油气生产物联网功能设计研究

1 引言
　　物联网（Internet of Things， 简称IOT）是通过传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1]。现在流行的物联网概念较宽泛，狭义的物联网核心技术，主要包括无线传感网（Wireless Sensor Network，WSN）和射频识别（Radio Frequency Identificatio, RFId）技术。物联网的本质内涵是3C（Computation,Communication,Control）融合，是基于计算进程与物理进程深度融合的新计算模式，是计算、通信、控制与物理等多学科的交叉与融合。物联网的功能特征是全面感知信息、可靠传递信息和智能处理信息，以实现对物体对象实施智能化的控制与管理，因此物联网具有泛在、智能、低成本的特点。本文讨论的油气生产物联网系统包括采集与控制、数据传输、工况分析预测、物联网网络及设备管理、生产运行管理等五个子系统。该系统是通过传感、射频、通讯、先进计算等技术组合，对油气水井、计量间、油气站库等生产对象进行全面感知。实现生产数据、设备状态信息在生产指挥中心及生产控制中心的集中管理和控制，搭建规范、统一的数据管理平台，支持油气生产过程管理，提供油气生产的实时分析优化，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性，达到节约油气生产的建设投资与运行成本的目的。
2 油气生产工程现状分析
　　油气生产流程包括油气举升、注入、计量、油气集输、油气处理等5个部分。在各个流程的生产过程中，现有生产组织形式大都为人工巡检，劳动强度大，生产效率低，安全风险高。另外，现有的生产工艺也需要改进和优化创新，并且现有的生产方式依赖员工的责任心和熟练程度，因此劳动生产率低。
　　各油田为满足生产需求，已经建立了各自的油气生产现场工况监控、分析与管理和视频监控系统，并正在当前生产中发挥重要作用[2-4]。但这些系统是由软件开发公司和油田用户结合各自油田生产的特点和实际情况合作开发的，主要是为了满足油田公司、采油厂、作业区等各级目标用户生产运行管理的需要。由于受地域、地形地貌、气候条件、油藏地质、社会环境差异的影响，因此各油田油气生产数字化的功能不尽相同，建设也具有各自的特殊性。目前各油田已经建成并应用的一部分油气生产物联网系统在软件平台、开发环境、系统组态方式上都有很大差异，还没有形成统一的系统。
　　针对目前油气生产过程管理的现状，油田在信息化、数字化建设中存在的问题急需一套综合信息平台来解决，而以往油田建设的信息化、数字化系统所积累的实践和经验也为建立油气生产物联网系统奠定了基础[5,6]。因此，建设面向生产操作过程的油气生产物联网系统，就是要通过信息技术与工业生产的融合，紧紧围绕生产运行管理，提高生产操作每个单元的自动化程度，保证生产持续、稳定、高效地运行；为优化生产管理流程，实施精细化管理创造条件，提供保障，并根据生产管理特点，按流程建立劳动组织架构，优化一线员工布局，从而把人和生产流程的效率发挥到最佳水平。
3 油气生产物联网功能构架设计
　　油气生产物联网功能设计需要满足油气田的日常生产运行、生产管理、生产监控、设备管理、成果展示等需求。对于目前油气生产现状分析中所反映出来的不足和存在的问题，油气生产物联网的建设，主要立足于解决如下生产问题：（1）快速了解生产概况：显示采油气厂生产状况、产量、注水量变化情况；（2）及时提供故障报警和预警：报警和预警信息自动通知相关人员及时处理；（3）自动生成生产报表：自动生成、存储、查询井、站、作业区的相关生产报表，自动绘制相应曲线；（4）自动控制生产过程：关键生产过程实现闭环控制、提高生产运行的可靠性和稳定性；（5）高危环境重点区域：生产环境的可燃有毒监测、重点井高产井的视频监控；（6）定时完成物联网系统自检：对网络、网络设备、现场仪表等数字化设备定时自动巡检和故障原因定位。
　　针对上述油气生产物联网的功能要求，构建的油气生产物联网总体架构如图1所示。

图1 油气生产物联网架构

　　通过构建的油气生产物联网系统总体架构，分别对其中的采集与控制、数据传输、工况分析预测、物联网网络及设备管理、生产运行管理五个子系统进行设计，使系统具有油气生产动态实时监控、生产信息统计分析、生产工况实时诊断、工艺流程智能优化、关键告警集中表现、生产KPI动态展示、生产设备管理、生产指挥调度等应用功能。
3.1 采集与控制子系统功能
　　该子系统是通过传感器、无线传感网、射频识别、RTU等设备自动采集、存储、处理油气生产对象的生产数据，通过摄像头、危害气体监测等装置，自动采集现场生产的环境信息，将这些信息传输到采油厂实时数据库，支撑生产监控等应用；同时，通过ESD、控制阀等自动化控制设备，实现生产过程自动控制。该子系统的功能设计如图2所示。

