基于移动应用的油田安全自动化监控

刘军全,沈志成,叶明媛

(中石油长庆油田分公司第七采油厂，陕西 西安 710299)

张爽,崔志翔,郑亮

(北京华油明信能源技术有限责任公司，北京 102200)

基于移动应用的油田安全自动化监控

刘军全,沈志成,叶明媛

(中石油长庆油田分公司第七采油厂，陕西 西安 710299)

张爽,崔志翔,郑亮

(北京华油明信能源技术有限责任公司，北京 102200)

通过搭建基于移动应用的油田安全自动化控制模型，介绍了WCF远程通信、设计模式、阿里云服务、研华ADAM-6017模拟量输入输出模块、索福达可燃气体变送器等技术应用和设备使用方法，其中包含了该模型的核心算法以及代码。自动化监控系统基于联合站现有安全监控识别设备，采用物联网和云服务技术，整合管理多类型气体监控设备和场站控制器，完成包括数据采集、信息识别、网络传输、自动化控制的功能，将报警信息通过生产数据网络传输至云服务，同时分发消息至场站监控室和用户移动客户端，通知用户险情信息，触发警报并控制单位门禁系统联动。

油田安全；自动化控制；单件模式；WCF全双工；模拟量输入；云服务；变送器

作业区联合站对原油进行储存、输送、加热、计量等，在整个的输送及操作过程中，由于液体腐蚀、设备泄露或其他原因，可能导致相对封闭空间内有可燃气体泄露的风险。场站内虽已安装相应的探测及报警设备，以警报通知等方式预警，但缺少将警报与应变动作相关联的自动化方案，如封闭门禁自动开启、通风系统自动开启、移动网络消息传送等。模型建设通过将报警信号、设备信号、门禁信号、移动设备信号进行统一关联，联动设置，能够更快、更安全的处理突发事件。

1 设计方案

移动应用下的油田安全自动化控制模型主要是基于自动化控制，将控制系统的相关数据通过移动互联网进行传输、存储、展示。自动化控制模型采用工业常用的可燃气体变送器、电子门禁系统，移动应用则通过web方式进行数据的展现。“可燃气体变送器”接收可燃气体浓度数据，发送至“模拟量输入输出模块”。“模拟量输入输出模块”将模拟量转换为数字信号，通过以太网络发送至“数据采集服务器”；“数据采集服务器”可根据采集到的气体浓度值判定是否通过modBus启动“风扇”。“数据采集服务器”通过HTTP协议将数据封装，发送至“云服务”。“云服务”接收数据后进行存储并进行逻辑判断：当气体质量浓度大于45mg/L时，通过TCP/IP协议向远程执行结构“门禁”系统发送开门指令。远程“门禁”系统接收到开门指令后执行开门操作。移动应用终端通过移动网络查看传感器工作情况，包括气体浓度、门禁状态(开门、关门)、风扇状态(启动、停止)。

1)可燃气体变送器为索福达SDF-600型变送器，广泛应用于石油化工、燃气输配、建筑材料、核能及国防工业、冶金、船舶制造、海洋石油开采等行业。变送器与控制系统之间支持开关量信号输出、4～20mA工业标准信号输出、RS485通讯总线连接，其供电方式采用直流24V。

2)采用“研华科技ADAM-6017”的模拟量输入输出模块。该模块收集所需资料的同时也可透过数据采集模块进行现场的自动化控制。它支持8个不同的讯号源，且模拟量输入支持不同范围的电压、电流；同时也提供2个数位输出端口(开关量)，可连接电磁阀、继电器、报警灯、闸门，实现自动化控制。模拟量输入转换数字信号后通过以太网的TCP/IP协议送出。

3)执行机构采用了电子门禁系统。该门禁系统有一套完整的机械执行机构，且具备智能系统特点，可以通过网络接口、USB接口、串口进行管理与数据通信；同时具备一定的事件抛出功能，如开门、验证、登录等事件。

4)云服务器(Elastic Compute Service 简称ECS)是一种简单高效、处理能力可弹性伸缩的计算服务。其特点：提供全网唯一IP地址以及高效的域名解析；可提供云盘数据，可靠性不低于99%自动宕机迁移、数据备份和回滚系统性能报警；防DDoS(Distributed Denial of Sewice,分布式拒绝服务)系统、安全组规则保护、多用户隔离、防密码破解；10min内可启动或释放百台云服务器，5min内停机升级CPU和内存、在线不停机升级带宽。

2 关键技术

2.1 WCF全双工通信

模型中的“执行机构”服务器作为整个系统的执行客户端，需要接收云服务器发送的“开门”指令，因此采用WCF的全双工通信。服务器可在需要的时候通过回调机制执行客户端特定的程序接口。WCF全双工通信采用“NetTcpBinding”绑定协议。

双工接口定义如下：

[ServiceContract(CallbackContract=typeof(GasProbeCloudService.ID3Contract))]

public interface IDC_Service

{ //心跳监测

[OperationContract]

void Heartbeat();

