准东油田监控系统升级探索

司长征 敖开栓 陈云飞 周继伟

摘要：准东采油厂2020年启动生产监控平台建设项目，对现有监控系统进行更新和升级，实现对全厂生产数据的统一管理和监控。升级过程中，引入最新的云计算和物联网技术，建立云平台架构体系，实现由C/S监控模式往B/S监控模式的转变。通过总结新系统在准东油田的应用情况，分析其与传统监控系统之间的区别，为油气生产物联网建设提供经验和思路。

关键词：准东油田；工业互联网；生产监控；云计算

一、前言

准东采油厂所辖油区位于准噶尔盆地古尔班通古特沙漠以东，总面积2.5万km2，包括火烧山、彩南、沙南、探井四个作业区，各作业区相对分散，间隔距离远。所辖油区地貌复杂，条件艰苦。部分位于戈壁和沙漠，部分毗邻农田和城市，后勤保障难度大，统一管理面临挑战。各区块油田自动化水平差异大，有些区块在二十世纪九十年代完成整装油田建设，自动化程度较高，有的区块基本没有进行自动化建设，整体物联网覆盖率较低，单井物联网覆盖率不到30%。现场生产管理、操作主要以人工为主。数字化油气水井站主要集中在彩南油田、北三台。准东采油厂基地未建设厂级监控中心，无法实现油田集中监控管理。2020年准东采油厂启动生产监控平台建设项目，在准东采油厂新建厂级生产监控系统1套，接入4个作业区油气水井和站库以及水务公司的物联网数据，实现对全厂的生产数据统一监控。

二、油田物联网建设现状及发展趋势

以PLC、RTU、DCS、SCADA为代表的油田生产监控系统实现了生产过程自动化监控与管理，为新疆油田安全生产和高效开发提供了强有力的保障[1]。前期油田信息化建设过程中由于缺乏统一规划、经验不足等原因，导致我国数字油田发展水平相对较低，主要存在以下问题：

（一）繁杂分散的数据库系统建设。随着油田企业的发展，总体上呈现出“重复建库，无序开发”的局面，各部门间业务和生产需求不一致，缺乏统一的协调管理，造成重复采集、重复建库、标准不一、重复开发等问题，常常同时部署运行多个版本的数据库，“信息孤岛”突显[2]。

（二）系统建设相对封闭。我国数字油田建设处于初级阶段，各企业、区域、部门等开展了基于自身发展情况的大量研究，随之建设部署了大量不同公司、不同功能的系统。业务和数据需求的不确定性和频繁变动，催生更多冗余项目。紧耦合的开发架构和建设公司的商业考虑，导致各系统间相对封闭，升级成本高昂，并与繁杂分散的数据库系统建设形成恶性循环。

（三）数据应用处于初级阶段。当前数据应用主要用于监控展示和报警，应用效率较低，远远没有达到智能化水平。

（四）建设质量问题突出。随着油田物联网建设的不断推进，数据量不断增加，传统监控系统的质量问题日益明显。一是数据质量问题，包括其本身的采集、存储质量和异构数据整合、共享的质量问题；另一方面是系统性能问题，无法满足后续建设需求，运行稳定性较差。

随着物联网建设的推进，数据规模不断扩大，生产管理更加精细化、安全化、智能化，对监控系统建设提出了更高要求。一是融合现有数据、平台，实现标准化建设，形成集中监控、分散控制模式；二是开发功能模块化、能够灵活部署、快速升级的高性能监控系统，提供更简洁的交互界面和更方便的后期维护；三是深挖数据潜力，提供更强性能和更贴合实际生产的数据应用[3]。

