摘 ?要：物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的不斷發(fā)展完善，帶動了油氣行業(yè)研究智能聯(lián)控信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)的需求。為了真正實現(xiàn)“智慧油氣田”，進行了帶外網(wǎng)絡(luò)管理平臺與基于數(shù)據(jù)采集器構(gòu)建的井站信息化輔助功能系統(tǒng)的研究。研究旨在探究系統(tǒng)的應(yīng)用潛能，以實現(xiàn)通過輔助監(jiān)控系統(tǒng)減少現(xiàn)場派工，方便故障排查并實現(xiàn)無人化，利用設(shè)備完成對重要數(shù)據(jù)的直觀監(jiān)測，輔助技術(shù)人員更有效率地完成生產(chǎn)建設(shè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集器;數(shù)據(jù)透傳;串行通信;帶外網(wǎng)管

中圖分類號：TE938;TP277 ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0100-04

Abstract：The continuous development and improvement of internet of things，big data and cloud computing technology has driven the demand of oil and gas industry to research intelligent joint control information auxiliary monitoring system. In order to realize “smart oil and gasfield”，this paper studies the outband platform and the auxiliary function system of well station information based on data collector. The purpose of the research is to explore the application potential of the system，so as to reduce the on-site dispatching through the auxiliary monitoring system，facilitate the troubleshooting and realize unmanned，use the equipment to complete the intuitive monitoring of important data，and assist the technical personnel to complete the production and construction tasks more efficiently.

Keywords：data collector;data transparent transmission;serial communication;outband

0 ?引 ?言

油氣行業(yè)現(xiàn)有的通信系統(tǒng)、生產(chǎn)信息化輔助系統(tǒng)及自控系統(tǒng)的故障確認及記錄，均采用人工確認告警，臺賬報表記錄方式進行管理。技術(shù)員在受理故障時，接到的往往是故障報告（如：通信中斷），要查出故障原因就必須進行回溯摸排。由于停電及設(shè)備死機等原因都可能造成通信中斷，處理人員在排查時必須依次檢查，所以故障處理的效率很低。

一直以來，信息化生產(chǎn)維護方式是以技術(shù)小組為單位，實行技術(shù)人員對生產(chǎn)區(qū)域的承包責任制。當技術(shù)人員數(shù)目和技術(shù)素質(zhì)足以滿足設(shè)備維護需求時，生產(chǎn)區(qū)域的正常運作就能得到有效保障。然而，隨著生產(chǎn)系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，應(yīng)用的系統(tǒng)種類的數(shù)目和型號越來越多。

生產(chǎn)系統(tǒng)的無人值守化需要大量設(shè)備及系統(tǒng)硬件，而硬件需要合理的管理優(yōu)化才能發(fā)揮最大的效能。從統(tǒng)計學的角度看，由故障率計算公式分析得知，當需要處理的故障對象N增加到一定數(shù)量之后，平均無故障時間MTBF會減小，設(shè)備發(fā)生一般性故障（如：設(shè)備宕機、線路阻斷）的次數(shù)會直線上升。忽略掉因為各種因素導(dǎo)致故障無法處理的情況，假定每個技術(shù)人員都能獨立處理完成，那么這些一般性故障的原因排查加上現(xiàn)場狀況恢復(fù)確認的任務(wù)，匯總起來工作量就十分可觀。因此，傳統(tǒng)的故障處理方式始終存在人力、時間、設(shè)備工具、車輛等資源問題。

目前石油行業(yè)井站的巡檢方式為：從總部派遣人員車輛，按季度和片區(qū)到井站現(xiàn)場進行巡檢。人員開具作業(yè)票或操作卡，經(jīng)屬地人員辨識。運用智能防爆終端，對已標記的設(shè)備進行二維碼電子巡檢及拍照、檢查設(shè)備間環(huán)境、排查線路端口、查看設(shè)備運轉(zhuǎn)狀況、檢查有無告警。每年的故障排查與問題處理解決都會消耗大量的人力物力資源。

1 ?油氣井站故障狀況的現(xiàn)狀分析

1.1 ?井站的故障處置流程

（1）通過微信平臺、屬地及巡檢運維人員電話、運維QQ群、電話報障平臺、生產(chǎn)監(jiān)控平臺告警的檢查反饋進行故障確認。

（2）聯(lián)系距離現(xiàn)場最近的井站管理人員/巡檢人員，或是運營商/承包商對故障情況進行確認，拍照反饋。嘗試用人工重啟設(shè)備及檢查線纜端口狀況等一般方式恢復(fù)。如果設(shè)備支持帶內(nèi)網(wǎng)管功能，請求總站技術(shù)專家進行遠程故障排查。

