基于物聯(lián)網(wǎng)的石油鉆機安全監(jiān)控技術研究

朱小輝，郭關波，劉晶

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司遼河鉆采裝備分公司，遼寧 盤錦 124010）

石油鉆機的工作環(huán)境一般比較惡劣，且需要經(jīng)過復雜的作業(yè)流程，安全風險較高，對于施工開采人員來說危險性較高，為了降低石油鉆機的安全風險，提升石油鉆機的安全性，設計安全監(jiān)控系統(tǒng)非常有必要，利用物聯(lián)網(wǎng)技術，實現(xiàn)井下數(shù)據(jù)信息、圖像信息的采集和處理，實時視頻監(jiān)控，危險預警等，可大幅度提升石油鉆機的安全性。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述

物聯(lián)網(wǎng)它通過物聯(lián)網(wǎng)技術將互聯(lián)網(wǎng)與傳感器等設備結(jié)合起來，構(gòu)建一個龐大的通信網(wǎng)絡，讓人、機、物隨時隨地進行通信，實現(xiàn)信息可以交換時間和地點。執(zhí)行智能管理和意識。物聯(lián)網(wǎng)的核心底層仍然是互聯(lián)網(wǎng)，但它在互聯(lián)網(wǎng)之上進行了擴展，是下一代無線通信技術的重要組成部分。常用的物聯(lián)網(wǎng)技術包括GPRS。NB-IoT、ZigBee 和WiFi。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，許多國家和政府都在加大人力和財力對物聯(lián)網(wǎng)技術的研究和投入，推動了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合傳感器技術正在慢慢滲透到各個行業(yè)。從日常生活到航空航天，我們都能看到物聯(lián)網(wǎng)的影子。預計未來會有更多行業(yè)轉(zhuǎn)向物聯(lián)網(wǎng)。

物聯(lián)網(wǎng)可以分為3個層次，每個層次都有不同的功能，從功能上來看，可以分為感知層、網(wǎng)絡層和應用層。

感知層采集的信息數(shù)據(jù)為物聯(lián)網(wǎng)技術的應用層提供了基礎條件。正如我們?nèi)祟愅ㄟ^我們的五個感覺器官，我們的感覺器官和我們的皮膚感知外部世界的一切一樣，我們將其傳遞給大腦進行分析和處理，以確定我們的行動。物聯(lián)網(wǎng)技術的認知層主要利用設備標簽技術、射頻技術、傳感器網(wǎng)絡技術、遠程控制等相關技術，形成物聯(lián)網(wǎng)五感官、感官、皮膚，并采集相關數(shù)據(jù)。外部物理世界的感知層。

物聯(lián)網(wǎng)技術的網(wǎng)絡層就像人腦的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，基于無線網(wǎng)絡通信。網(wǎng)絡層利用無線網(wǎng)絡技術完成設備接入和可靠的數(shù)據(jù)傳輸功能，為信息交換和數(shù)據(jù)傳輸提供穩(wěn)定可靠的連接路徑，主要解決識別層獲得的數(shù)據(jù)傳輸問題。連接屬于。這是介于應用層和感知層之間的層。是物聯(lián)網(wǎng)技術的重要組成部分。

物聯(lián)網(wǎng)技術的應用層就像人的大腦，人從外部獲取相關信息，進行思考，得出結(jié)論。物聯(lián)網(wǎng)技術的應用層從識別層接收數(shù)據(jù)，然后控制數(shù)據(jù)的分析和處理，識別層主要解決信息處理和人機交互的問題來實現(xiàn)和實現(xiàn)發(fā)展。

2 安全監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

智能安全監(jiān)控系統(tǒng)由圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、輸出報警模塊和視頻監(jiān)控模塊四個部分組成。

2.1 圖像數(shù)據(jù)采集模塊

目前市場上常用的一種視頻監(jiān)控模塊是由攝像頭和網(wǎng)絡硬盤錄像機組成，這是為了便于圖像信息的采集，在選擇攝像頭的時候，一定要根據(jù)實際情況和需求，選擇合適的攝像頭類型和模型，尤其是攝像頭要高清攝像頭，才能保證拍到的圖像信息比較真實可靠，而網(wǎng)絡硬盤攝像機可以實現(xiàn)圖像信息的儲存，用戶可以通過網(wǎng)絡硬盤攝像機的參數(shù)設置模塊，設置一個偏向自己喜好的圖像采集方式和儲存方式，同樣可以實現(xiàn)有效的圖像數(shù)據(jù)信息的篩選和利用。

2.2 圖像數(shù)據(jù)處理模塊

石油鉆井設備中安全監(jiān)控系統(tǒng)組成中，最重要的一個組成部分就是圖像數(shù)據(jù)的處理內(nèi)容，一個好的圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)能夠保證操作者良好地控制石油鉆井設備，目前最常用的一種圖像數(shù)據(jù)處理模塊是基于物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的，要高于普通的視圖像數(shù)據(jù)處理器。當攝像頭采集到圖像信息之后，該部分需要對圖像信息進行預處理，對圖像進行灰度處理、降噪處理、顏色處理等一系列的算法操作，在完成這些內(nèi)容之后，該模塊會將圖片信息與現(xiàn)實世界的坐標位置進行鏈接，從而便于操作者實時觀察現(xiàn)場情況，同樣的也會與報警模塊連接，當出現(xiàn)風險時，會傳輸?shù)綀缶K提醒操作者積極規(guī)避風險。