三、准东油田现有监控系统弊端和生产需求

（一）传统监控系统应用中的弊端

准东油田普遍使用GE公司提供的IFIX和三维力控公司提供的Force Control（力控）组态软件，且版本较老，该类软件实际使用中主要存在以下问题：

1.传统监控软件数据点容量有限，需要多套才能满足一个厂级规模需要，给监控管理增加了难度。

2.传统监控软件相对封闭，接口的吞吐性能不能满足大数据分析的应用需要。

3.监控软件是单机版本，无法满足全厂规模化应用与共享。

4.监控系统部署的计算机配置较低，短期内无法实现规模化升级。

5.现有监控系统专业化强，单独部署在每台计算机上，系统用户信息化水平不足以解决使用中出现的所有问题，系统维护依赖于专业工程师，导致维护部门工作繁重。

（二）准东采油厂生产需求

此次系统升级重点解决如下生产需求：

1.海量数据的采集与集中存储。通过分布式技术，可以集合多个节点的计算资源，满足全厂数据采集、存储的需要。

2.消除数据调用瓶颈，提供高速的数据调用接口，支持大数据应用，支持向A11、A2等数据推送[4]。

3.支持云组态，支持生产网内各岗位协同办公。

4.预留实时计算、先进报警管理（AAS）等前沿技术扩展接口，为后续利用油田大数据进行趋势预测和辅助决策留有余地。

四、平台架构升级

云计算被视为计算机网络领域的一次革命，因为它的出现，社会的工作方式和商业模式也在发生巨大的改变。准东采油厂基于石油生产业务场景，结合“私有云”技术，将传统C/S架构的单机版监控系统，升级为B/S架构的云平台。新系统架构上的升级带来以下优势：

（一）选用微服务架构，由一个或者多个微服务组成，系统中的各个微服务可以被独立部署，各个微服务之间是松耦合的，每个微服务仅仅关注于完成一件任务并很好地完成该任务。同时能更好地重用，后期升级、更新成本更低。

（二）用户可以通过浏览器访问新系统，不同于传统监控系统只能在固定计算机上使用，云平台授权用户可以在准东采油厂内任何地点瞬时访问此环境下的所有软件及数据，有效实现协同办公。

（三）传统监控系统安装在终端机器，对系统配置要求高，系统升级同时需要同步升级相应计算机。云平台对终端机器要求很低，系统升级也不会影响终端机器。该系统的部署，极大节省了准东采油厂硬件升级相关方面的支出。

（四）云平台系统和数据存储于后台服务器，极大减少了对前端监控计算机的资源占用，同时避免了被破坏的风险。

（五）监控系统部署于后台服务器上，仅需对此进行维护即可，极大减轻了相关人员的软件维护工作量。

五、平台性能升级

（一）传统监控系统单节点采集点数10万点以下，而云平台单节点采集点数支持10万点以上，最高能支持50万点同时采集，数据点秒级采集。

（二）对于连续地址的采集，传统监控软件需要建立多个采集点，云平台支持List集合，数据采集更加高效。

（三）云平台系统可保证所有用户全天24小时随时操作应用软件，调取数据；另外，系统的双冗余设计，能够使维护人员在不停止系统运行的情况下，快速有效地诊断、解决所遇到的问题，系统故障修复时间不超过2小时。

（四）系统运行可靠度R（t）（系统在规定工作时间内无故障的概率）不低于0.99。

六、平台功能升级

（一）两级监控模式

准东采油厂由于分布区域较广，主干线网络存在挖断的风险，故有两级监控需求，保证在主干网中断情况下仍然能继续监控。两级网络的定位为：厂级监控平台实现监控中心所有数据采集、控制、流程图展示、报表生成打印、与DMS服务器通信等。作业区级监控平台管理各作业区数据，在主干网中断情况下能继续监控。

（二）系统功能升级

通过研究准东采油厂当前系统弊端和生产需求，本次升级主要部署实时数据云平台、监控云平台、自动化数据管理平台三个模块，19个功能点。

1.实时数据云平台

实现全厂实时采集数据在同一平台的统一管理，解决传统实时数据库数据采集时效性与稳定性差、多级数据库间数据同步性能弱、数据共享能力不足等应用过程中的关键问题，利用实时数据进行数据挖掘分析成为可能，能够更加全面地发挥数据价值。主要功能包括实时数据采集、实时数据存储、实时数据管理和实时数据共享。

（1）数据采集：采用分布式采集机制，为每个设备创建独立并发体，突破传统监控系统并发能力限制，实现高效采集。本身集成了主流的采集协议，并支持特定驱动协议的定制化开发，而传统监控软件依赖于第三方控件。满足在最大数据量的情况下，系统扫描周期不大于15s。

（2）数据存储：支持分布式多节点数据存储机制，无限扩展数据容量。同时遵循以下原则：快速实时的键（key）/值（value）查找；支持用于运营和维护的非实时复杂查询；用于分布式应用的分布式数据存储；高容错；动态创建库表；主动互为备份数据；数据存储采用宽表设计。

