油田运维综合管理系统在福山油田的应用

卫乾，邓若虹，刘星，伍儒彬

（北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京 102200）

0 引言

随着油气生产物联网的迅猛发展，感知层设备、传输层设备的数量激增，复杂度也进一步地提高，新的发展形势对油田物联网运维综合管理系统的快速响应能力、服务保障能力、智能管理能力提出了更高的要求[1-3]。本文介绍一种物联网运维综合管理系统，该系统由井口仪表、井口控制器RTU及井场数据采集终端RTU、应用管理服务器、物联网运维综合管理系统组成，可以实现物联网相关设备扫描、设备管理、设备诊断、设备升级、运维专家系统、网络拓扑展示、网络信息存储等功能，为技术工程师、生产管理人员和现场运维人员提供了一套强有力的工具。

物联网运维综合管理系统的应用可以确保运维过程的流程化、自动化、智能化和信息化，快速传递并反馈设备信息，实现快速故障定位、业务处理和恢复；保证油气田正常生产过程能够持续、高效运转，运维人员可及时了解当前油气生产物联网中各设备的运转状况，降低故障停机时间，延长油井系统高效率生产的时间，间接提高油气生产的平均系统效率，进而提高油气产量。

下面以海南福山油田物联网运维综合管理系统为例，介绍一个物联网运维综合管理系统的系统架构、功能及应用。

图1 物联网运维综合管理系统体系架构图Fig.1 Internet operation and maintenance of the integrated management system architect ture diagram

图2 物联网运维综合管理系统功能架构图Fig.2 Internet operation and maintenance of the integrated management framework diagram of system functions

图3 井场网络拓扑功能Fig.3 Network topology functions

图4 井口设备网络拓扑功能Fig.4 Wellhead equipment network topology functions

图5 工程管理子系统界面图Fig.5 Project management subsystem interface

1 物联网运维综合管理系统

1.1 物联网运维综合管理系统体系架构

物联网运维综合管理系统由井口仪表、井口控制器RTU及井场数据采集终端RTU、应用管理服务器、物联网运维综合管理系统组成[4]，体系架构如图1所示。

感知层设备可以通过由数字压力表、数字温度表、一体化智能示功仪、电参采集仪等设备组成，其中电参采集仪负责采集机采井电参数据以及感知层无线设备的数据采集及设备管理，井口工况数据及设备运维管理数据通过进口控制器RTU将数据传送至井场数据采集终端RTU，最终将信息汇总至物联网运维综合管理系统。

图6 仪表类设备管理界面图Fig.6 Meter class device management interface

图7 运维信息异常报警功能Fig.7 OPS information exception alerting features

图8 设备诊断功能Fig.8 Equipment fault diagnosis function

1.2 物联网运维综合管理系统功能架构

如图2所示，物联网运维综合管理系统由网络管理子系统、工程管理及运维子系统、诊断子系统、报表子系统4部分组成。

1.2.1 网络管理子系统

网络管理子系统包含传输层设备网络拓扑展示功能和感知层设备网络拓扑功能，其中传输层设备网络拓扑功能用于展示某一油区内各井场的网络部署情况，感知层设备网络拓扑功能用于展示某井场井口控制器及感知层设备的部署情况。

1.2.1.1 井场设备网络拓扑

物联网运维综合管理系统根据指定IP地址段进行自动遍历，首先获取在线设备的IP地址并存入地址缓冲池，然后通过井场设备在线测试应答指令确定井场设备信息。系统具备自动扫描和手动扫描接口，正常情况下系统可定时自动扫描现场接入网络的井场数据采集终端RTU并将设备信息自动存入数据库，调试模式下，用户可以选择手动扫描，用户可以根据需要指定扫描地址、端口号、应答选项等多种参数，扫描方式灵活、可选，扫描完毕后会提醒用户是否存入系统数据库。通过井场设备网络拓扑展示功能，用户可以查看井场数据采集终端RTU网络拓扑图，该拓扑图可根据用户需要展示井场名称、网络拓扑关系、当前井型、摄像头安装状态、设备IP地址等信息，如图3所示。

用户在网络拓扑图上，可自主定义井的类型、配置当前设备IP地址，同时还可以对设备进行诊断、复位、管理等操作。在该视图模式下，可以通过点击相关设备进入其子网络展示，子网络是由井场RTU及传感器等组成的无线zigbee网络。

1.2.1.2 井口设备网络拓扑

井口设备网络拓扑功能的实现依赖于井口控制器的网关模块，通过井口控制器网关模块，能够将zigbee网络的数据转换为物联网运维综合管理系统可以识别的信息包，然后通过井场数据采集终端RTU封装为UDP数据包传输至管理系统。用户可以通过井场网络拓扑图过滤功能，选择查看具体井口RTU及其传感网络组成的拓扑结构，清晰了解现场传感器的工作状况。井口网络拓扑图如图4所示。

在该界面下用户可以对井口控制器及传感器设备进行管理操作，具体可以实现设备数据读取、工况参数读取、诊断信息读取、曲线读取，同时可以对设备进行参数配置和复位等操作。

用户可以在该界面下了解当前设备的运转状态，如果有通讯异常或者电池电压偏低的情况，系统会自动报警，并可以根据系统设置将报警信息发送至设定的值班人手机或邮箱，提醒值班人员及时处理。

