动态生产监控系统在稠油脱水站的设计与应用

韩帅

（辽河油田公司特种油开发公司）

0 引言

物联网技术作为新一代信息技术的重要组成部分，正受到越来越多的关注和研究。物联网是以互联网络作为信息承载体，通过传感器将一定数量具有独立功能的普通设备与互联网相连接，从而实现对设备信息的实时获取、远程共享及智能化分析控制［1-2］。动态生产监控系统是以物联网技术为基础，以安全生产风险点为主要检测对象的智能系统，通过将油气生产环节中的关键信息实时传输至数据服务平台进行存储与分析，自动识别潜在危险并发出预警信息，从而提高安全生产管理能力。

随着辽河油田在勘探、开发、生产及管理领域的不断发展，一线岗位对生产监控技术的应用需求也越发迫切。现阶段，以高精传感器为主的信息化装备已大量投入现场应用，但由于不同传感器系统相对独立，信息集成化程度低，如生产数据录取、现场安全巡检等日常工作仍需大量人工完成，数据获取效率低、生产管理进度慢、人工巡检不到位的问题普遍存在［3］。为此，开展了动态生产监控系统的设计研究工作，以辽河油田某稠油脱水站为例，通过物联基站架设、传感设备改造等一系列措施，实现了动态生产监控系统的现场应用，对油田生产安全管理具有重要意义。

1 动态生产监控系统主体架构

动态生产监控系统主体架构分为三层，即：传感层、通信层、应用层。

传感层是生产信息接入网关之前的传感网络，主要由各种感知设备组成，包括温度变送器、压力变送器、流量传感器、液位传感器、可燃气体及有毒有害气体浓度探测器等。传感层的作用是对生产状态进行全面感知，并将信息数据通过传感节点上传至网关接入点。

通信层作为传感信息的承载体，可以在有线数据传输或无线数据传输网络基础上建立。它的作用是自动识别传感网络，将传感层收集到的信息以通用数据包形式上传至数据中心，通过计算机软件对数据传感节点上传的数据进行集中解析、分析、存储，并将数据实时提供给应用层。

应用层根据底层共享数据，形成与现有系统需求相适应的动态更新数据资源库，向生产管理者提供统一的信息资源支撑，实现对人员、设备、环境、流程的智能化监控与管理，达到判断提醒、指导生产的目的［4］。

动态生产监控系统功能构架如图1所示。

图1 动态生产监控系统主体架构

2 系统实体建设

2.1 架设物联通信基站

针对稠油脱水站特有的小数据、高频次传输特点，选用LoRa（一种低功耗远程无线通信技术）构成通信层，采用LoRaWAN（基于LoRa设计的通信协议和系统架构）作为统一的物联通信方案，其优势主要体现在三个方面：一是能耗低，电池续航时间达5年以上，减少频繁更换电池工作量；二是传输距离远，系统构架简单，降低布网设备和使用成本；三是安全级别高，通过制定资料保密安全协议，数据在发送、传输、接收过程中完成加密与解码，保障整个网络系统安全。

现场基站架设高度为距地面20 m，网络测试选取基站周围5 km半径覆盖区域，测试终端与基站采取乒乓缓冲通信机制，无线发射功率设定为+17 dBi（天线增益2.5 dBi），基站发射功率为+24 dBi（天线增益6 dBi）。现场实测结果表明，在各测试点处基站与终端之间均能实现正常收发通信，且平均丢包率小于10%，满足物联基站架设需求［5］。

2.2 安装数据远传模块

重点巡检传感设备包括压电传感器70台、温度传感器84台、液位传感器18台、电磁流量传感器11台、转子流量传感器5台、可燃气体浓度传感器127台，分布于各个生产罐区及泵房。为充分发挥已有传感设备功能，降低建设成本，选用传感器远传模块对传感信号进行数字化预处理和无线传输。数据远传模块采取标准化安装，只需通电便可自动搜索基站进行连接，无需 RTU（远程终端单元），无需对在用传感设备进行手动配置，最大限度降低了数据接入成本。

2.3 优选数据处理系统

数据处理系统是动态生产监控系统的核心所在，针对安全生产需求繁杂，传感数据多态性、海量性且报警条件不统一的特点，选用了基于边缘计算、算法库的IDEM（智能设备接入管理系统）。该系统依靠物联网、移动互联及云计算架构技术，对所有在线传感设备实行全面监控，支持安全预警处理规则自定义，原始传感信号经集中、过滤、归并等处理步骤后，能够根据不同风险点预警级别生成准确的预警信息。与传统数据管理系统相比，IDEM系统优势在于实现了“端”“边”“云”（节点、基站、云引擎）之间的三种数据流向。

（1）“边”与“云”：基站可将传感数据上传至云引擎，从云引擎下载相应算法。

（2）“端”与“边”：系统进行简单数据处理时，节点可与基站直接联系，传感数据由基站自带处理引擎处理完成后给予反馈。

（3）“端”“边”与“云”：系统进行复杂数据处理时，节点通过基站与云引擎间接联系，传感数据上传至云引擎处理完成后给予反馈。

IDEM系统数据流向如图2所示。

图2 IDEM系统数据流向

2.4 设计安全公众平台

为满足员工对安全生产物联信息的需求，以为智能手机终端提供即时通信服务的微信应用程序为入口，设计安全公众平台，集成已建数据处理系统，使用户通过智能手机能够完成数据查看、参数查询、安全巡检工作。更为重要的是，系统可同时将异常数据及危险点坐标发送至手持设备，提醒相关人员前往查看，具有预警提醒等实用功能。

3 系统应用情况

动态生产监控系统于 2018年底正式投入现场应用，系统实体单元运行平稳，网络优化调整开展顺利。截至2019年底，已为稠油脱水站生产管理带来多项革新与升级。

（1）缩短了巡检周期。系统替代人工对高温、高压、有毒气体易聚集的高危区域进行全天候值守，常规巡检周期由以往2 h缩短至5 min，提高生产安全性的同时减少巡检用工4～5人，缓解了基层用工紧张及劳动强度大的问题。

（2）扩大了巡检范围。天线增益的提高及通信协议的优化，使物联基站信号覆盖半径超过7 km，在复杂干扰区域仍保持了良好的信号传输能力，同时满足了对脱水站外部设备及长输管道传感信号的接收条件。

（3）提高了数据录取准确率。系统对传感数据进行自动识别、获取和储存，与人工录取数据相比，数据录取准确率达到100%。此外，管理者能够随时查询历史生产数据，为生产决策和业绩评价提供更加直观和便捷的参考依据。

（4）提升了报警时效。新系统管理下的风险点预警规则支持自定义，云服务能将报警信号按预设规则分发到指定用户的手机，提醒查看并处理报警信息，节省了人工确认和发送的等待时间。此外，安全公众平台将报警信息送达率提高10%以上，避免了语音通知的滞后性，保证了报警时效。

4 结束语

动态生产监控系统将物联技术与传感技术有效融合，提高了生产风险自动化预警水平，为安全生产提供了有力保障。今后，针对不同使用场景的小型数据远传模块研究力度还需加大，同时 IDEM系统的可靠性和高效性也有待进一步提高，从而减少模块维修频率，降低系统维护成本。

随着无线传感网络、5G网络及智能云端数据处理技术的不断成熟，动态生产监控系统将进一步扩大对可利用技术资源的整合范围，如高清摄像头、红外闯入监控、质量分析仪等设备将陆续联网并归入系统。未来，动态生产监控系统将会更好地服务于油田生产。