韓帥

（遼河油田公司特種油開發(fā)公司）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分，正受到越來越多的關(guān)注和研究。物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為信息承載體，通過傳感器將一定數(shù)量具有獨(dú)立功能的普通設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)相連接，從而實(shí)現(xiàn)對設(shè)備信息的實(shí)時(shí)獲取、遠(yuǎn)程共享及智能化分析控制［1-2］。動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，以安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)為主要檢測對象的智能系統(tǒng)，通過將油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺進(jìn)行存儲與分析，自動識別潛在危險(xiǎn)并發(fā)出預(yù)警信息，從而提高安全生產(chǎn)管理能力。

隨著遼河油田在勘探、開發(fā)、生產(chǎn)及管理領(lǐng)域的不斷發(fā)展，一線崗位對生產(chǎn)監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用需求也越發(fā)迫切?，F(xiàn)階段，以高精傳感器為主的信息化裝備已大量投入現(xiàn)場應(yīng)用，但由于不同傳感器系統(tǒng)相對獨(dú)立，信息集成化程度低，如生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄取、現(xiàn)場安全巡檢等日常工作仍需大量人工完成，數(shù)據(jù)獲取效率低、生產(chǎn)管理進(jìn)度慢、人工巡檢不到位的問題普遍存在［3］。為此，開展了動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究工作，以遼河油田某稠油脫水站為例，通過物聯(lián)基站架設(shè)、傳感設(shè)備改造等一系列措施，實(shí)現(xiàn)了動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場應(yīng)用，對油田生產(chǎn)安全管理具有重要意義。

1 動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主體架構(gòu)

動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主體架構(gòu)分為三層，即：傳感層、通信層、應(yīng)用層。

傳感層是生產(chǎn)信息接入網(wǎng)關(guān)之前的傳感網(wǎng)絡(luò)，主要由各種感知設(shè)備組成，包括溫度變送器、壓力變送器、流量傳感器、液位傳感器、可燃?xì)怏w及有毒有害氣體濃度探測器等。傳感層的作用是對生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行全面感知，并將信息數(shù)據(jù)通過傳感節(jié)點(diǎn)上傳至網(wǎng)關(guān)接入點(diǎn)。

通信層作為傳感信息的承載體，可以在有線數(shù)據(jù)傳輸或無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上建立。它的作用是自動識別傳感網(wǎng)絡(luò)，將傳感層收集到的信息以通用數(shù)據(jù)包形式上傳至數(shù)據(jù)中心，通過計(jì)算機(jī)軟件對數(shù)據(jù)傳感節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中解析、分析、存儲，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提供給應(yīng)用層。

應(yīng)用層根據(jù)底層共享數(shù)據(jù)，形成與現(xiàn)有系統(tǒng)需求相適應(yīng)的動態(tài)更新數(shù)據(jù)資源庫，向生產(chǎn)管理者提供統(tǒng)一的信息資源支撐，實(shí)現(xiàn)對人員、設(shè)備、環(huán)境、流程的智能化監(jiān)控與管理，達(dá)到判斷提醒、指導(dǎo)生產(chǎn)的目的［4］。

動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)功能構(gòu)架如圖1所示。

圖1 動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)主體架構(gòu)

2 系統(tǒng)實(shí)體建設(shè)

2.1 架設(shè)物聯(lián)通信基站

針對稠油脫水站特有的小數(shù)據(jù)、高頻次傳輸特點(diǎn)，選用LoRa（一種低功耗遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)）構(gòu)成通信層，采用LoRaWAN（基于LoRa設(shè)計(jì)的通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)）作為統(tǒng)一的物聯(lián)通信方案，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：一是能耗低，電池續(xù)航時(shí)間達(dá)5年以上，減少頻繁更換電池工作量；二是傳輸距離遠(yuǎn)，系統(tǒng)構(gòu)架簡單，降低布網(wǎng)設(shè)備和使用成本；三是安全級別高，通過制定資料保密安全協(xié)議，數(shù)據(jù)在發(fā)送、傳輸、接收過程中完成加密與解碼，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全。

現(xiàn)場基站架設(shè)高度為距地面20 m，網(wǎng)絡(luò)測試選取基站周圍5 km半徑覆蓋區(qū)域，測試終端與基站采取乒乓緩沖通信機(jī)制，無線發(fā)射功率設(shè)定為+17 dBi（天線增益2.5 dBi），基站發(fā)射功率為+24 dBi（天線增益6 dBi）?，F(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明，在各測試點(diǎn)處基站與終端之間均能實(shí)現(xiàn)正常收發(fā)通信，且平均丟包率小于10%，滿足物聯(lián)基站架設(shè)需求［5］。

2.2 安裝數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊

重點(diǎn)巡檢傳感設(shè)備包括壓電傳感器70臺、溫度傳感器84臺、液位傳感器18臺、電磁流量傳感器11臺、轉(zhuǎn)子流量傳感器5臺、可燃?xì)怏w濃度傳感器127臺，分布于各個(gè)生產(chǎn)罐區(qū)及泵房。為充分發(fā)揮已有傳感設(shè)備功能，降低建設(shè)成本，選用傳感器遠(yuǎn)傳模塊對傳感信號進(jìn)行數(shù)字化預(yù)處理和無線傳輸。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊采取標(biāo)準(zhǔn)化安裝，只需通電便可自動搜索基站進(jìn)行連接，無需 RTU（遠(yuǎn)程終端單元），無需對在用傳感設(shè)備進(jìn)行手動配置，最大限度降低了數(shù)據(jù)接入成本。

