修井机远程监控系统研究

苑承波，张洪光，刘健，田恒

（渤海装备中成装备制造公司，天津 300280）

随着数字化油田建设发展，建立基于SOA架构的石油物资装备完整性管理平台，集成风险评估系统和状态监测系统，从油井生产、设备安装使用、维护保养、数据分析等方面实现对油田生产设备的智能管控和监督。对于装备制造企业，基于设备的实时状态监测，多样化的信息汇总，以及大数据的统计分析，为工程装备的改进设计、生产制造、产品质量提升提供必要的数据支撑。同时变被动维修为积极主动的预防性维修、预测性维修，由传统的售后服务模式向“时时服务，终身服务”转变。

1 系统总体架构

修井机远程监控系统是对其运行数据进行远程传输，实时掌握修井机设备运行现状参数和关键图像资料，通过人机对话、双向互通及时对设备故障进行分析，实现修井机产品实时全方位监控。

（1）工作原理。修井机远程监控系统使油田公司和渤海装备公司各级管理人员通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时做出响应。远程监控系统管理模式如下：将来自各传感器的信号输入采集终端，采集终端将信号转换后通过网络转发到油田物质装备和渤海装备监控中心。监控中心的监控计算机对收到的来自前端的数据，通过软件界面进行显示。

（2）总体构架。远程视频监控系统由各个修井机现场数据采集子系统、数据传输子系统、近程人机交互子系统和远程监控子系统组成。修井机远程监控系统网络拓扑。修井机现场负责信号的采集，采集的数据由PLC集中处理，并传递给人机界面和信号发射装置。数据传输子系统将处理过的信号，通过远程中继单元以4G信号的形式传递给移动终端和远程监控中心。监控中心可以通过网络管理多个修井机现场子系统，能切换至任何一个监控点现场，实施总体监控，从而实现对每台修井机的监控。

2 现场数据采集子系统

修井机现场数据采集子系统包括动态数据采集、静态数据录入和设备数据存储等。采集的动态数据包括环境信息、现场作业信息、设备运行信息和维修、保养信息。环境、作业和运行信息由系统自动采集，维修、保养信息由用户录入。静态数据录入整车信息、底盘车信息、上装部件信息，静态信息由制造厂家录入，可供用户查询。

（1）动态数据采集。①数字量信号采集。PLC与电机动力系统DSP模块连接，接收DSP模块传输的数字量信号，采集数字量信号包括工作时间、消耗电量、进线电压、电机转速等；PLC接收编码器、继电器采集的数字量信号，包括绞车转速、过圈防碰信号等信号。②模拟量信号采集。模拟量数据包括液路系统压力、液路系统温度、起升缸工作压力、伸缩缸工作压力、气路系统压力、燃油箱液位、大钩载荷、变速箱油压等。③其他信号采集。地理位置信号采集：修井机上安装有GPS接收器，采集设备动态位置和时间等信息，远程监控系统自动在具有地理信息查询和地图匹配功能的电子地图上，对设备位置和轨迹进行显示跟踪。视频信号采集装置：采用多点摄录设备，并存储在当地，设备故障或发生安全事故时，可以读取数据，回放现场状态。

（2）静态数据录入。静态数据是对修井机的性能描述，主要包括整机参数、底盘车参数和主要部件参数。在整机出厂时，由制造厂家进行静态数据录入。

3 数据传输子系统

数据传输子系统采用tcp/ip和www技术，通过4G/GPRS无线传输方式，将数据实时回传至远程监控中心。

（1）通讯协议。通讯协议是根据石油天然气行业特殊环境在现有各种工业总线基础之上开发的用于数据传输的自定义协议，加入数据校验和容错算法，保证数据实时性和准确性。由于是自定义通讯协议，具有较强的保密性，在没有获得通讯协议授权之前是无法解析这些数据的。协议数据的传输依赖于现有的各种工业总线（如RS485、以太网等），该协议具备低冗余特性，便于复杂网络的数据传输。

（2）远程数据传输。DTU支持双通道传输数据，支持与多中心进行数据通信，支持域名解析功能。现场DTU把设备的运行数据、作业数据、报警信息、报表等数据通过4G或GPRS传输到监控中心服务器。

4 近程人机交互子系统

近程人机交互是以串行通信方式与PLC进行连接，通过软件界面的方式让修井现场操作者可以直观地管理设备，其内容主要包括系统设置、集中监控、实时监控、报警保养提醒、历史数据、预防性维护、维修记录、报表、技术资料等。近程人机交互界面如图1所示。

近程人机交互实现操作者与设备之间的沟通，通过趋势图、报警列表和数字等方式，反映出设备的工作状态，使整个修井作业过程可视化。同时接受操作者发出的各种命令和参数设置，用来更改作业工艺和控制设备运行。当发生报警时，首先在人机界面提示操作者，并形成报警列表，解释报警原因。

图1 近程人机交互界面

5 远程监控子系统

远程监控子系统架设在油田物资装备远程监控中心和渤海装备远程监控中心，远程监控中心涉及远程监测、设备管理、现场作业、数据统计/分析、故障诊断、作业统计和决策支持等功能，满足各个部门等不同层面的管理需求，实现多级数据自动同步和汇总，支持跨专业数据共享和跨专业业务协作，是一个一体化的决策管理平台，并且能为企业经营管理、生产安全管理、数据管理等其他业务管理提供相关数据依据。其主要功能如下。

（1）设备监控。监控设备的运行数据、状态和报警信息，及时掌握设备的健康状态。第一时间掌握故障情况、潜在隐患，及时的做出故障分析、诊断和评估，并进行工作调度和安排，快速的采取针对性控制措施，清除隐患，降低设备的维修费用。

（2）预防性维护。预防性维护可防止设备意外故障、意外事故。预防性维护可根据修井施工作业的规范、作业手册、操作卡等创建设备巡回检查计划、部件维护计划、作业施工安排等，做好事前预防。

（3）数据库技术。①故障代码库。建立故障代码库提高了数据的质量，使管理人员对设备维护的统计分析更加准确。②图像化数据分析。数据可以图像化显示，这样更直观的分析数据。通过分析可以获得关键绩效指标：平均故障恢复时间；设备利用率；设备完好率；设备寿命周期成本；综合利用率；设备停机率。 修井时效指标：系统可以将修井工程全井段各项作业消耗的时间，通过饼图，柱状图或折线图进行描绘。用户可以清晰的了解各项作业所占用的工程时间比例和整个钻井工程的时间消耗趋势。③统计分析报表。统计分析报表为设备管理部门制定维护计划、提高设备的生产效率、降低设备故障率提供充分的科学依据。为设备制造商持续改进设计、制造提供数据支撑。

（4）手持终端。监控数据中的记录、文档查看等动作都可以在手机、平板电脑、PDA等移动设备中完成。当有报警或异常信息时，服务器自动把信息推送到移动设备上，保证信息响应的及时性。在修井机每个部件上都有二维码标识，使用手持设备扫描二维码便可快速获取设备的信息后，填写维护记录、检验记录、状态变更等信息。

6 结语

修井机通过远程监控系统，加强了用户对设备使用和维护信息的跟踪管理，有效地提高设备的可靠性、可控性和安全性，延长了设备使用周期，提高设备管理的水平和效率。同时为制造厂实现了设备监控、维护、统计分析、大数据建立、再优化调整的闭环，帮助制造厂提高了产品经济效益和市场竞争力。