張海鋒李 瑋

（1中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司 天津 300452 2海洋石油工程股份有限公司檢驗(yàn)分公司 天津 322452）

引言

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管控是企業(yè)提高生產(chǎn)力的主要手段，在當(dāng)前海上石油平臺(tái)主要的控制手段是以一個(gè)平臺(tái)為單位，使用DCS集散控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，輔以視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)視，由中控值班人員對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，發(fā)生生產(chǎn)流程故障或現(xiàn)場(chǎng)異常情況下，由中控值班人員調(diào)節(jié)生產(chǎn)流程，并協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行處理，在處理問題時(shí)對(duì)值班人員的能力要求很高，且在緊急情況下容易產(chǎn)生錯(cuò)誤操作，導(dǎo)致人為故障擴(kuò)大。且平臺(tái)與平臺(tái)之間雖有生產(chǎn)流程的影響但系統(tǒng)上不能交互，出現(xiàn)故障時(shí)由人為通知，非常容易使故障擴(kuò)大化，影響整個(gè)油田群正常生產(chǎn)，極大的影響了海上石油平臺(tái)的生產(chǎn)效率[1]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步發(fā)展，傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)運(yùn)算技術(shù)都得到了很大的進(jìn)步，基于物聯(lián)網(wǎng)通過配置各種傳感器，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，配合智能終端，結(jié)合多種通訊方式，形成油田群物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，加以大數(shù)據(jù)儲(chǔ)存運(yùn)算，及通過智能感知、智能識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析、信息推送建立設(shè)備與系統(tǒng)、設(shè)備與設(shè)備、系統(tǒng)與系統(tǒng)、設(shè)備與人、系統(tǒng)與人的緊密連接，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的感知、思考與決策，解放了人力，提升了油田自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率。

目前物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)包括全面感知、信息傳遞、智能處理、信息反饋等幾個(gè)方面。全面感知是指通過利用現(xiàn)代化的信息收集、采集技術(shù)手段，隨時(shí)隨地對(duì)物體進(jìn)行信息采集和獲取;信息傳遞是指通過各種通信網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地進(jìn)行可靠的信息交互和共享;智能處理是指對(duì)收集到的海量數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析處理，提升對(duì)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和市場(chǎng)的洞察力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制;信息反饋是指將處理完的信息，以程序指令的形式傳達(dá)給各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以優(yōu)化生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和完成生產(chǎn)計(jì)劃。通過智能化的監(jiān)控和管理手段，能明顯提高工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能控制、智能診斷、智能分析統(tǒng)計(jì)，有助于優(yōu)化生產(chǎn)工藝，維護(hù)生產(chǎn)設(shè)備，提高產(chǎn)品的品質(zhì)。

本文根據(jù)海上石油平臺(tái)的實(shí)際情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，構(gòu)建海上油田群的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心，開發(fā)海上油田集中管控系統(tǒng)，為中海油提供海上平臺(tái)生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、診斷與管理服務(wù)，助推海油生產(chǎn)發(fā)展。

1 系統(tǒng)框架

海上油田集中管控系統(tǒng)整體上可以劃分為信號(hào)采集層、系統(tǒng)交互層、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層、智能管控人機(jī)交互層[2]。

圖1 系統(tǒng)框圖

（1）信號(hào)采集層：采集信號(hào)包括各平臺(tái)傳感器、智能傳感器、控制系統(tǒng)：溫度、壓力、流量、液位、震動(dòng)、火氣報(bào)警、溫濕度、局放、傾斜、高清視頻、PCS系統(tǒng)、PMS系統(tǒng)、各撬塊控制盤。信號(hào)采集層的主要作用是的主要作用是集控系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的聯(lián)系，通過采集層上傳系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，在特殊情況下也可通過信號(hào)采集層下發(fā)操作指令，由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行

（2）系統(tǒng)交互層：結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)利用通訊網(wǎng)關(guān)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；在網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備與設(shè)備、數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)之間進(jìn)行交互。