（3）一般方法測試及遠程故障排查處理無效后，安排外聘技術(shù)專家至現(xiàn)場配合井站屬地及巡檢人員排查故障。如有必要，安排聯(lián)系中心專家或故障設(shè)備生產(chǎn)廠家配合進行故障處理。

1.2 ?故障情況分類

目前油氣行業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)包括：光通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、視頻安防系統(tǒng)、大屏系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、雙向語音對講系統(tǒng)、太陽能系統(tǒng)、設(shè)備間動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)及其他系統(tǒng)。經(jīng)統(tǒng)計的故障實例如表1、圖1所示。

1.3 ?以往故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計

根據(jù)石油行業(yè)某單位的“2019年運維故障登記”得出了以下主要統(tǒng)計結(jié)果：

2019年總計發(fā)生約425次網(wǎng)絡(luò)傳輸故障，主要故障原因包括：11次電源故障（不包括空開跳閘、停電）;36次設(shè)備死機（含RTU及路由器交換機，原因基本為死機、溫度過高、端口堵死，經(jīng)重啟后能恢復(fù)）;22次UPS/UPD及太陽能系統(tǒng)故障;48次停電、空開跳閘故障。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計約59次;重啟設(shè)備完成的故障處理及判斷約36次。

2019年年內(nèi)總計發(fā)生約324次視頻安防系統(tǒng)故障，主要故障原因包括：接頭端子或線纜故障約54次;設(shè)備死機造成的故障約21次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計約53次;重啟設(shè)備完成的故障處理及判斷約64次。

2019年年內(nèi)總計發(fā)生約107次電源系統(tǒng)故障，主要故障原因包括：UPS/UPD及故障8次;停電、空開跳閘故障26次。其中，使用了耗材及備品備件完成修復(fù)的故障總計約10次。

2 ?選題目的及意義

為了有效提升單井站的故障處理和運維效率，幫助現(xiàn)場人員更好地完成生產(chǎn)任務(wù)，提效率、降成本、增效益，實現(xiàn)運維巡檢智能安全且高效的目的，我們計劃應(yīng)用市場上現(xiàn)有的成熟技術(shù)產(chǎn)品搭建硬件，在生產(chǎn)環(huán)境中進行測試實驗，驗證方案可行性。通過技術(shù)手段實現(xiàn)管理人員的權(quán)限分級管控，消除單井站故障監(jiān)測盲點，實現(xiàn)故障事前預(yù)防預(yù)警、故障歷史記錄及分析。完善跨平臺業(yè)務(wù)協(xié)同，實現(xiàn)帶外網(wǎng)絡(luò)管理的功能，方便管理人員通過移動終端讀取數(shù)據(jù)。對在用系統(tǒng)實現(xiàn)動態(tài)跟蹤分析，生產(chǎn)過程全監(jiān)測，設(shè)備狀態(tài)自動診斷，挖掘數(shù)據(jù)資源價值。

3 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計選型

3.1 ?嵌入式串口處理以太網(wǎng)傳輸模塊監(jiān)控應(yīng)用

不同系統(tǒng)的設(shè)備，如交換機、UPS、路由器、RTU控制器等，由于存在專業(yè)用途的差異性，加上廠家規(guī)格的不同，很難進行集中訪問控制。但是各個系統(tǒng)仍支持主流的串行通信接口（RS232/RS485/RS422）。如圖2所示，框內(nèi)為UPS/UPD電源背板的RS485、RS232接口。

我們計劃利舊井站現(xiàn)有設(shè)備的串口，運用一種專門的嵌入式設(shè)備處理串口數(shù)據(jù)。在參考了行業(yè)標準及規(guī)范后，考慮運用以太網(wǎng)透傳TCP/UDP協(xié)議，并配合Modbus協(xié)議的主從服務(wù)模式來監(jiān)控前端設(shè)備的狀態(tài)，把井站設(shè)備串口讀取到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)浇y(tǒng)一的上級管理站進行管理。計劃監(jiān)測的內(nèi)容包括UPS/UPD、網(wǎng)元設(shè)備（帶網(wǎng)管功能交換機及路由器等）、自動控制等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

當透傳的數(shù)據(jù)被接收以后，上級管理計算機可以使用不同的應(yīng)用對數(shù)據(jù)進行編輯和操作，從而方便人員管理。進而不需要再到單井站現(xiàn)場處理操作，以此提升效率。

系統(tǒng)最終選用了NP801三合一串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。這是一種ARM架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)備，能夠通過以太網(wǎng)傳輸RS232/RS485/RS422制式的串口數(shù)據(jù)，對接現(xiàn)有的主要通信自控設(shè)備，工作原理簡單有效，是一種帶外網(wǎng)管工具，無需投入大量資金更換或升級原有軟件和硬件系統(tǒng)方案，產(chǎn)品經(jīng)過市場檢驗，高效、安全、穩(wěn)定、簡單有效。如表2所示是總結(jié)的設(shè)備部署效益分析。

