司長征 敖開栓 陳云飛 周繼偉
摘要:準(zhǔn)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(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)東油田;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);生產(chǎn)監(jiān)控;云計算
一、前言
準(zhǔn)東采油廠所轄油區(qū)位于準(zhǔn)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(yuǎn)。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(jì)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(jìn)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%?,F(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(zhǔn)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(zhǔn)東采油廠啟動生產(chǎn)監(jiān)控平臺建設(shè)項目,在準(zhǔn)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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)不一、重復(fù)開發(fā)等問題,常常同時部署運(yùn)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(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)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(jìn),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(yùn)行穩(wěn)定性較差。
隨著物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn),數(shù)據(jù)規(guī)模不斷擴(kuò)大,生產(chǎn)管理更加精細(xì)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(biāo)準(zhǔn)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(hù);三是深挖數(shù)據(jù)潛力,提供更強(qiáng)性能和更貼合實際生產(chǎn)的數(shù)據(jù)應(yīng)用[3]。
三、準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)版本,無法滿足全廠規(guī)?;瘧?yīng)用與共享。
4.監(jiān)控系統(tǒng)部署的計算機(jī)配置較低,短期內(nèi)無法實現(xiàn)規(guī)?;?。
5.現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)專業(yè)化強(qiáng),單獨部署在每臺計算機(jī)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(hù)依賴于專業(yè)工程師,導(dǎo)致維護(hù)部門工作繁重。
(二)準(zhǔn)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(jìn)報警管理(AAS)等前沿技術(shù)擴(kuò)展接口,為后續(xù)利用油田大數(shù)據(jù)進(jìn)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(jī)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(zhǔn)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(jī)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(jī)上使用,云平臺授權(quán)用戶可以在準(zhǔn)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(jī)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(jī)。云平臺對終端機(jī)器要求很低,系統(tǒng)升級也不會影響終端機(jī)器。該系統(tǒng)的部署,極大節(jié)省了準(zhǔn)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(jī)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(jìn)行維護(hù)即可,極大減輕了相關(guān)人員的軟件維護(hù)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(hù)人員在不停止系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)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(zhǔn)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(zhǔn)東采油廠當(dāng)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(jìn)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(jī)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(jī)制,無限擴(kuò)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(yùn)營和維護(hù)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(biāo)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(zhǔn)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(yuǎn)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(yuǎn)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?fù)湔故尽?/p>
(6)引入先進(jìn)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(jìn)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(hù)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)。
(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(jī)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(jìn)行系統(tǒng)訪問,具備更好的兼容性,可與其他程序同時運(yùn)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(zhǔn)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(jìn)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(qiáng)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(hù)、更新、升級也更加靈活,更具經(jīng)濟(jì)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。
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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