（3）數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層：利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析打造堅(jiān)實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存層是以一個(gè)數(shù)據(jù)庫的形式體現(xiàn)的，數(shù)據(jù)庫是存儲(chǔ)在一起的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，這些數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的，無有害的或不必要的冗余，并為上層人機(jī)交互層的應(yīng)用服務(wù)的。

（4）智能管控人機(jī)交互層：也稱應(yīng)用層，提供對(duì)外的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)管控功能，包括設(shè)備運(yùn)維監(jiān)控、生產(chǎn)過程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控、操作策略指導(dǎo)；應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，其功能為“處理”，即通過云計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行信息處理。應(yīng)用層與最低端的感知層一起，是物聯(lián)網(wǎng)的顯著特征和核心所在，應(yīng)用層可以對(duì)感知層采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的實(shí)時(shí)控制、精確管理和科學(xué)決策。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層的核心功能圍繞兩個(gè)方面：一是“數(shù)據(jù)”，應(yīng)用層需要完成數(shù)據(jù)的管理和數(shù)據(jù)的處理；二是“應(yīng)用”，僅僅管理和處理數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須將這些數(shù)據(jù)與各行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合。例如在智能電網(wǎng)中的遠(yuǎn)程電力抄表應(yīng)用：安置于用戶家中的讀表器就是感知層中的傳感器，這些傳感器在收集到用戶用電的信息后，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送并匯總到發(fā)電廠的處理器上。該處理器及其對(duì)應(yīng)工作就屬于應(yīng)用層，它將完成對(duì)用戶用電信息的分析，并自動(dòng)采取相關(guān)措施。

2 智能數(shù)據(jù)采集終端

2.1 智能數(shù)據(jù)采集終端硬件部分

智能數(shù)據(jù)采集終端分為采集層、處理層、通信層三大部分。每層又分為多個(gè)模塊組成，針對(duì)不同的采集需求，需要選擇不同的數(shù)據(jù)傳輸和鎮(zhèn)定模塊，就可以采集到多種傳感器的數(shù)據(jù)，如：溫度、壓力、液位、DCS系統(tǒng)等。

A/D轉(zhuǎn)換采用ADC0809，8位A/D轉(zhuǎn)換器。每采集一次一般需100μs。由于ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)束后會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生EOC信號(hào)（高電平有效），取反后將其與8031的INT0相連，可以用中斷方式讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖2 A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

ADC0809各腳功能如下：

D7～D0：8位數(shù)字量輸出引腳。IN0～I(xiàn)N7：8位模擬量輸入引腳。

VCC：+5V工作電壓。GND：地。

REF（+）：參考電壓正端。REF（-）：參考電壓負(fù)端。

START：A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)輸入端。

ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端。（以上兩種信號(hào)用于啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）.

EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時(shí)為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)為高電平。

OE：輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。

CLK：時(shí)鐘信號(hào)輸入端（一般為500KHz）。

A、B、C：地址輸入線。

系統(tǒng)硬件采用低功耗嵌入式CPU模塊設(shè)計(jì)，滿足低功耗設(shè)計(jì)要求，所有器件選用工業(yè)級(jí)芯片，工作溫度需要達(dá)到-45攝氏度60攝氏度的要求，以滿足海上平臺(tái)嚴(yán)酷的工作環(huán)境。電路上采用抗干擾措施，使EMC電磁兼容測(cè)試達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

智能數(shù)據(jù)采集終端各組件的技術(shù)性能如下：

控制芯片：采用ARM cortex-M4處理器，操作頻率可達(dá)100MHZ，CPU具有3級(jí)流水線和哈弗結(jié)構(gòu)，處理速度快，工作溫度可滿足-45攝氏度60攝氏度的要求。

設(shè)備接口包括：USB、以太網(wǎng)、HART、CAN總線、8通道ADC等等

傳感器接口模塊：支持4-20ma、0-10V、1-5V、MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、RJ45 以太網(wǎng)、RFID、DH+、Devicenet總線。

圖3 A/D智能數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)圖

2.2 智能數(shù)據(jù)采集終端軟件部分[3]

（1）運(yùn)行系統(tǒng)：Linux操作系統(tǒng)[4]，安全可靠、占用內(nèi)存小、良好的開放性、豐富的網(wǎng)絡(luò)功能、多任務(wù)；