NP801部署必備條件：分配1個局域網(wǎng)IP地址;局域網(wǎng)路由可達。通過該設(shè)備對串口數(shù)據(jù)進行收集匯總。

3.2 ?遠程數(shù)據(jù)采集終端部署

由于單井站現(xiàn)場仍存在I/0接口的監(jiān)控需求。為了對這部分接口進行處理，選中了金鴿科技的幾款監(jiān)控模塊（Supervision Module），旨在配合組態(tài)軟件及內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器，用多端顯示的方式讀取數(shù)據(jù)，利用數(shù)學工具統(tǒng)計分析。

這種數(shù)據(jù)采集終端類似于RTU的工作方式，主要針對一些I/0接口設(shè)備的數(shù)據(jù)接收，如傳感器、繼電器、控制器、PLC及RTU等設(shè)備，其可以進行的狀態(tài)監(jiān)測如：機柜內(nèi)溫濕度、蓄電池內(nèi)阻狀態(tài)、UPS/UPD監(jiān)控、太陽能系統(tǒng)光照強度、雷擊及靜電防護、紅外線探傷、微波探傷、蓄電池氫氣濃度及可燃氣體濃度等。也可以用于自控的井安、壓力、流量監(jiān)測。

這些模塊可以實現(xiàn)對空調(diào)調(diào)溫器的控制、PDU及電源設(shè)備的硬重啟，把控生產(chǎn)過程監(jiān)測與報警，以及實現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備的自診斷。希望通過這套監(jiān)控模塊盡可能減少工作人員的工作量，提升效率。監(jiān)控模塊的詳細情況如表3及圖3所示。

4 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 ?搭建帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺

（1）搭建硬件測試環(huán)境：完成電源線纜及設(shè)備電源的安裝，測試使用NP801的RS232接口連接AR1200路由器的Console口，NP801的RJ45接口連接局域網(wǎng)交換機，通過局域網(wǎng)內(nèi)的測試電腦（假定為最終數(shù)據(jù)匯總管理計算機）進行測試，檢驗對AR1200的數(shù)據(jù)查詢及配置功能（帶外網(wǎng)絡(luò)管理）。

（2）局域網(wǎng)內(nèi)電腦使用配置軟件，搜索NP801設(shè)備，進行數(shù)據(jù)配置設(shè)置選用串口種類及通信參數(shù)。（此處測試電腦IP地址為10.90.123.181，將NP801地址配置為10.90.120. 249）完成數(shù)據(jù)配置后，用ping命令測試至NP801的網(wǎng)絡(luò)可達情況，確認無誤。

（3）在測試電腦上使用網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件Xshell（根據(jù)對串口數(shù)據(jù)的應(yīng)用目的，可以選擇不同的管理軟件，如組態(tài)軟件或CRT等）新建會話。建立對NP801的Telnet訪問會話，實現(xiàn)對AR1200路由器的訪問及控制。

（4）建立并保存多主機會話，統(tǒng)一管理。

4.2 ?部署遠程數(shù)據(jù)采集終端及應(yīng)用

（1）要使用設(shè)備，首先要安裝驅(qū)動程序，用專用軟件完成配置。以添加設(shè)備及采集設(shè)備溫濕度為例，部署一套設(shè)備的查詢控制用例。

（2）打開瀏覽器，進入設(shè)備管理地址（此處應(yīng)用了動態(tài)網(wǎng)頁管理服務(wù)）。顯示登錄頁面，輸入賬號密碼登錄，顯示主界面。系統(tǒng)登錄界面支持二維碼掃描登錄。在首頁，會顯示設(shè)備管理的主界面，可以了解在用的用戶數(shù)量、下屬機構(gòu)、待確認告警、已處理告警、設(shè)備總數(shù)、在線設(shè)備數(shù)量、離線設(shè)備數(shù)量及任務(wù)數(shù)（邏輯任務(wù)），方便管理人員查閱統(tǒng)籌管理。

（3）添加設(shè)備，完成設(shè)備名稱命名，檢查數(shù)據(jù)采集器收集的數(shù)據(jù)。在設(shè)備管理頁面，綁定每個設(shè)備的序列號，對設(shè)備名稱進行命名，手動添加設(shè)備在GIS界面的定位（一般為人為修改定位地址，部分設(shè)備支持自動定位，如S475），可以根據(jù)需要定制VPN地圖，完成設(shè)備數(shù)據(jù)點的校驗添加及參數(shù)設(shè)置。