2.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊是基于物聯(lián)網(wǎng)設計的用戶與系統(tǒng)之間的交互平臺，用戶可以通過視頻監(jiān)控模塊進行自定義的參數(shù)設計，從而達到更好地操作系統(tǒng)的目的，該部分主要通過顯示部分顯示當前平臺監(jiān)控到的圖像信息，然后有一個操控模塊，提供給操作者進行該視頻監(jiān)控中出現(xiàn)的問題的監(jiān)控，智能化的電子設備更能滿足用戶的偏好需求，以及一些人性化的內(nèi)容設置，更能讓操作者實現(xiàn)對石油鉆井設備的操控。除此之外，還有一些更智能化的操作部門，允許用戶通過過濾、配置、跟蹤、保存、實時監(jiān)控和保存參數(shù)軟件。我們?yōu)槭占囊曨l信息運行一個程序。用戶只需根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的時間坐標配置現(xiàn)場平面圖，制定與工票信息對應的安全作業(yè)指導書，并保存設置，即可達到減輕監(jiān)管人員勞動強度的目的。

2.4 輸出報警模塊

報警系統(tǒng)是與圖像信息處理模塊相連接的，當圖像信息處理模塊將圖像信息處理之后，如果由風險問題，就會通過報警模塊進行報警，報警模塊也會進行圖像信息傳輸?shù)膬?nèi)容的分析，當該模塊分析圖像信息有問題或需要報警提示時，模塊的中樞系統(tǒng)就會發(fā)出警告，將判斷結(jié)果傳輸?shù)奖O(jiān)控室，同時也傳送到操作控制人員的視頻監(jiān)控模塊中，從而便于操作者做出正確的判斷。

3 安全監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 頂驅(qū)監(jiān)控設計

旋挖鉆機已經(jīng)逐漸消失在石油鉆井工作環(huán)境中，現(xiàn)在主要使用的是一種頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)，頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)能夠為石油鉆機持續(xù)提供動力，并保證鉆井設備的使用，而且減少了司鉆與管體的連接次數(shù)，同時還可以保證鉆井液的重復使用，降低了成本，因此研究頂驅(qū)鉆機的運行狀態(tài)非常重要，進行頂驅(qū)系統(tǒng)的實時監(jiān)控，可實現(xiàn)鉆井工作的順利進行。

頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)主要由頂鉆電機總成、電機支架/導向塊總成、鉆桿總成上下料裝置等輔助系統(tǒng)組成。頂鉆電機組件提供鉆孔動力，并讓電機轉(zhuǎn)速和電機溫度指示電機是否正常運行。冷卻風扇的風壓也會影響電機溫度，因此需要監(jiān)測。如果發(fā)生需要電機停止的事故，例如在鉆孔過程中鉆頭被夾住，則必須控制制動缸中的壓力。控制系統(tǒng)的自動控制，以及啟動和關閉的操作，可以通過設置制動缸壓力的參數(shù)來實現(xiàn)。鉆桿總成的修理或拆卸單元提供起下鉆服務，頂驅(qū)鉆機的最大優(yōu)點是可以節(jié)省鉆井時間，減輕操作人員的勞動強度。因此，監(jiān)測該位置對于鉆井作業(yè)非常重要。通過控制轉(zhuǎn)塔頭電機，可以實時掌握轉(zhuǎn)塔頭的位置，通過控制傾斜結(jié)構(gòu)的氣缸壓力來確定傾斜位置結(jié)構(gòu)。更重要的是，可以監(jiān)測井內(nèi)壓力，及時觸發(fā)報警。

3.2 移動區(qū)塊掛鉤監(jiān)控設計

在石油鉆機使用的過程中，司鉆一定要持續(xù)運行，才能保證孔位的準確，在鉆孔的過程中，多數(shù)是處于單孔狀態(tài)，因此需要連續(xù)不斷的進行鉆孔，因此這是需要對司鉆部分添加一個特殊的掛鉤裝置，主要是為了保證在司鉆的運行過程中，如果出現(xiàn)問題時，可以通過手動來解決當前的問題，并且保證司鉆的安全運行。而且在井架的下方安裝的有傳感器裝置，主要時為了用來實時監(jiān)測司鉆的位置和高度，方便司鉆的工作，司鉆在鉆孔的過程中，需要面對不同的作業(yè)壓力，在不同的作業(yè)壓力下，應該選擇不同的吊塊，也就是所謂應急裝置，當出緊急情況時，緊急裝置就會啟動，從而保證石油鉆機的安全使用。光敏傳感器和應急裝置，一個判斷司鉆是在作業(yè)中還是停止狀態(tài)，而應急裝置是當司鉆出現(xiàn)緊急情況時，例如被卡住，停止了工作，兩個同時進行反饋，將控制系統(tǒng)進行關閉，從而避免事故的發(fā)生，大幅度的提升了石油鉆機的使用安全性。