（2）硬件驅(qū)動(dòng)：USB、以太網(wǎng)、HART、CAN 總線、8 通道 ADC等等；

（3）通訊協(xié)議：MODBUS現(xiàn)場(chǎng)總線、Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線、RJ45以太網(wǎng)、RFID、DH+、Devicenet總線。

3 網(wǎng)絡(luò)搭建

數(shù)據(jù)通訊是兩個(gè)實(shí)體間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，需要對(duì)原始信息進(jìn)行編碼，使之成為能在信道上傳輸?shù)男盘?hào)；在接收端通過反編譯還原原始信息?，F(xiàn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下有多種通訊方式可以完成數(shù)據(jù)的通訊，比如：以太網(wǎng)、無線電臺(tái)、RS485總線、藍(lán)牙、WIFI、LTE 等。

基于現(xiàn)有海上石油平臺(tái)的整體情況，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，搭建海上油田集中管控系統(tǒng)通訊平臺(tái)。

圖4 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

各海上石油平臺(tái)安裝智能數(shù)據(jù)采集終端，通過各種通訊方式讀取現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，平臺(tái)之間通過海底光纖組網(wǎng)，所有數(shù)據(jù)通過中海油局域網(wǎng)采集入數(shù)據(jù)中心，開發(fā)適用于電腦桌面、PAD、安卓手機(jī)應(yīng)用[5]。

在網(wǎng)絡(luò)搭建中，主要用到的通訊手段有：

（1）以太網(wǎng) Ethernet：由 Xerox 公司創(chuàng)建并由 Xerox、Intel和DEC公司聯(lián)合開發(fā)的基帶局域網(wǎng)規(guī)范，是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備通過千兆以太網(wǎng)光纖交換機(jī)配合海底光纜構(gòu)建的主鏈路千兆以太網(wǎng)絡(luò)，可以達(dá)到100Mb/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

（2）Modbus：由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，一條總線支持多達(dá)200個(gè)以上遠(yuǎn)程從屬控制器，現(xiàn)行海油工業(yè)系統(tǒng)、控制器、大多支持此種協(xié)議。通過RS485總線可簡(jiǎn)單快捷采集現(xiàn)場(chǎng)控制器數(shù)據(jù)。

（3）模擬量信號(hào)（4-20ma、0-10V）：在時(shí)間上或數(shù)值上都是連續(xù)的物理量稱為模擬量，把表示模擬量的信號(hào)叫模擬信號(hào)。目前海上石油平臺(tái)多數(shù)傳感器或智能變送器包括溫度變送器、壓力變送器、液位變送器，均采用模擬量信號(hào)，可以通過模擬量信號(hào)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集。

4 物聯(lián)網(wǎng)中間件

物聯(lián)網(wǎng)中間件系統(tǒng)位于感知設(shè)備與應(yīng)用之間，作用是對(duì)感知設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)、濾除、集合等處理，可有效減少傳輸數(shù)據(jù)的冗余度、提高數(shù)據(jù)正確接受的可靠性。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)中間件邏輯圖

由于本項(xiàng)目應(yīng)用集成了現(xiàn)場(chǎng)多種傳感設(shè)備、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)中間件篩選梳理流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、應(yīng)用的統(tǒng)一管理。

圖6 中間件邏輯架構(gòu)

本設(shè)計(jì)包括中間件邏輯架構(gòu)包括接口層、驅(qū)動(dòng)層、核心層、應(yīng)用層，接口層用于與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊連接，驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)硬件匹配，核心層是整個(gè)系統(tǒng)核心，用于采集數(shù)據(jù)、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、并配以相應(yīng)邏輯，應(yīng)用層為應(yīng)用程序提供接口。

中間件的工作流程主要包括：傳感器接口配置、數(shù)據(jù)采集規(guī)則、數(shù)據(jù)封裝、應(yīng)用數(shù)據(jù)接口配置。

圖7 中間件處理流程

（1）傳感器的接口配置：傳感器的接口配置主要用于適配現(xiàn)場(chǎng)多種傳感器信號(hào)接口，各種傳感器的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在傳感器的內(nèi)存數(shù)據(jù)中。通過識(shí)別傳感器、初始化傳感器、構(gòu)建傳輸通道完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的正常采集鏈路。

