边缘计算技术在“源、供、注、配”一体化智能注水监控系统建设中的研究与应用

刘宇闲 彭章保 彭玉芬 何海成

“源、供、注、配”一体化智能注水系统建设是智能注水系统建设的重要组成部分，是通过油田物联网配套建设，强化注水系统设备与设备、设备与流程之间的关联程度，提升注水运行管控水平的建设项目。较传统的SCADA系统集中运算监控系统，长庆油田第六采油厂强调本质安全、突出细节设计，围绕边缘计算技术在不同场景的落地应用开展了相关研究并成功融入了建设工作中，积累了宝贵经验，取得了一定成效，在支撑监控系统安全高效运行基础上为同类项目建设提供了借鉴和参考。

第六采油厂生产区域集中在陕西省定边县境内，覆盖15个乡（镇），矿权总面积3080平方公里，管理胡尖山、姬塬、新安边3个油田56个油藏，由于水源井、供水站、注水站、稳流阀组位置广泛分布于油区井站，呈点多面广的特点，注水系统运行管控难度较大。2010年起，第六采油厂遵循长庆油田数字化转型升级工作部署，相继完成了77口水源井，2座供水站、43座注水站数字化配套建设，基于SCADA系统实现了注水系统的远程监控。

2021年，长庆油田公司在智能油田建设中，提出了围绕“源、供、注、配”流程，开展一体化智能注水监控系统示范区建设工作部署，以解决设备与流程、设备与设备之间的控制关联度低，设备操控步骤多，智能化程度低的问题。

为此，第六采油厂围绕边缘计算技术在项目中的应用展开了相关研究。

一、边缘计算技术介绍

（一）基本原理

边缘计算，是指在靠近物体或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端运算和控制服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能等方面的基本需求。边缘计算涉足通信技术、运营技术、信息技术多个领域，与通信、数据聚合、芯片、传感、自控行业应用等多个产业链有着交叉和融合。

（二）功能设计

近年来，随着相关产业链技术的发展和提升，油田数字化设备性能得到了显著提升。RTU（远程终端设备）除基本的数据采集和控制功能以外，具备了数据计算和判断诊断的功能，PLC（可编程逻辑控制器）除仪表数据采集、机泵设备远程控制功能外，还支持SCL、ST等高级编程语言，能够为复杂条件判断和复杂程序的执行搭建平台。

（三）技術优势

通过对比，较传统设备组成控制系统，使用具有边缘计算技术的设备具有以下优势：

1. 实时感知采集，减少传输带来的反应延迟。

2. 计算（控制）下沉至边缘侧，可脱网离线正常运行。

3. 故障智能诊断、时钟同步服务，助于自动控制系统的安全稳定运行。

4. 提供的相关服务能实现计算卸载，规模化应用后可降低SCADA系统的数据采集、运行负荷，实现瘦身减负、简化功能开发难度，提高日常运维难度。

5. 云边组成的物联网系统可降低监控系统停机更新、故障检修时对生产造成的冲击和影响。

二、边缘计算技术在源供注配项目建设中的应用

（一）水源井单井监控

根据近年来的使用经验，传统设备水源井RTU仅能够实现简单潜水泵电机远程启停、状态监测、电参采集、井口压力和流程采集的基础功能。在源、供、注、配项目建设中，选用了可编程嵌入式架构的水源井智能保护仪。较传统水源井数字化设备，水源井智能保护仪有以下优势：

1. 运行Linux操作系统，可面向需求新增订制开发功能，灵活性强。

2. 新增单井运行模式远程控制，能够在本地运行不同逻辑的预置控制程序，实现生产模式一键切换，避免周边计算节点开发复杂控制程序。

3. 能够将采集到的潜水泵电机电流、电压和压力、流量仪表电气回路数据进行二次计算判断，实现仪表设备故障智能诊断。

4. 具有系统时钟网络同步功能，确保监控系统时频稳定。

5. 使用以太网接口接入工业物联网，无需Modbus网关等设备，中间环节少，接入简便快捷。

（二）水源井集群化边缘控制

依托现有工业互联网资源，配套了性能强大、通信资源丰富的西门子S7-1500系列PLC控制器，用以搭建“水源井集群化调度控制平台”。该过程中，调度控制PLC按照水源井与供水站的工艺管网关系，主要完成四项任务：

一是建立点对多点的通信与上游数口水源井进行数据交互，组建集群化数据交互系统；二是按照数据链约定标准，对电参、时间等需要进行倍率变化、格式转换处理的数据进行运算处理并提供最终结果；三是通过私有协议，与供水站PLC控制器进行通信，读取原水罐液位仪表数据；四是根据执行调度控制规则，提供上下游接口，实现设定单口水源井的工作模式，并将对应模式下的水源井与站点原水罐液位进行连锁后执行高停低启的控制。

在示范作业区建设项目中，应用该方案成功组建了4个水源井集群、较传统模式逐中接入SCADA系统组建集群化控制相比，具有以下优点：

1. PLC控制器程序封装管理难度小，容易形成规范，较SCADA系统编制逐句逐条开发编写分散独立集群化控制脚本相比，可缩短系统组建周期。

2. PLC控制器批量处理数据能力强，对原本需要SCADA系统进行二次运算才能得到最终结果的数据，诸如电流缩小100运算等，提前完成了二次运算。通过直接向PLC提供最终运算结果，可减少SCADA系统运算负担。

3. PLC控制器运算周期短，经过对PLC循环执行周期的监测，学庄作业区循环扫描周期最长仅为14.625ms，相较SCADA系统集中运行各类周期不定、难度不一的运算脚本，在控制更为精确。

4. SCADA系统监控画面开发组态难度明显下降，操作人员只需完成简单设置就可实现以水源井液位为目标，自动控制多口水源井日常运行。

5. 计算控制由边缘设备执行，SCADA系统停运期间，不会对水源井控制造成负面影响。

三、效果分析

较传统数据采集技术+SCADA系统云集中运算的生产物联网监控系统，应用边缘计算技术建成的“源、供、注、配”一体化智能注水监控系统，云边功能设计精细、算力分配合理、协同理念突出、瘦身肩负明显，项目建设周期较传统开发方式缩短近20天，项目涉及的8座站点、49台机泵、21口水源井和149座稳流注水阀组的341口注水井实现了关键环节的连锁控制、闭环调节、自动调配、智能诊断和故障自切除等自控功能，累计新增功能18项注水系统人工远程监控干预时间由5.0小时/天下降到0.5小时/天，提质减负显著，系统运行安全稳定。

四、结语

第六采油厂总结宝贵的数字化建设应用经验，围绕边缘计算技术应用开展了积极探索，通过精细方案设计、坚持系统思维，确保了相关技术落地应用；通过新旧技术结合，优化了资源配置，控制了建设费用；通过注重边缘侧各节点的功能细节设计，践行了本质安全，圆满完成了建设投用工作。下步，该厂将继续物联网遵循云、边、端框架结合，围绕技术落地应用进行持续完善和改进，为同类项目建设提供经验借鉴。

作者单位：中国石油长庆油田分公司第六采油厂