图2 采集与控制子系统功能

3.2 数据传输子系统功能
　　该子系统是把从单井及边远站库采集的数据采用无线传感网、专网和公网无线技术（融合WSN、McWill、WiMAX、WiFi、3G、GPRS、CDMA、卫星等无线传输技术）组成无线异构网络来进行数据传输；其余计量间、中转站、联合站、集气站、处理站、注水站等站库和距站较近井场的生产数据及视频信号通过有线网络相连来传输，从而实现数据的实时传输。生产数据传输模式为油气田作业区??采油采气厂??油气田公司??企业总部。该子系统的功能设计如图3所示。

图3 数据传输子系统功能

3.3 工况分析预测子系统功能
　　该子系统主要是对采集、传输到实时数据库的油气水单井、计量间、处理站库及相关集输管网的生产数据进行分析优化预测。计量间、处理站库及相关集输管网的工况分析优化主要是实现现场的实时远程数据采集、工况诊断、运行参数优化、智能控制、出现故障时的应急自动处理；油气水单井的工况分析优化预测是该子系统中最重要的组成部分，实现油气井生产数据的实时管理、实时分析、实时优化、实时控制、智能预测等，以实现智能化管理。单井功能如图4所示。

图4 单井工况分析优化预测子系统功能

3.4 物联网网络及设备管理子系统功能
　　该子系统主要包括物联网网络管理和网络设备管理。物联网网络管理主要包括对于网络拓扑、网络协议、网络健康状态、节点健康状态、网络信道、节点功能配置、网络时间同步、网络安全等的管理。网络管理与运行的好坏，对于油气生产物联网的平稳、可靠地运行并发挥效益至关重要。网络设备的管理主要是负责对网络化的压力仪表、流量计、示功仪、摄像头、有害气体检测仪和RFId读写器、网关、路由等物联网终端设备的状态和运行情况的监控。除了对于节点上的传感器、执行机构和其他节点资源的管理，也包括节点能耗（尤其是电池供电节点）和信道质量的监控。通过对物联网网络及设备的监控管理，从而实现系统的“即开、即入、即管、即用”功能。该子系统的功能设计如图5所示。

图5 物联网网络及设备管理子系统功能

3.5 生产运行管理中心子系统功能
　　生产运行管理中心子系统是提供油气生产的业务状态报告，关键生产运营KPI动态报表，生产流程可视化与跟踪，综合实时信息展现，关键告警集中展现，联合业务调度指挥；应急预案可视化，联合紧急指挥，应急计划实施状态追踪，应急计划模拟演练；日\周\月\季\年业务经营分析，协同办公，生产过程全景展示（地理、流程、组织、绩效、治理及运营成果等）等。
　　该系统在采油气生产部门部署实时数据库和监控中心，同时将数据上传到总部数据中心实现对生产动态的及时了解，实现生产管理、分析优化、指挥调度、智能决策，洞观全局，掌控运行。该子系统的功能如图6所示。

图6 生产运行管理中心子系统功能

　　生产运行管理中心子系统可在业务日常运营中及时发现问题，快速做出判断和决策，提高业务效率；IT信息可视化，更加透明，以便进行更好的业务决策；跨系统的实时信息交换和流转，通过各种渠道进行及时沟通；综合信息分析统计，跟踪生产管理KPI的执行和趋势分析，持续改进生产绩效；综合报警和预警，便于对紧急事件的及时响应和处置。可实现决策支持、调度指挥、可视化运营，提高企业油气生产的竞争力。
4 结论与建议
　　通过以上研究可知，油气生产物联网系统的建成可以实现包括油气水井、计量间、处理站库及相关集输管网的生产数据自动采集、工况分析、故障预警和报警、关键过程连锁控制、工艺流程可视化展示、生产过程实时智能决策等功能。能达到强化安全管理、突出过程监控、优化管理模式，以实现优化组织结构、持续改进业务绩效的目标。
　　油气生产物联网除需要有一个先进的设计之外，还应总结一些油气田在面向生产操作过程的数字化建设方面所取得的一些有益的探索和实践经验，并结合国际上先进石油企业的最佳实践和物联网技术的发展趋势，经济高效地建设我国油气生产物联网系统。