信息化辅助监控系统在油气行业中的应用研究

摘  要：物联网和大数据、云计算技术的不断发展完善，带动了油气行业研究智能联控信息化辅助监控系统的需求。为了真正实现“智慧油气田”，进行了带外网络管理平台与基于数据采集器构建的井站信息化辅助功能系统的研究。研究旨在探究系统的应用潜能，以实现通过辅助监控系统减少现场派工，方便故障排查并实现无人化，利用设备完成对重要数据的直观监测，辅助技术人员更有效率地完成生产建设任务。

关键词：数据采集器;数据透传;串行通信;带外网管

中图分类号：TE938;TP277     文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0100-04

Abstract：The continuous development and improvement of internet of things，big data and cloud computing technology has driven the demand of oil and gas industry to research intelligent joint control information auxiliary monitoring system. In order to realize “smart oil and gasfield”，this paper studies the outband platform and the auxiliary function system of well station information based on data collector. The purpose of the research is to explore the application potential of the system，so as to reduce the on-site dispatching through the auxiliary monitoring system，facilitate the troubleshooting and realize unmanned，use the equipment to complete the intuitive monitoring of important data，and assist the technical personnel to complete the production and construction tasks more efficiently.

Keywords：data collector;data transparent transmission;serial communication;outband

0  引  言

油氣行业现有的通信系统、生产信息化辅助系统及自控系统的故障确认及记录，均采用人工确认告警，台账报表记录方式进行管理。技术员在受理故障时，接到的往往是故障报告（如：通信中断），要查出故障原因就必须进行回溯摸排。由于停电及设备死机等原因都可能造成通信中断，处理人员在排查时必须依次检查，所以故障处理的效率很低。

一直以来，信息化生产维护方式是以技术小组为单位，实行技术人员对生产区域的承包责任制。当技术人员数目和技术素质足以满足设备维护需求时，生产区域的正常运作就能得到有效保障。然而，随着生产系统的不断优化，应用的系统种类的数目和型号越来越多。

生产系统的无人值守化需要大量设备及系统硬件，而硬件需要合理的管理优化才能发挥最大的效能。从统计学的角度看，由故障率计算公式分析得知，当需要处理的故障对象N增加到一定数量之后，平均无故障时间MTBF会减小，设备发生一般性故障（如：设备宕机、线路阻断）的次数会直线上升。忽略掉因为各种因素导致故障无法处理的情况，假定每个技术人员都能独立处理完成，那么这些一般性故障的原因排查加上现场状况恢复确认的任务，汇总起来工作量就十分可观。因此，传统的故障处理方式始终存在人力、时间、设备工具、车辆等资源问题。

目前石油行业井站的巡检方式为：从总部派遣人员车辆，按季度和片区到井站现场进行巡检。人员开具作业票或操作卡，经属地人员辨识。运用智能防爆终端，对已标记的设备进行二维码电子巡检及拍照、检查设备间环境、排查线路端口、查看设备运转状况、检查有无告警。每年的故障排查与问题处理解决都会消耗大量的人力物力资源。

1  油气井站故障状况的现状分析

1.1  井站的故障处置流程

（1）通过微信平台、属地及巡检运维人员电话、运维QQ群、电话报障平台、生产监控平台告警的检查反馈进行故障确认。

（2）联系距离现场最近的井站管理人员/巡检人员，或是运营商/承包商对故障情况进行确认，拍照反馈。尝试用人工重启设备及检查线缆端口状况等一般方式恢复。如果设备支持带内网管功能，请求总站技术专家进行远程故障排查。

（3）一般方法测试及远程故障排查处理无效后，安排外聘技术专家至现场配合井站属地及巡检人员排查故障。如有必要，安排联系中心专家或故障设备生产厂家配合进行故障处理。

1.2  故障情况分类

目前油气行业的生产系统包括：光通信系统、网络传输系统、视频安防系统、大屏系统、电源系统、双向语音对讲系统、太阳能系统、设备间动环监控系统及其他系统。经统计的故障实例如表1、图1所示。

1.3  以往故障数据统计

根据石油行业某单位的“2019年运维故障登记”得出了以下主要统计结果：

2019年总计发生约425次网络传输故障，主要故障原因包括：11次电源故障（不包括空开跳闸、停电）;36次设备死机（含RTU及路由器交换机，原因基本为死机、温度过高、端口堵死，经重启后能恢复）;22次UPS/UPD及太阳能系统故障;48次停电、空开跳闸故障。其中，使用了耗材及备品备件完成修复的故障总计约59次;重启设备完成的故障处理及判断约36次。