2.3 優(yōu)選數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的核心所在，針對安全生產(chǎn)需求繁雜，傳感數(shù)據(jù)多態(tài)性、海量性且報(bào)警條件不統(tǒng)一的特點(diǎn)，選用了基于邊緣計(jì)算、算法庫的IDEM（智能設(shè)備接入管理系統(tǒng)）。該系統(tǒng)依靠物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)及云計(jì)算架構(gòu)技術(shù)，對所有在線傳感設(shè)備實(shí)行全面監(jiān)控，支持安全預(yù)警處理規(guī)則自定義，原始傳感信號經(jīng)集中、過濾、歸并等處理步驟后，能夠根據(jù)不同風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警級別生成準(zhǔn)確的預(yù)警信息。與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相比，IDEM系統(tǒng)優(yōu)勢在于實(shí)現(xiàn)了“端”“邊”“云”（節(jié)點(diǎn)、基站、云引擎）之間的三種數(shù)據(jù)流向。

（1）“邊”與“云”：基站可將傳感數(shù)據(jù)上傳至云引擎，從云引擎下載相應(yīng)算法。

（2）“端”與“邊”：系統(tǒng)進(jìn)行簡單數(shù)據(jù)處理時(shí)，節(jié)點(diǎn)可與基站直接聯(lián)系，傳感數(shù)據(jù)由基站自帶處理引擎處理完成后給予反饋。

（3）“端”“邊”與“云”：系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過基站與云引擎間接聯(lián)系，傳感數(shù)據(jù)上傳至云引擎處理完成后給予反饋。

IDEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向如圖2所示。

圖2 IDEM系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向

2.4 設(shè)計(jì)安全公眾平臺

為滿足員工對安全生產(chǎn)物聯(lián)信息的需求，以為智能手機(jī)終端提供即時(shí)通信服務(wù)的微信應(yīng)用程序?yàn)槿肟?，設(shè)計(jì)安全公眾平臺，集成已建數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，使用戶通過智能手機(jī)能夠完成數(shù)據(jù)查看、參數(shù)查詢、安全巡檢工作。更為重要的是，系統(tǒng)可同時(shí)將異常數(shù)據(jù)及危險(xiǎn)點(diǎn)坐標(biāo)發(fā)送至手持設(shè)備，提醒相關(guān)人員前往查看，具有預(yù)警提醒等實(shí)用功能。

3 系統(tǒng)應(yīng)用情況

動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)于 2018年底正式投入現(xiàn)場應(yīng)用，系統(tǒng)實(shí)體單元運(yùn)行平穩(wěn)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整開展順利。截至2019年底，已為稠油脫水站生產(chǎn)管理帶來多項(xiàng)革新與升級。

（1）縮短了巡檢周期。系統(tǒng)替代人工對高溫、高壓、有毒氣體易聚集的高危區(qū)域進(jìn)行全天候值守，常規(guī)巡檢周期由以往2 h縮短至5 min，提高生產(chǎn)安全性的同時(shí)減少巡檢用工4～5人，緩解了基層用工緊張及勞動強(qiáng)度大的問題。

（2）擴(kuò)大了巡檢范圍。天線增益的提高及通信協(xié)議的優(yōu)化，使物聯(lián)基站信號覆蓋半徑超過7 km，在復(fù)雜干擾區(qū)域仍保持了良好的信號傳輸能力，同時(shí)滿足了對脫水站外部設(shè)備及長輸管道傳感信號的接收條件。

（3）提高了數(shù)據(jù)錄取準(zhǔn)確率。系統(tǒng)對傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行自動識別、獲取和儲存，與人工錄取數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)錄取準(zhǔn)確率達(dá)到100%。此外，管理者能夠隨時(shí)查詢歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)決策和業(yè)績評價(jià)提供更加直觀和便捷的參考依據(jù)。

（4）提升了報(bào)警時(shí)效。新系統(tǒng)管理下的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)警規(guī)則支持自定義，云服務(wù)能將報(bào)警信號按預(yù)設(shè)規(guī)則分發(fā)到指定用戶的手機(jī)，提醒查看并處理報(bào)警信息，節(jié)省了人工確認(rèn)和發(fā)送的等待時(shí)間。此外，安全公眾平臺將報(bào)警信息送達(dá)率提高10%以上，避免了語音通知的滯后性，保證了報(bào)警時(shí)效。

4 結(jié)束語

動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)將物聯(lián)技術(shù)與傳感技術(shù)有效融合，提高了生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)自動化預(yù)警水平，為安全生產(chǎn)提供了有力保障。今后，針對不同使用場景的小型數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳模塊研究力度還需加大，同時(shí) IDEM系統(tǒng)的可靠性和高效性也有待進(jìn)一步提高，從而減少模塊維修頻率，降低系統(tǒng)維護(hù)成本。

隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)及智能云端數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷成熟，動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)將進(jìn)一步擴(kuò)大對可利用技術(shù)資源的整合范圍，如高清攝像頭、紅外闖入監(jiān)控、質(zhì)量分析儀等設(shè)備將陸續(xù)聯(lián)網(wǎng)并歸入系統(tǒng)。未來，動態(tài)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)將會更好地服務(wù)于油田生產(chǎn)。