理和實時數(shù)據(jù)共享。

（1）數(shù)據(jù)采集：采用分布式采集機制，為每個設(shè)備創(chuàng)建獨立并發(fā)體，突破傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)并發(fā)能力限制，實現(xiàn)高效采集。本身集成了主流的采集協(xié)議，并支持特定驅(qū)動協(xié)議的定制化開發(fā)，而傳統(tǒng)監(jiān)控軟件依賴于第三方控件。滿足在最大數(shù)據(jù)量的情況下，系統(tǒng)掃描周期不大于15s。

（2）數(shù)據(jù)存儲：支持分布式多節(jié)點數(shù)據(jù)存儲機制，無限擴展數(shù)據(jù)容量。同時遵循以下原則：快速實時的鍵（key）/值（value）查找；支持用于運營和維護的非實時復(fù)雜查詢；用于分布式應(yīng)用的分布式數(shù)據(jù)存儲；高容錯；動態(tài)創(chuàng)建庫表；主動互為備份數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)存儲采用寬表設(shè)計。

（3）數(shù)據(jù)管理：點表配置管理、接入數(shù)據(jù)查詢、實時指標計算。

（4）數(shù)據(jù)共享：實現(xiàn)與油田公司PHD數(shù)據(jù)的同步，并提供API、OPC數(shù)據(jù)訪問方式。

2.監(jiān)控云平臺

面向準東采油廠各級生產(chǎn)監(jiān)控相關(guān)崗位，搭建適應(yīng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢的監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)一套監(jiān)控系統(tǒng)在不同管理層級的分級應(yīng)用模式，實現(xiàn)功能包括首頁、油氣生產(chǎn)流程監(jiān)控、油氣處理監(jiān)控、參數(shù)表、曲線分析、通信監(jiān)控、報警管理、報警設(shè)置、間抽井管理、儀表異常統(tǒng)計分析功能，相較傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)主要優(yōu)化和增加以下功能：

（1）遠程控制功能自主配置，無須編寫腳本，可通過頁面或數(shù)據(jù)庫配置實現(xiàn)遠程控制，如啟停井、設(shè)置注水量等，并支持二次權(quán)限驗證，保證操作安全性。

（2）功能模塊自定義展示，系統(tǒng)提供可視化配置界面，用戶能供自主選擇想要展示的功能頁面。如監(jiān)控頁面可隨時設(shè)置顯示/隱藏油井監(jiān)控、水井監(jiān)控等內(nèi)容。

（3）自定義生產(chǎn)參數(shù)展示，用戶可以根據(jù)生產(chǎn)需要，靈活配置需要展示的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（4）開發(fā)首頁功能，集中展示全廠關(guān)鍵信息，為宏觀監(jiān)控與管理者提供輔助決策支持。

（5）支持嵌入視頻、云臺系統(tǒng)等內(nèi)容，支持井場拓撲展示。

（6）引入先進報警管理理念（AAS），分級、分類功能使監(jiān)控崗聚焦事件本身，排除無效報警干擾。利用大數(shù)據(jù)計算推薦閾值，實現(xiàn)閉環(huán)管理。

（7）使用SVG矢量圖進行組態(tài)繪制，監(jiān)控畫面自適應(yīng)屏幕分辨率，具備更好的適應(yīng)性。組件庫批量設(shè)置和組態(tài)批量綁定功能，極大減少后期維護工作量。

3.自動化數(shù)據(jù)管理平臺

該模塊為新開發(fā)功能，能夠通過可視化配置方式實現(xiàn)準東采油廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動整合、報表樣式自定義，快速搭建報表平臺，實現(xiàn)報表全程無紙化辦公，完成從實時數(shù)據(jù)到生產(chǎn)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)的自動整合，提升數(shù)據(jù)整合效率，并建立標準規(guī)范的生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)庫，為生產(chǎn)分析、優(yōu)化等業(yè)務(wù)管理決策提供唯一可靠的數(shù)據(jù)源。主要特點包括：

（1）拖拽式報表定制模式，常規(guī)報表自主定制即可，極復(fù)雜報表支持定制開發(fā)。

（2）支持復(fù)雜計算模型的定時計算，自動生成計算指標。

（3）數(shù)據(jù)安全不丟失，數(shù)據(jù)吞吐性能可靠。

七、用戶體驗升級

（一）便捷的訪問性：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，每個計算機需要部署一臺軟件客戶端，且需要配置“加密狗”，登錄速度慢。而云平臺只需一個瀏覽器，在網(wǎng)絡(luò)具備條件的情況下即可訪問。

（二）更自由的交互性：利用瀏覽器自身的特性輕松實現(xiàn)多屏展示，方便同時監(jiān)控不同頁面。

（三）更好的兼容性：使用瀏覽器進行系統(tǒng)訪問，具備更好的兼容性，可與其他程序同時運行，開展組合任務(wù)。

（四）風(fēng)格的多樣性：傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)實施結(jié)束，風(fēng)格即固定下來，云平臺可以任意切換，諸如白天、黑夜模式；字體頁面等可以任意放大縮小，滿足監(jiān)控需求。

八、結(jié)語

通過生產(chǎn)監(jiān)控平臺建設(shè)項目的實施，建立起一套覆蓋準東采油廠井—間—站各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，促進了生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了油氣生產(chǎn)管理水平和綜合效益的提升。相較于傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)，新部署“云平臺”具備更高效穩(wěn)定的性能、更豐富的功能、更強的適應(yīng)性和更友好的用戶體驗。同時其架構(gòu)上的優(yōu)勢，極大減少了采油廠在硬件方面的投資，后續(xù)系統(tǒng)維護、更新、升級也更加靈活，更具經(jīng)濟效益。本次系統(tǒng)升級既滿足了生產(chǎn)需求，又對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了豐富的經(jīng)驗和更清晰開闊的思路。

參考文獻

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作者單位：中國石油新疆油田分公司數(shù)據(jù)公司