2019年年内总计发生约324次视频安防系统故障，主要故障原因包括：接头端子或线缆故障约54次;设备死机造成的故障约21次。其中，使用了耗材及备品备件完成修复的故障总计约53次;重启设备完成的故障处理及判断约64次。

2019年年内总计发生约107次电源系统故障，主要故障原因包括：UPS/UPD及故障8次;停电、空开跳闸故障26次。其中，使用了耗材及备品备件完成修复的故障总计约10次。

2  选题目的及意义

为了有效提升单井站的故障处理和运维效率，帮助现场人员更好地完成生产任务，提效率、降成本、增效益，实现运维巡检智能安全且高效的目的，我们计划应用市场上现有的成熟技术产品搭建硬件，在生产环境中进行测试实验，验证方案可行性。通过技术手段实现管理人员的权限分级管控，消除单井站故障监测盲点，实现故障事前预防预警、故障历史记录及分析。完善跨平台业务协同，实现带外网络管理的功能，方便管理人员通过移动终端读取数据。对在用系统实现动态跟踪分析，生产过程全监测，设备状态自动诊断，挖掘数据资源价值。

3  信息化辅助监控系统设计选型

3.1  嵌入式串口处理以太网传输模块监控应用

不同系统的设备，如交换机、UPS、路由器、RTU控制器等，由于存在专业用途的差异性，加上厂家规格的不同，很难进行集中访问控制。但是各个系统仍支持主流的串行通信接口（RS232/RS485/RS422）。如图2所示，框内为UPS/UPD电源背板的RS485、RS232接口。

我们计划利旧井站现有设备的串口，运用一种专门的嵌入式设备处理串口数据。在参考了行业标准及规范后，考虑运用以太网透传TCP/UDP协议，并配合Modbus协议的主从服务模式来监控前端设备的状态，把井站设备串口读取到的数据信息传输到统一的上级管理站进行管理。计划监测的内容包括UPS/UPD、网元设备（带网管功能交换机及路由器等）、自动控制等系统的数据。

当透传的数据被接收以后，上级管理计算机可以使用不同的应用对数据进行编辑和操作，从而方便人员管理。进而不需要再到单井站现场处理操作，以此提升效率。

系统最終选用了NP801三合一串口设备联网服务器。这是一种ARM架构的嵌入式系统设备，能够通过以太网传输RS232/RS485/RS422制式的串口数据，对接现有的主要通信自控设备，工作原理简单有效，是一种带外网管工具，无需投入大量资金更换或升级原有软件和硬件系统方案，产品经过市场检验，高效、安全、稳定、简单有效。如表2所示是总结的设备部署效益分析。

NP801部署必备条件：分配1个局域网IP地址;局域网路由可达。通过该设备对串口数据进行收集汇总。

3.2  远程数据采集终端部署

由于单井站现场仍存在I/0接口的监控需求。为了对这部分接口进行处理，选中了金鸽科技的几款监控模块（Supervision Module），旨在配合组态软件及内网服务器，用多端显示的方式读取数据，利用数学工具统计分析。

这种数据采集终端类似于RTU的工作方式，主要针对一些I/0接口设备的数据接收，如传感器、继电器、控制器、PLC及RTU等设备，其可以进行的状态监测如：机柜内温湿度、蓄电池内阻状态、UPS/UPD监控、太阳能系统光照强度、雷击及静电防护、红外线探伤、微波探伤、蓄电池氢气浓度及可燃气体浓度等。也可以用于自控的井安、压力、流量监测。

这些模块可以实现对空调调温器的控制、PDU及电源设备的硬重启，把控生产过程监测与报警，以及实现物联设备的自诊断。希望通过这套监控模块尽可能减少工作人员的工作量，提升效率。监控模块的详细情况如表3及图3所示。

4  信息化辅助监控系统应用

4.1  搭建带内网络管理平台

（1）搭建硬件测试环境：完成电源线缆及设备电源的安装，测试使用NP801的RS232接口连接AR1200路由器的Console口，NP801的RJ45接口连接局域网交换机，通过局域网内的测试电脑（假定为最终数据汇总管理计算机）进行测试，检验对AR1200的数据查询及配置功能（带外网络管理）。

（2）局域网内电脑使用配置软件，搜索NP801设备，进行数据配置设置选用串口种类及通信参数。（此处测试电脑IP地址为10.90.123.181，将NP801地址配置为10.90.120. 249）完成数据配置后，用ping命令测试至NP801的网络可达情况，确认无误。

