油气物联网设备在安塞油田生产网中的应用

郭亮，王欢，马强，余辉，张海峰

(中石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 716000 )

油气物联网设备在安塞油田生产网中的应用

郭亮，王欢，马强，余辉，张海峰

(中石油长庆油田分公司第一采油厂，陕西 延安 716000 )

油气物联网是指借助专用设备和专用网络而搭建的能够实现油气生产数据采集和监控的系统。对于安塞油田而言，由于生产网络和办公网络未进行物理隔离，同时系统内包含数量众多的数字化监控设备，因而较易发生网络拥塞、数据中断等现象。从故障现象入手，分别从网络环境分析和设备网络缺陷两个方面分析了造成数据不稳定的原因，提出了优化网络、完善设备网络协议等措施，使相关问题得到了较好的解决。

油气物联网；网络数据；网络优化；数字化监控；安塞油田

安塞油田是长庆油田公司的主力采油区块，自从2009年大规模开展数字化建设以来，已经形成了覆盖油田采油井场、各级站点、作业区指挥调度中心的一个完善的油气物联网系统。2013年安塞油田按照中石油A11建设规范，进行了作业区级SCADA系统的升级，作为配套措施对网络进行了升级改造[1]：将原以站点为核心的小型局域网扩展为涵盖网络设备更多、覆盖范围更大的局域网结构[2,3]。但是经过一段时间的应用，新的网络结构使原运行稳定的数字化系统出现了较大范围的数据中断现象。为了保证油田的正常生产，笔者对生产过程数据中断的原因进行了分析，提出了相应的解决措施，收到了较好的应用效果。

1 安塞油田油气生产网结构

安塞油田某作业区网络系统在物理上是由交换机、光纤、双绞线构成的一个局域网系统。自上而下包括3层交换机设备：位于最上层的为作业区的汇聚交换机(三层网络交换机)、中间层的为站点接入交换机、最下层为井场接入交换机，交换机之间采用光纤方式进行连接。在逻辑上通过VLAN划分的方式，将网络虚拟为连接办公设备的办公网和连接现场生产设施的生产网 。

对于一个作业区油气物联网系统而言，在生产网内包含了大量的生产设施，主要包括各级监控电脑、站点PLC设备、井场数据采集终端(井场RTU设备)、井场和站点视频采集设备等。其中包含的主要设备为SCADA服务器，生产监控电脑，视频监控电脑，RTU， PLC 及视频服务器。

2 油气物联网设备在安塞油田生产网中运行出现的问题

自2013年SCADA系统投入应用，油气物联网设备在系统中运行出现了较为严重的问题，从2016年4月13日至5月10日期间，该站点共计出现10次网络中断情况。主要体现为SCADA服务器与现场油气物联网设备之间(如井场主RTU设备、站点PLC)普遍出现数据中断。

2.1 网络分析

通过对安塞油田中断比较严重的杏六注水站进行网络报文截取，发现该站存在较为严重的广播报文和组播报文(图1)。

图1 网络报文截图

在进行报文截获时，数据的截获点位于杏六增PLC至交换机之间，在该点截获的数据报文将直接进入PLC网络接口，对PLC的网口形成冲击。通过分析统计，整理出PLC网络接口报文类型统计(表1)。

表1 网络报文统计表

2.2 网络中断分析

在所截获的网络报文中，有一处SCADA服务器和现场PLC中断的通信报文(图2)。服务器在4496号报文处发起了一条数据请求命令，申请读取现场PLC的数据，PLC在4497号报文进行了回复。正常情况下，服务器收到回复后，会根据TCP协议返回一条确认帧(ACK帧)。但是服务器由于某种原因未收到PLC返回的4497号报文，因此SCADA服务器又发出了4513号重读报文，结果PLC未予响应。如此，SCADA服务器又经过4次报文重读命令后，判断当前PLC出现了通信故障。通过研究确认，在安塞油田的物联网产品协议栈存在一定的缺陷，不支持重传机制，因此当某种情况下出现网络拥塞等情况时就会出现报文丢失，而设备又不能够对重读报文进行应答，就容易造成通信链路中断故障。

图2 通信中断报文截图

3 造成网络拥塞报文丢失的原因

图3 VLAN网络互连示意图

VLAN网络由若干个二层交换机构成，交换机之间通过配置TRUNK口级联以扩展端口数量。为了实现生产网和办公网的隔离，该作业区划分为2个VLAN(图3)。

生产网中的现场物联网设备和位于办公网的SCADA服务器必须通过支持路由功能的三层交换机才能进行通信。如主机A向主机B发送一段报文，必须经过如下路径：主机A——交换机1——三层交换机——交换机1——交换机2——主机B。

由于实际上作业区的网络设备比示意图复杂的多，网络设备数量和VLAN数量也更多，因此在汇聚链路上出现拥塞、报文丢弃的几率也更大。那么对于通信可靠性要求更为严格的工业通信报文，一旦出现如前所述的报文丢失等问题，将会带来一系列网络问题。对此必须要通过提高设备网络性能、修补网络协议缺陷进行补救。

4 解决问题的措施

分析安塞油田油气物联网系统出现的问题，认为造成网络故障的原因主要包括2部分：一是网络环境较为复杂，网络内存在大量广播报文和组播报文，造成网络无用开销较大；二是油气物联网设备抵御网络冲击的抵抗力不足，网络协议栈有待优化。为此，提出以下相应的解决措施。

1)优化网络结构 借助VLAN技术，以作业区为单位的一个虚拟局域网划分为以站点为单位的多个虚拟局域网[4,5]。通过VLAN划分，将原有的上百台主机设备的网络划分为主机数量控制在40个左右的小型网络，从而减少了ARP、NBNS等广播的广播域。大大降低了网络风暴的形成，减轻了网络负担[6]。

2)净化网络环境 对作业区内的各台计算机统一安装正版杀毒软件，并严格进行病毒查杀。

3)修补物联网设备(PLC/RTU)网络漏洞 优化工作主要包括：增加Modbus TCP重传机制，避免报文丢失后无法响应主机重读请求；修补TCP漏洞，增加半连接、空连接检测机制，并及时释放无用网络资源，减少syn flood、land攻击等带来的风险。

[1]韩光. 油气生产物联网系统(A11)生产管理平台扩展研究[A]. 新疆维吾尔自治区人民政府，中国科学技术协会，中国科学院，中国工程院.第四届信息化创新克拉玛依国际学术论坛论文集[C].新疆维吾尔自治区人民政府，中国科学技术协会，中国科学院，中国工程院: 2016.9.

[2]汪燕. 油气物联网实时数据管理的研究[D].兰州：兰州理工大学,2016.

[3]张鹤立. 分层异构网络中干扰管理、用户连接及自组织技术研究[D].北京：北京邮电大学,2014.

[4]陈剑鸿. 复杂网络上的数据分发模型及技术研究[D].广东：华南理工大学,2013.

[5]唐莹. 网络性能结构模型的设计与实现[D].长春：吉林农业大学,2011.

[编辑] 帅群

2016-09-10

郭亮(1984-)，男，工程师，现主要从事油田数字信息管理工作，guolian1_cq@petrochina.com.cn。

TE928

A

1673-1409(2017)11-0088-03

[引著格式]郭亮，王欢，马强，等.油气物联网设备在安塞油田生产网中的应用[J].长江大学学报(自科版), 2017,14(11):88～90.