电动钻机电视监控系统技术现状及优化方案

史金红，李庆福,2，李云鹏,2，李博，李娜，杨丰博，王红樱，尚卓，冯帆

（1. 宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721000；2. 国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721000）

0 引 言

目前电动钻机系统设备较多，随着油田用户对电动钻机信息化及自动化水平需求的提高，很多电动钻机都配置全套管柱处理设备以便完成钻杆（油管）、钻铤或套管等管柱的输送、连接和(或)排放作业。为保证司钻能够实时监控钻井设备的运行情况及管柱处理设备之间钻杆等的顺利交接，必须配套多个监控摄像头，司钻在司钻房内通过电视监控系统显示器查看监控画面，对关键设备进行实时监控并辅助司钻完成设备精确操作，保证钻机安全可靠运行。

电动钻机每个关键设备至少配置1个高清网络摄像头进行监控，1台电动钻机大概配置15个高清网络摄像头，有线电视监控系统采用有线连接方式，每个摄像头均与司钻房内控制器采用一根视频信号电缆进行连接，导致司钻房线槽内电缆众多、布线困难，同时视频信号电缆容易受到动力电缆的电磁干扰，影响图像质量。另外，有些监控摄像头距离控制器较远，视频信号电缆长度超过100 m后会引起视频通信减弱或中断，影响图像质量，甚至无法接收到摄像头的监控画面。为了彻底解决现场布线困难、电磁干扰、信号衰减及监控点距离限制的问题，提出采用无线电视监控系统的解决方案。

1 电动钻机电视监控系统技术现状

目前电动钻机一般配置15点有线电视监控系统，系统主要由控制器、操作键盘、显示器、摄像头、视频信号电缆等组成，系统各设备间通过有线电缆进行连接。控制器、操作键盘、显示器均安装在司钻房内，摄像头安装在相应监控点处，监控点主要包括绞车滚筒、振动筛、固控区、泥浆泵区、排管架区、二层台、高位吊卡、铁钻工、钻台面立根盒、钻台机械手、井口、猫道、二层台机械手、天车顶部滑轮。

存在的问题：1）目前电视监控系统监控点数量特别多，并且每个摄像头与司钻房内控制器均有一根视频电缆进行连接，视频信号电缆数量特别多，布线困难，同时视频信号电缆容易受到动力电缆的电磁干扰，影响图像质量。2）目前电视监控系统的摄像头均采用高清网络摄像头，视频信号电缆长度超过100 m后会引起视频信号减弱或中断，影响图像质量，甚至无法接收到摄像头的监控画面。

2 电动钻机电视监控系统优化方案

采用无线电视监控系统方案，取消摄像头与控制器之间的连接电缆，摄像头与控制器之间采用无线传输方式传递视频信号及发送指令。系统主要由现场监控单元、现场通信单元、现场控制及显示单元、远程传输单元、后台监控单元、移动监控终端组成。采用网络IP高清摄像头，摄像头与控制器之间通过无线网桥以无线传输方式传输视频信息及发送控制指令，在司钻房及摄像头区域配置无线网桥，在摄像头布置集中的区域配置网络交换机，并将多个摄像头与网络交换机采用网线连接，网络交换机与无线网桥之间也采用网线连接，通过无线网桥将区域内各个摄像头的监控视频信息发送至司钻房内监控控制器，并在司钻房监控显示器上进行图像显示。可通过无线远程传输方式将钻机现场控制器内的视频信号传输至队长办公室后台监控单元，队长办公室后台监测单元与4G网络进行连接并将监控画面实时导入监控软件页面，钻井公司管理人员可在手机上安装监控客户端软件，通过互联网实时查看远程的监控视频，实现全天候的监控。

无线电视监控系统具有如下优点：1)高灵活性。不受电缆的限制，具有灵活的扩展性，可以在钻机的任何位置，随时轻松添加新的监控点，并可更改旧的监控点位置。2)抗干扰能力强。避免钻机现场动力电缆对视频信号的电磁干扰，保证高清视频质量，提高系统的抗干扰能力。3)视频信号传输距离远。摄像头与控制器之间采用无线远程传输方式进行图像传输，传输距离远超100 m，完全满足钻机现场使用要求。4）可移动性。允许井队管理人员在任何时间，通过移动监控终端查看钻机现场的监控视频。

无线电视监控系统单线图如图1所示，图中实线连接为有线通信，虚线连接为无线通信。

2.1 现场监控单元设计

现场监控单元主要由摄像头和网络交换机组成，采用网络IP高清摄像头并具有夜视功能，在摄像头集中区域配置一个网络交换机，摄像头均通过有线通信网线连接至网络交换机，每个网络IP高清摄像头均具有独立IP地址，控制器通过不同的IP地址控制不同的摄像头，进行摄像头调焦、云台旋转控制。监控绞车滚筒、排管架区、二层台左侧、钻台面立根盒、钻台机械手天车顶部滑轮的摄像头均安装在左侧井架上，监控二层台右侧、高位吊卡、铁钻工、井口、猫道、二层台机械手的摄像头均安装在右侧井架上，在井架左右两侧各配置一个网络交换机，将安装在井架两侧的摄像头分别连接至各自的网络交换机。监控固控区的摄像头安装在固控区，监控振动筛的摄像头安装在振动筛罐面上，监控泥浆泵区的摄像头安装在泥浆泵区。监控排管架区、二层台左侧、二层台右侧、高位吊卡、铁钻工、钻台面立根盒、钻台机械手、猫道、固控区、振动筛、泥浆泵区的摄像头带旋转云台，其余监控点采用固定式摄像头。