1.2.2 工程管理子系统

工程管理及运维子系统包含现场运维功能、远程运维功能及智能查询功能，其中现场运维功能为用户提供了现场操作设备的接口，远程运维功能实现了在中控室进行远程设备操控的接口，智能查询功能为工程管理人员提供了快速查找、定位问题设备的接口。另外，设备或网络异常报警功能、设备配置与管理功能及设备固件升级功能也在该子系统中实现，该子系统为用户提供了设备本地及远程配置功能、异常报警功能、本地及远程固件升级功能。

1.2.2.1 现场运维

现场运维包含无线及有线方式进行设备维护，其中无线主要有zigbee和wifi两种接入方式，主要用于现场维护井场数据采集终端RTU和无线数字温度表、无线数字压力表、无线一体化示功仪等设备，有线主要有RS232及RS485两种标准接口，一般用于现场维护井口控制器RTU。

1.2.2.2 远程运维

远程运维模式下，用户可以通过网络对远程的井场数据采集终端RTU和无线数字温度表、无线数字压力表、无线一体化示功仪等设备进行信息维护。远程运维模式的实现，主要依赖于中油瑞飞物联网运维综合管理系统的虚拟映射机制，该机制可以根据用户的操作自动将互联网网络数据包映射至zigbee网络或井场数据采集终端RTU，从而达到远程操作与本地操作几乎完全一样，非常便于运维管理及技术人员的学习和使用。

1.2.2.3 设备管理

物联网运维综合管理系统支持设备的本地管理及远程管理，因采用了中油瑞飞特殊的映射机制，用户在进行远程及本地设备管理时的操作界面是一样的，这对用户来说是非常方便的。

用户可以通过管理模式对井场数据采集终端RTU和无线数字温度表、无线数字压力表、无线一体化示功仪等设备进行管理，其中包括复位操作、参数配置、恢复出厂设置、固件升级、设备诊断及实时数据读取功能。

仪表类设备管理界面如图6所示。

1.2.2.4 异常报警

物联网运维综合管理系统具备非常完善的异常报警功能，可以根据用户配置将报警信息自动发送至运维管理人员的手机或邮件，在设备或网络出现故障时能够第一时间获取通知，以便及时处理故障，降低生产风险。

异常报警支持的功能如图7所示。

图9 报表子系统界面图Fig.9 Reporting subsystem interface diagram

图10 智能报表功能Fig.10 Intellectual report features

1.2.3 诊断子系统

诊断子系统包含网络诊断和设备诊断两个部分，通过网络诊断功能可以诊断出当前井场网络健康状况，通过设备诊断功能可以获取在线设备的运转状况。

报表子系统是为工程管理运维、决策人员提供的一套功能强大、智能化程度较高的报表统计、输出系统，通过该系统可以实现任务自动派单，统计并输出年度、月度或指定时间段内的运维信息及相关图表。

1.2.3.1 网络诊断

网络诊断主要通过REQ/ACK通讯机制实现的，其中网络诊断包括互联网通讯网络诊断及zigbee无线网络诊断功能，用户可以通过诊断功能查看当前网络的健康情况。

1.2.3.2 设备诊断

设备诊断是用户进行设备维护的重要工具，该工具集成了瑞飞设备故障运维专家系统，在设备出现故障时，通过该功能可以协助、指导用户对设备进行维护，图8以示功仪设备为例展示了设备诊断功能。

在诊断模式下，可以实时查看传感器的工况数据，如载荷、位移、电池电压、信号强度等信息，当侦测到设备异常时，专家系统会自动弹出。

1.2.4 报表子系统

报表子系统是为工程管理运维、决策人员提供的一套功能强大、智能化程度较高的报表统计、输出系统，通过该系统可以实现任务自动派单，统计并输出年度、月度或指定时间段内的运维信息及相关图表。以现场无线仪表状态统计为例展示如图9所示。

1.2.4.1 自动工单

该系统集成了自动工单功能，用户通过系统配置窗口可以进行工单配置，具体功能如下：可以将设备故障分类进行管理，当某一类设备出现故障时系统会以邮件及短信方式自动向相关运维人员分派工作任务，制定工时计划，当运维人员超时未提交工单完成情况时，系统会自动提醒工作人员交付工单。

1.2.4.2 智能报表

系统集成了丰富的报表功能，其中包括整体故障率统计、某一型号设备故障率统计、设备运维次数统计、运维管理人员出勤率及出勤时间统计，具体功能如图10所示。

2 结束语

本文介绍的油气生产物联网综合管理系统在海南福山油田运行良好，为油田的技术工程师、生产管理人员和现场运维人员提供了一套强有力的工具。通过该系统的井场网络拓扑图显示、感知层设备网络拓扑及管理、数据采集与曲线回放、设备管理、系统监测、工程管理等功能，用户可及时了解当前油气生产物联网中各设备的运转状况，指导系统运维决策，实现快速故障定位、业务处理和恢复，保证油气田正常生产过程能够持续、高效运转。

油气生产物联网综合管理系统在福山油田的成功应用为该系统在其他油田的应用推广提供了宝贵的经验，未来在其他油田的油气生产物联网的建设中也可推广应用该系统。

[1]贾灵,王薪宇,郑淑军,等.物联网/无线传感网原理与实践[M].北京航空航天大学出版社,2011,1:86.

[2]檀朝东,邵定波,关成尧.油井在线监控计量分析系统技术研究及应用[J].工业计量,2008,18(5):1-4.

[3]UIT.ITU Internet Reports:The Internet of Things[R].2005.

[4]张晖.物联网技术架构与标准化进展[R].2010,08.