（2）數(shù)據(jù)采集規(guī)則：由于本系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集量大、種類繁多，中間件為不同種類傳感器編譯了適應(yīng)傳感器通訊規(guī)約的不同采集規(guī)則，當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到傳感器種類是，自動(dòng)調(diào)用匹配采集規(guī)則將數(shù)據(jù)采集入智能數(shù)據(jù)采集終端內(nèi)存。

（3）數(shù)據(jù)封裝：按照石油平臺(tái)號(hào)、傳感器類型、設(shè)備位號(hào)、記錄時(shí)間、數(shù)值等對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，進(jìn)行明細(xì)化統(tǒng)一存儲(chǔ)，支持?jǐn)?shù)據(jù)計(jì)算應(yīng)用。

圖8 數(shù)據(jù)封裝規(guī)則

5 基于原始大數(shù)據(jù)分析的輔助決策

海上油田集中管控系統(tǒng)主要是基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、多工況的綜合對(duì)比分析，在平臺(tái)生產(chǎn)過程中進(jìn)行故障報(bào)警、操作指導(dǎo)、輔助決策。

其中輔助決策是該系統(tǒng)的核心功能，該系統(tǒng)可以手動(dòng)錄入知識(shí)庫和案列庫，也可以在長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累工程中自動(dòng)生產(chǎn)知識(shí)庫和故障案列庫，通過歷時(shí)大數(shù)據(jù)判斷某一故障發(fā)生前后生產(chǎn)流程參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化，從而指導(dǎo)操作人員再故障發(fā)生前，通過系統(tǒng)預(yù)警與應(yīng)急操作，避免故障發(fā)生，在故障發(fā)生后按既定操作程序及時(shí)最優(yōu)化調(diào)整流程，避免事故擴(kuò)大化，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的操作起到輔助決策的功能。

圖9 輔助決策流程

系統(tǒng)處理流程如圖九所示，通過感知信息采集，系統(tǒng)判斷產(chǎn)生特征向量。通過與案例庫比對(duì)選擇適合的操作程序，完成決策方案的執(zhí)行。系統(tǒng)可自動(dòng)決策也可由操作人員手動(dòng)操作，系統(tǒng)起輔助作用[6]。

6 系統(tǒng)實(shí)用性分析

本文提到的傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)在目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下已經(jīng)能夠得到很好的實(shí)現(xiàn)。結(jié)合當(dāng)前海上石油平臺(tái)的實(shí)際情況：目前以一個(gè)海上油田群為單位，各個(gè)平臺(tái)之間均有海底光纖網(wǎng)絡(luò)相連，平臺(tái)內(nèi)部WIFI網(wǎng)絡(luò)暢通，多數(shù)平臺(tái)生產(chǎn)流程使用的是智能儀表，均有向外的數(shù)據(jù)傳輸接口。海上平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)DCS/PCS系統(tǒng)也有比較好的數(shù)據(jù)擴(kuò)展性，比較容易獲得數(shù)據(jù)源。油田群內(nèi)部可選取一個(gè)平臺(tái)作為數(shù)據(jù)中心，建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)算服務(wù)器，利用海上平臺(tái)互聯(lián)局域網(wǎng)可將應(yīng)用層擴(kuò)展到海油陸地各個(gè)辦公室，

從當(dāng)前情況來看，該系統(tǒng)在海上油田有比較合適的適用環(huán)境。

結(jié)語

本文提出的海上油田集中管控系統(tǒng)結(jié)合了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了海上石油平臺(tái)生產(chǎn)流程的基于原始大數(shù)據(jù)分析的輔助決策功能，自動(dòng)生成案列庫、知識(shí)庫提升了應(yīng)急事故的處理能力，可以加強(qiáng)海上石油平臺(tái)的生產(chǎn)管理工程，加強(qiáng)海上石油生產(chǎn)流程智能化水平，有效提升油田產(chǎn)量。