（3）数据管理：点表配置管理、接入数据查询、实时指标计算。

（4）数据共享：实现与油田公司PHD数据的同步，并提供API、OPC数据访问方式。

2.监控云平台

面向准东采油厂各级生产监控相关岗位，搭建适应工业物联网发展趋势的监控管理平台，实现一套监控系统在不同管理层级的分级应用模式，实现功能包括首页、油气生产流程监控、油气处理监控、参数表、曲线分析、通信监控、报警管理、报警设置、间抽井管理、仪表异常统计分析功能，相较传统监控系统主要优化和增加以下功能：

（1）远程控制功能自主配置，无须编写脚本，可通过页面或数据库配置实现远程控制，如启停井、设置注水量等，并支持二次权限验证，保证操作安全性。

（2）功能模块自定义展示，系统提供可视化配置界面，用户能供自主选择想要展示的功能页面。如监控页面可随时设置显示/隐藏油井监控、水井监控等内容。

（3）自定义生产参数展示，用户可以根据生产需要，灵活配置需要展示的生产数据。

（4）开发首页功能，集中展示全厂关键信息，为宏观监控与管理者提供辅助决策支持。

（5）支持嵌入视频、云台系统等内容，支持井场拓扑展示。

（6）引入先进报警管理理念（AAS），分级、分类功能使监控岗聚焦事件本身，排除无效报警干扰。利用大数据计算推荐阈值，实现闭环管理。

（7）使用SVG矢量图进行组态绘制，监控画面自适应屏幕分辨率，具备更好的适应性。组件库批量设置和组态批量绑定功能，极大减少后期维护工作量。

3.自动化数据管理平台

该模块为新开发功能，能够通过可视化配置方式实现准东采油厂生产数据的自动整合、报表样式自定义，快速搭建报表平台，实现报表全程无纸化办公，完成从实时数据到生产数据、管理数据的自动整合，提升数据整合效率，并建立标准规范的生产动态数据库，为生产分析、优化等业务管理决策提供唯一可靠的数据源。主要特点包括：

（1）拖拽式报表定制模式，常规报表自主定制即可，极复杂报表支持定制开发。

（2）支持复杂计算模型的定时计算，自动生成计算指标。

（3）数据安全不丢失，数据吞吐性能可靠。

七、用户体验升级

（一）便捷的访问性：传统监控系统，每个计算机需要部署一台软件客户端，且需要配置“加密狗”，登录速度慢。而云平台只需一个浏览器，在网络具备条件的情况下即可访问。

（二）更自由的交互性：利用浏览器自身的特性轻松实现多屏展示，方便同时监控不同页面。

（三）更好的兼容性：使用浏览器进行系统访问，具备更好的兼容性，可与其他程序同时运行，开展组合任务。

（四）风格的多样性：传统监控系统实施结束，风格即固定下来，云平台可以任意切换，诸如白天、黑夜模式；字体页面等可以任意放大缩小，满足监控需求。

八、结语

通过生产监控平台建设项目的实施，建立起一套覆盖准东采油厂井—间—站各生产环节的数据采集与监控系统，促进了生产方式的转变，实现了油气生产管理水平和综合效益的提升。相较于传统监控系统，新部署“云平台”具备更高效稳定的性能、更丰富的功能、更强的适应性和更友好的用户体验。同时其架构上的优势，极大减少了采油厂在硬件方面的投资，后续系统维护、更新、升级也更加灵活，更具经济效益。本次系统升级既满足了生产需求，又对油气生产物联网建设提供了丰富的经验和更清晰开阔的思路。

参考文献

[1]谢亚莉，尹权，赵军，等.准东油田老区物联网系统的构建与研究[J].智能制造，2021（S01）：227-230.

[2]赵春雪，李兵元，韩梦蝶，等.基于物联网及云平台的油气生产物联网监控系统设计[J].中国管理信息化，2021，24（8）：128-130.

[3]齐明超.基于iFIX的油田联合站监控系统的设计与应用研究[D].大庆：东北石油大学，2018.

[4]陶峥，陈曾汉，张鹏.基于PLC与iFIX的SCADA系统的应用研究[J].微计算机信息，2009，25（19）：1-3.

作者单位：中国石油新疆油田分公司数据公司