3.3 井架和司鉆控制室監(jiān)控設計

司鉆的工作環(huán)境監(jiān)控非常重要，良好的工作環(huán)境才能保證鉆井設備的良好運行，為了更好的實現(xiàn)司鉆的工作環(huán)境，需要定期對井架進行監(jiān)控，并且保證司鉆工作的安全，而司鉆控制室是控制司鉆工作的地方，需要設計一個基于PLC 的報警系統(tǒng)編程，在系統(tǒng)中設置一個臨界值，當司鉆在作業(yè)中，達到臨界值時，此時的預警系統(tǒng)就會進行預警，控制室作為該部分的中樞系統(tǒng)，對于石油鉆井設備的安全運行有重要的作用，工作環(huán)境的監(jiān)測也非常重要，對于環(huán)境的溫度和濕度的監(jiān)測，才能保證司鉆設備的使用壽命，降低腐蝕的進程，從而減低石油開采的成本。同時也要對井架進行定義檢查，出現(xiàn)問題時，要及時進行停業(yè)檢查和維修，保證石油開采作業(yè)的安全。

3.4 安全監(jiān)控軟件功能的實現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)收集。鉆機設備安全運行平臺的主要數(shù)據(jù)采集庫是由King IO Server 支持的，該內(nèi)容可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的自動化采集，從而進行數(shù)據(jù)分析和整理。

（2）數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)交互安全協(xié)議主要采用Modbus/TCP 協(xié)議和WITS 協(xié)議，這2 種協(xié)議不僅能保證交互數(shù)據(jù)的安全，還能實現(xiàn)有線設備的數(shù)據(jù)交互，也可以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的交互，從數(shù)據(jù)交互安全協(xié)議，視頻安全監(jiān)控平臺可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的收集和集成，并將視頻信息在監(jiān)控界面進行展現(xiàn)，同時將數(shù)據(jù)信息儲存到平臺數(shù)據(jù)庫中，便于操作人員可以查看歷史數(shù)據(jù)，同時面對這些數(shù)據(jù)信息，動態(tài)數(shù)據(jù)信息的交互，可以通過ODBC 和API 2 種接口來實現(xiàn)動態(tài)信息數(shù)據(jù)的交互。

（3）人機界面開發(fā)。人機交互界面主要包含7個組成部分，每個組成部分有不同的功能，一是用戶登錄管理界面，可以進行用戶的登錄操作；二是登錄主頁界面，主要用來展示用戶的基本信息和一些常規(guī)的操作，保證用戶的信息安全；三是工作狀態(tài)監(jiān)控界面，用來實時監(jiān)控鉆井設備的工作狀態(tài)和遇到的工作情況；四是單元作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控界面，主要監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，監(jiān)測系統(tǒng)是否在穩(wěn)定運行當中；五是電子巡檢，主要作用是監(jiān)控整體的系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的安全運行；六是預警報警界面，當系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題或者鉆井設備出現(xiàn)故障時，該功能就會自動報警和預警，提醒操作者注意及時規(guī)避風險；七是報表和趨勢曲線界面，主要作用的是監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)并匯集成表格和數(shù)據(jù)信息，便于操作者查看。

（4）視頻圖像嵌入。石油鉆井平臺安全監(jiān)控中的重要組成部分為視頻監(jiān)控部分，可選擇King SCADA 作為石油鉆井平臺安全監(jiān)控的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。King SCADA 表現(xiàn)良好，具有較強的可擴展性，同時還能接受來自于網(wǎng)絡的視頻，并將視頻展示在人機交互的視頻監(jiān)控界面。

（5）數(shù)據(jù)庫鏈接設計。數(shù)據(jù)庫在鏈接的過程中，主要的數(shù)據(jù)庫鏈接步驟可以分為5個步驟，第一步是在安全監(jiān)控系統(tǒng)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)源，便于數(shù)據(jù)的查找、儲存和利用；第二步創(chuàng)建記錄體，主要目的是可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的搜索；第三步進行數(shù)據(jù)庫鏈接，利用算法函數(shù)，編輯命令腳本，當系統(tǒng)被啟動時，就可以自動鏈接到數(shù)據(jù)庫；第四步創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格，主要儲存位置為SQL 數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)建格式統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表格，可以更好的實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時搜查查找；第五步利用SQL 語句以及King SCADA3.1 的腳本函數(shù)，進行數(shù)據(jù)庫控制腳本的編寫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的穩(wěn)定鏈接。

4 結(jié)語

綜上，在石油鉆機全監(jiān)控系統(tǒng)中，基于物聯(lián)網(wǎng)技術的安全監(jiān)控系統(tǒng)可以從兩個方面進行，一是設計硬件部分的安全監(jiān)控；二是實現(xiàn)軟件部分的安全監(jiān)控，從而組成完成石油鉆井安全監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)石油鉆機圖像數(shù)據(jù)信息的采集、圖像數(shù)據(jù)信息的處理、通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及輸出報警系統(tǒng)，實現(xiàn)石油鉆機的安全監(jiān)控。