（4）創(chuàng)建告警任務(wù)，根據(jù)需要指定觸發(fā)器邏輯命令，觸發(fā)器根據(jù)需要設(shè)置關(guān)聯(lián)點位、條件、名稱及轉(zhuǎn)發(fā)對象（觸發(fā)器可進行克隆以批量復(fù)制）。在左側(cè)的任務(wù)欄，選擇任務(wù)管理-觸發(fā)器管理，點擊創(chuàng)建觸發(fā)器。在創(chuàng)建觸發(fā)器管理頁面，選擇設(shè)備及數(shù)據(jù)點，設(shè)置觸發(fā)條件。關(guān)聯(lián)推送信息方式，完成對溫濕度條件告警的設(shè)置。

（5）完成設(shè)備創(chuàng)建后，在設(shè)備管理主界面顯示出新建設(shè)備信息以及觸發(fā)器信息。主界面顯示出設(shè)備告警及設(shè)備數(shù)量，告警信息顯示出設(shè)備名稱、序列號、數(shù)據(jù)點名稱、觸發(fā)時間、告警條件、觸發(fā)值及推送數(shù)量。告警頁面可以設(shè)置告警信息確認。

至此，設(shè)備管理界面設(shè)置完成，告警信息可成功通過觸發(fā)器顯示，實現(xiàn)了對溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)接收。

5 ?信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)效果檢測

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺界面圖如圖4所示。

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺部署后，系統(tǒng)可以完成對AR1200設(shè)備的查詢控制。后續(xù)在一部分無人單井站及部分設(shè)備間嘗試了使用NP801串口轉(zhuǎn)換器建立管理平臺。通過NP801能夠成功讀取到RS232/RS485/RS422等串口的數(shù)據(jù)，根據(jù)需要可以應(yīng)用特定的管理軟件進行數(shù)據(jù)處理。如OpenView、CiscoWorks、Tivoli這類的網(wǎng)管軟件系統(tǒng)都是帶內(nèi)網(wǎng)管。網(wǎng)管系統(tǒng)必須通過網(wǎng)絡(luò)來管理設(shè)備，如果無法通過網(wǎng)絡(luò)訪問被管理對象，帶內(nèi)網(wǎng)管系統(tǒng)就失效了，接下來就要使用帶外網(wǎng)管系統(tǒng)。

帶外網(wǎng)管是網(wǎng)管系統(tǒng)中的緊急通道。方便了巡檢運維工作，避免了系統(tǒng)安全依賴于局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)條件所受的限制，減少了故障排查時間，提升了效益。井站的設(shè)備串口得到了充分利用，幫助總站運維人員實現(xiàn)了技術(shù)管理的方法提升。

部署的遠程數(shù)據(jù)采集終端及應(yīng)用，很好地實現(xiàn)了對傳感器I/O數(shù)據(jù)點位的數(shù)據(jù)采集及集中顯示。系統(tǒng)可以方便地搜尋需要的設(shè)備、點位、人員等歷史信息，即具有可追溯性，并可以根據(jù)需要創(chuàng)建管理機構(gòu)組織及管理人員角色，對管理員權(quán)限進行有效把握?？梢詫崿F(xiàn)對告警信息、設(shè)備上下線、設(shè)備控制信息的查詢。另外，系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)的表格及圖像分析，支持表格數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，方便人員對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，按需求可增加數(shù)學處理模塊，建立數(shù)學模型。數(shù)據(jù)信息可以選擇推送服務(wù)，如可以設(shè)置提供中間推送服務(wù)商。指定accessKeyID、accessSecret及AppID，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

6 ?結(jié) ?論

帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理平臺與遠程數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)為油氣巡檢運維質(zhì)量提升探尋出了新的解決途徑，減少了運維消耗理論時間，減小了路途上的風險，巡檢運維管理效率能夠獲得有效提升。部署的系統(tǒng)非常實用，能夠有效解決我們現(xiàn)實工作中的絕大部分問題。降低人員的勞動強度，簡化工作流程，實現(xiàn)降本增效。

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持接入多種通信協(xié)議，提供多種網(wǎng)絡(luò)接入方式，可實現(xiàn)實時信息交互，并且可通過接入不同的硬件模塊，實現(xiàn)多種功能的擴展，應(yīng)用前景十分廣闊。在中國，隨著兩化融合的大力實施，以及物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)智能控制技術(shù)的完善，相信信息化輔助監(jiān)控系統(tǒng)也會順應(yīng)發(fā)展潮流，不斷地進行更新變革。

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作者簡介：廖恒（1994—），男，漢族，四川自貢人，助理工程師，畢業(yè)于四川大學錦城學院，本科，研究方向：機械電子工程。