网络摄像头是传统摄像机与网络视频技术相结合的新一代产品，除了具备一般传统摄像机所有的图像捕捉功能外，机内还内置了数字化压缩控制器和基于WEB的操作系统，使得视频数据经压缩加密后，通过无线传输方式发送至控制器。网络摄像头采用CMOS图像传感器，其原理是利用感光二极管进行光电转换，将光像转换为电子数据。CMOS传感器不仅有突出的性价比优势，而且CMOS能够输出RGB、YUV、CCIR656等数字信号[1]。网络摄像头支持ONVIF、RTST或TCPIP等主流通信协议，同时IP地址可更改。摄像头不低于200万像素，主码流分辨率为1920×1080。

图1 无线电视监控系统单线图

2.2 现场通信单元设计

现场通信单元主要由无线网桥组成，采用无线传输方式，无线网桥可以用于连接2个或多个独立的网络段，无线网桥有3种工作方式：点对点，点对多点，中继连接[2]。在井架左右两侧、钻台右偏房上面、振动筛罐面、泥浆泵区、固控区、司钻房各配置一个无线网桥，井架左右两侧的网络交换机分别与井架两侧的无线网桥进行有线通信连接。司钻房的无线网桥分别与井架左右两侧、钻台右偏房上面、振动筛罐面、泥浆泵区、固控区的无线网桥进行无线通信，接收来自各区域摄像头的监控图像信息及向各区域摄像头发送控制指令。

无线网桥就是无线网络的桥接，除了具备有线网桥的基本特点之外，比其它有线网络设备更方便部署。无线网桥工作在5.8G频段，传输距离远，信号强，带宽和传输质量有保证。局域网在传输范围方面有很大的局限性，采用无线网桥可以有效地提高网络的拓展性和延展性，可以连接相距较远的局域网或广域网，提高数据传输效率及数据信息共享。

2.3 现场控制及显示单元设计

现场控制及显示单元主要由控制器、显示器、操作键盘等组成。控制器主要由主电路板、网络交换机、变压器、硬盘等组成，主电路板用于视频信号采集、视频信号处理、视频信号输出等；网络交换机用于各网络摄像头的IP网络连接；变压器用于将原边220 V变压为副边24 V摄像头工作电源电压；硬盘用于存储图像信息。具有图像回放功能，便于历史查询。

控制器与司钻房无线网桥之间采用有线通信连接，控制器通过司钻房无线网桥接收来自各摄像头的监控图像并在显示器上进行图像显示。控制器采用32通道，预留足够数量的备用通道，系统可实现32画面分割多画面显示。在司钻房内通过系统操作键盘向控制器发送指令，控制器通过不同的IP地址控制不同的摄像头，进行摄像头调焦、云台旋转控制。同时可对显示器画面进行切换操作，根据需要切换不同组合显示画面。

2.4 远程传输单元设计

远程传输单元主要由无线网桥组成，在司钻房和队长办公室分别配置一个无线网桥，司钻房内控制器与司钻房无线网桥之间、队长办公室无线网桥与队长办公室后台监控服务器之间均采用工业以太网通信方式进行连接，通过无线网桥以无线传输方式接收钻机现场监控图像信息。无线通信中的信息传输是以电磁波为传输载体，信息数据通过电磁波的传输，到达指定接收的服务器中，不受任何电路的范围限制，方便快捷[3]。

2.5 后台监控单元设计

后台监控单元主要由1台后台监控服务器、1台21.5 in液晶显示器、1个鼠标等组成，后台监控单元安装在队长办公室。队长办公室无线网桥与后台监控服务器之间采用有线通信连接，将钻机现场的监控图像信息发送至后台监控服务器，通过鼠标进行图像的切换操作并在显示器上进行图像显示。队长办公室人员可实时了解钻机关键设备的运行情况。后台监控服务器用于图像信息的存储及处理，并具有图像回放功能，便于历史查询。

后台监控服务器可接入4G网络，在后台监控服务器中设计视频监控软件页面，用于将接收的钻机现场监控视频实时导入视频监控软件页面，视频监控软件页面设置登录账号和密码，可通过互联网实时查看钻机现场监控图像信息。

2.6 移动监控终端设计

钻井公司管理人员可采用手机作为移动监控终端设备，并在手机上安装视频监控软件客户端，输入正确的授权账号和密码后，通过互联网访问后台监控服务器的视频监控软件页面，随时随地远程查看钻机现场监控图像信息。在最短的时间内获取自己最关注的监控信息，实现完全意义上全天候监控。移动监控终端操作简单、便携，可以授权多用户登录，为钻井公司管理人员实时掌握钻机现场设备运行情况提供了有力保障。

3 结 语

通过采用无线电视监控系统，彻底解决了电缆布线困难、电磁干扰、信号衰减及监控点距离限制的问题，对关键设备进行实时监控并辅助司钻完成设备精确操作，提高司钻操作钻井设备的准确性及安全性，保证钻机安全可靠运行。队长办公室人员可在后台监控单元实时了解钻机关键设备的运行情况并可对图像进行回放。钻井公司管理人员可使用移动监控终端通过互联网访问后台监控服务器的视频监控软件页面，随时随地远程查看钻机现场监控图像信息，为钻井公司管理人员实时掌握钻机现场设备运行情况提供了有力保障。

（责任编辑 邵明涛）