邊緣計算技術在“源、供、注、配”一體化智能注水監控系統建設中的研究與應用

劉宇閑 彭章保 彭玉芬 何海成

“源、供、注、配”一體化智能注水系統建設是智能注水系統建設的重要組成部分，是通過油田物聯網配套建設，強化注水系統設備與設備、設備與流程之間的關聯程度，提升注水運行管控水平的建設項目。較傳統的SCADA系統集中運算監控系統，長慶油田第六采油廠強調本質安全、突出細節設計，圍繞邊緣計算技術在不同場景的落地應用開展了相關研究并成功融入了建設工作中，積累了寶貴經驗，取得了一定成效，在支撐監控系統安全高效運行基礎上為同類項目建設提供了借鑒和參考。

第六采油廠生產區域集中在陜西省定邊縣境內，覆蓋15個鄉（鎮），礦權總面積3080平方公里，管理胡尖山、姬塬、新安邊3個油田56個油藏，由于水源井、供水站、注水站、穩流閥組位置廣泛分布于油區井站，呈點多面廣的特點，注水系統運行管控難度較大。2010年起，第六采油廠遵循長慶油田數字化轉型升級工作部署，相繼完成了77口水源井，2座供水站、43座注水站數字化配套建設，基于SCADA系統實現了注水系統的遠程監控。

2021年，長慶油田公司在智能油田建設中，提出了圍繞“源、供、注、配”流程，開展一體化智能注水監控系統示范區建設工作部署，以解決設備與流程、設備與設備之間的控制關聯度低，設備操控步驟多，智能化程度低的問題。

為此，第六采油廠圍繞邊緣計算技術在項目中的應用展開了相關研究。

一、邊緣計算技術介紹

（一）基本原理

邊緣計算，是指在靠近物體或數據源頭的一側，采用網絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，就近提供最近端運算和控制服務。其應用程序在邊緣側發起，產生更快的網絡服務響應，滿足行業在實時業務、應用智能等方面的基本需求。邊緣計算涉足通信技術、運營技術、信息技術多個領域，與通信、數據聚合、芯片、傳感、自控行業應用等多個產業鏈有著交叉和融合。

（二）功能設計

近年來，隨著相關產業鏈技術的發展和提升，油田數字化設備性能得到了顯著提升。RTU（遠程終端設備）除基本的數據采集和控制功能以外，具備了數據計算和判斷診斷的功能，PLC（可編程邏輯控制器）除儀表數據采集、機泵設備遠程控制功能外，還支持SCL、ST等高級編程語言，能夠為復雜條件判斷和復雜程序的執行搭建平臺。

（三）技術優勢

通過對比，較傳統設備組成控制系統，使用具有邊緣計算技術的設備具有以下優勢：

1. 實時感知采集，減少傳輸帶來的反應延遲。

2. 計算（控制）下沉至邊緣側，可脫網離線正常運行。

3. 故障智能診斷、時鐘同步服務，助于自動控制系統的安全穩定運行。

4. 提供的相關服務能實現計算卸載，規模化應用后可降低SCADA系統的數據采集、運行負荷，實現瘦身減負、簡化功能開發難度，提高日常運維難度。

5. 云邊組成的物聯網系統可降低監控系統停機更新、故障檢修時對生產造成的沖擊和影響。

二、邊緣計算技術在源供注配項目建設中的應用

（一）水源井單井監控

根據近年來的使用經驗，傳統設備水源井RTU僅能夠實現簡單潛水泵電機遠程啟停、狀態監測、電參采集、井口壓力和流程采集的基礎功能。在源、供、注、配項目建設中，選用了可編程嵌入式架構的水源井智能保護儀。較傳統水源井數字化設備，水源井智能保護儀有以下優勢：

1. 運行Linux操作系統，可面向需求新增訂制開發功能，靈活性強。

2. 新增單井運行模式遠程控制，能夠在本地運行不同邏輯的預置控制程序，實現生產模式一鍵切換，避免周邊計算節點開發復雜控制程序。

3. 能夠將采集到的潛水泵電機電流、電壓和壓力、流量儀表電氣回路數據進行二次計算判斷，實現儀表設備故障智能診斷。

4. 具有系統時鐘網絡同步功能，確保監控系統時頻穩定。

5. 使用以太網接口接入工業物聯網，無需Modbus網關等設備，中間環節少，接入簡便快捷。

（二）水源井集群化邊緣控制

依托現有工業互聯網資源，配套了性能強大、通信資源豐富的西門子S7-1500系列PLC控制器，用以搭建“水源井集群化調度控制平臺”。該過程中，調度控制PLC按照水源井與供水站的工藝管網關系，主要完成四項任務：

一是建立點對多點的通信與上游數口水源井進行數據交互，組建集群化數據交互系統；二是按照數據鏈約定標準，對電參、時間等需要進行倍率變化、格式轉換處理的數據進行運算處理并提供最終結果；三是通過私有協議，與供水站PLC控制器進行通信，讀取原水罐液位儀表數據；四是根據執行調度控制規則，提供上下游接口，實現設定單口水源井的工作模式，并將對應模式下的水源井與站點原水罐液位進行連鎖后執行高停低啟的控制。

在示范作業區建設項目中，應用該方案成功組建了4個水源井集群、較傳統模式逐中接入SCADA系統組建集群化控制相比，具有以下優點：

1. PLC控制器程序封裝管理難度小，容易形成規范，較SCADA系統編制逐句逐條開發編寫分散獨立集群化控制腳本相比，可縮短系統組建周期。

2. PLC控制器批量處理數據能力強，對原本需要SCADA系統進行二次運算才能得到最終結果的數據，諸如電流縮小100運算等，提前完成了二次運算。通過直接向PLC提供最終運算結果，可減少SCADA系統運算負擔。

3. PLC控制器運算周期短，經過對PLC循環執行周期的監測，學莊作業區循環掃描周期最長僅為14.625ms，相較SCADA系統集中運行各類周期不定、難度不一的運算腳本，在控制更為精確。

4. SCADA系統監控畫面開發組態難度明顯下降，操作人員只需完成簡單設置就可實現以水源井液位為目標，自動控制多口水源井日常運行。

5. 計算控制由邊緣設備執行，SCADA系統停運期間，不會對水源井控制造成負面影響。

三、效果分析

較傳統數據采集技術+SCADA系統云集中運算的生產物聯網監控系統，應用邊緣計算技術建成的“源、供、注、配”一體化智能注水監控系統，云邊功能設計精細、算力分配合理、協同理念突出、瘦身肩負明顯，項目建設周期較傳統開發方式縮短近20天，項目涉及的8座站點、49臺機泵、21口水源井和149座穩流注水閥組的341口注水井實現了關鍵環節的連鎖控制、閉環調節、自動調配、智能診斷和故障自切除等自控功能，累計新增功能18項注水系統人工遠程監控干預時間由5.0小時/天下降到0.5小時/天，提質減負顯著，系統運行安全穩定。

四、結語

第六采油廠總結寶貴的數字化建設應用經驗，圍繞邊緣計算技術應用開展了積極探索，通過精細方案設計、堅持系統思維，確保了相關技術落地應用；通過新舊技術結合，優化了資源配置，控制了建設費用；通過注重邊緣側各節點的功能細節設計，踐行了本質安全，圓滿完成了建設投用工作。下步，該廠將繼續物聯網遵循云、邊、端框架結合，圍繞技術落地應用進行持續完善和改進，為同類項目建設提供經驗借鑒。

作者單位：中國石油長慶油田分公司第六采油廠