（3）在测试电脑上使用网络调试软件Xshell（根据对串口数据的应用目的，可以选择不同的管理软件，如组态软件或CRT等）新建会话。建立对NP801的Telnet访问会话，实现对AR1200路由器的访问及控制。

（4）建立并保存多主机会话，统一管理。

4.2  部署远程数据采集终端及应用

（1）要使用设备，首先要安装驱动程序，用专用软件完成配置。以添加设备及采集设备温湿度为例，部署一套设备的查询控制用例。

（2）打开浏览器，进入设备管理地址（此处应用了动态网页管理服务）。显示登录页面，输入账号密码登录，显示主界面。系统登录界面支持二维码扫描登录。在首页，会显示设备管理的主界面，可以了解在用的用户数量、下属机构、待确认告警、已处理告警、设备总数、在线设备数量、离线设备数量及任务数（逻辑任务），方便管理人员查阅统筹管理。

（3）添加设备，完成设备名称命名，检查数据采集器收集的数据。在设备管理页面，绑定每个设备的序列号，对设备名称进行命名，手动添加设备在GIS界面的定位（一般为人为修改定位地址，部分设备支持自动定位，如S475），可以根据需要定制VPN地图，完成设备数据点的校验添加及参数设置。

（4）创建告警任务，根据需要指定触发器逻辑命令，触发器根据需要设置关联点位、条件、名称及转发对象（触发器可进行克隆以批量复制）。在左侧的任务栏，选择任务管理-触发器管理，点击创建触发器。在创建触发器管理页面，选择设备及数据点，设置触发条件。关联推送信息方式，完成对温湿度条件告警的设置。

（5）完成设备创建后，在设备管理主界面显示出新建设备信息以及触发器信息。主界面显示出设备告警及设备数量，告警信息显示出设备名称、序列号、数据点名称、触发时间、告警条件、触发值及推送数量。告警页面可以设置告警信息确认。

至此，设备管理界面设置完成，告警信息可成功通过触发器显示，实现了对温湿度传感器的数据接收。

5  信息化辅助监控系统效果检测

带内网络管理平台界面图如图4所示。

带内网络管理平台部署后，系统可以完成对AR1200设备的查询控制。后续在一部分无人单井站及部分设备间尝试了使用NP801串口转换器建立管理平台。通过NP801能够成功读取到RS232/RS485/RS422等串口的数据，根据需要可以应用特定的管理软件进行数据处理。如OpenView、CiscoWorks、Tivoli这类的网管软件系统都是带内网管。网管系统必须通过网络来管理设备，如果无法通过网络访问被管理对象，带内网管系统就失效了，接下来就要使用带外网管系统。

带外网管是网管系统中的紧急通道。方便了巡检运维工作，避免了系統安全依赖于局域网网络条件所受的限制，减少了故障排查时间，提升了效益。井站的设备串口得到了充分利用，帮助总站运维人员实现了技术管理的方法提升。

部署的远程数据采集终端及应用，很好地实现了对传感器I/O数据点位的数据采集及集中显示。系统可以方便地搜寻需要的设备、点位、人员等历史信息，即具有可追溯性，并可以根据需要创建管理机构组织及管理人员角色，对管理员权限进行有效把握。可以实现对告警信息、设备上下线、设备控制信息的查询。另外，系统支持数据的表格及图像分析，支持表格数据的导出，方便人员对数据的统计，按需求可增加数学处理模块，建立数学模型。数据信息可以选择推送服务，如可以设置提供中间推送服务商。指定accessKeyID、accessSecret及AppID，保证网络安全。

6  结  论

带内网络管理平台与远程数据采集终端系统为油气巡检运维质量提升探寻出了新的解决途径，减少了运维消耗理论时间，减小了路途上的风险，巡检运维管理效率能够获得有效提升。部署的系统非常实用，能够有效解决我们现实工作中的绝大部分问题。降低人员的劳动强度，简化工作流程，实现降本增效。

该数据采集系统支持接入多种通信协议，提供多种网络接入方式，可实现实时信息交互，并且可通过接入不同的硬件模块，实现多种功能的扩展，应用前景十分广阔。在中国，随着两化融合的大力实施，以及物联网和大数据智能控制技术的完善，相信信息化辅助监控系统也会顺应发展潮流，不断地进行更新变革。

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作者简介：廖恒（1994—），男，汉族，四川自贡人，助理工程师，毕业于四川大学锦城学院，本科，研究方向：机械电子工程。