// web端的执行方法,用于驱动执行机构注册的回调方法

[OperationContract]

stringRunCallBackOpenDoor();

}

[ServiceContract]

public interface ID3Contract

{

[OperationContract]

stringDoorDeviceDuplexExecuture();

}

2.2 模拟量读取

模型采用的是ADAM-6017，故使用ADAM-6017的配套开发工具包实现对ADAM-6017的数据读取操作。具体过程如下：

1)定义ADAM模块对象，指明模块类型(6017、6018……)。

AdamSocketadamModbus=new AdamSocket()；

Adam6000Type m_Adam6000Type=Adam6000Type.Adam6017；

2)获取ADAM对象的模拟量输入端口、数位输出端口的个数，这是由设备类型决定的。

Intm_iAiTotal=AnalogInput.GetChannelTotal(m_Adam6000Type)；

Intm_iDoTotal=DigitalOutput.GetChannelTotal(m_Adam6000Type)；

3)通过网络连接ADAM硬件对象。

adamModbus.Connect( [ip地址],ProtocolType.Tcp, [端口号]);

4)定时调用数据读取接口，转换对应的逻辑数值。

int[] iData;

adamModbus.Modbus().ReadInputRegs(iStart, m_iAiTotal, out iData)；

5)数位输出控制。

// 读取数字开关状态 ADAM 6017具备两个数字输出

Bool [] bData=null;

adamModbus.Modbus().ReadCoilStatus(iStart, m_iDoTotal, out bData)；

// 设置第一个数位输出状态为接通状态在模型中该端口控制风扇电源接通状态

booliOnOff=true;

intiStart=0;

adamModbus.Modbus().ForceSingleCoil(iStart, iOnOff)。

2.3 移动应用端

当“数据采集服务器”完成云端上传后，云端服务器通过IIS向基于移动应用WEB端提供实时数据发送。为了能够使多种移动应用平台访问数据，模型采用基于HTML页面方式提供。

HTML页面使用JAVASCRIPT通过ajax定时向后台发送HTTP数据请求；后台将请求结果封装为JSON格式返回前台，由javascript负责数据解析、显示。后台则使用C#编写的一般HTTP处理程序。

public class GasValuesService : IHttpHandler

{ // 为提升效率,只在对象第一次被构建时创建WCF访问客户端实例以静态变量形式存储

private static GasProbeCaptureCloud.GPC_ServiceClientgpcClient =

newGasProbeCaptureCloud.GPC_ServiceClient()；

……

public void ProcessRequest(HttpContext context)

{context.Response.ContentType="text/plain"；

string text="";

if (GasValuesService.gpcClient.State !=

System.ServiceModel.CommunicationState.Opened)

{GasValuesService.gpcClient.Open()；

}

if (GasValuesService.gpcClient.State == System.ServiceModel.CommunicationState.Opened)

{// text=GasValuesService.gpcClient.GetGasValuesJson("", 0);

}

context.Response.Write(text);

}

……

}

3 注意事项

1)系统模型主要是基于技术上的原理与实现，在显示应用中应强化网络安全的管控。

2)“执行机构”往往在执行动作指令时是需要一定的时间来完成，因此在应用过程中应注意避免在一次执行动作尚未完成前再次发送执行指令，避免设备损坏或过度消耗。

3)模型中所采用的变送器只是为了说明整个系统结构和原理，在实际应用中应结合具体传感器进行针对性的程序开发来完成数据采集。

4)模型中的ADAM-6017 与可燃气体变送器的接线规则分为“三线”和“四线”2种方式，具体内容如下：三线方式，前提是变送器数量少，且模拟量输入输出有足够大和多余的电流来驱动变送器；四线方式，前提是变送器多，传输距离远。

4 应用评价及扩展应用

系统经过实际开发，在联合站进行应用试验。模拟场站计量间可燃气体探测器信号触发，通过SCADA系统传输获取到探测器报警信号，将模拟数字信号转换为二进制信号，通过生产网络上传至厂级云服务数据库。

在厂级云服务系统中，部署数据分发服务，将信号分发给场站控制室；在控制室部署门禁激活服务，接受信号并控制门禁系统自动开启；云服务能同时将报警信号按预设规则分发到指定用户的手机，提醒用户查看并处理报警信息。

可将系统应用扩展至其他联网设备，如高清摄像头、红外闯入监控、烟雾报警设备、明火探测设备等，通过解析相关设备的数据参数，将这些设备信号进行采集和处理，传送至厂云服务系统，从而按需分发给相关应急设备及通知相关单位及个人，达到提高油田生产安全的目的。

[编辑] 帅群

2016-09-20

刘军全(1973-)，男，高级工程师，现从事油田开发和综合地质研究；liujunq_cq@petrochina.com.cn。

TE938

A

1673-1409(2017)11-0091-03

[引著格式]刘军全,沈志成,叶明媛，等.基于移动应用的油田安全自动化监控[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(11):91～93.