物联网在油田的应用前景.doc

物联网在油田的应用前景姓名：杨承欣；单位：陆上作业区采油七区；摘要：在信息化时代的今天，物联网的应用已经在各行各业逐步推开和深入，例如车载通讯和智能交通、农产品的跟踪溯源、智能家电、自动物流监控等等，温家宝总理在今年的政府工作报告中指出：“今年要加大培育战略性新兴产业，加快物联网的研发应用。”可见智能化、信息化是世界的发展方向，本文着重探讨和研究石油行业里一些具体能够利用现代通讯手段进行智能化的设备和监控单元，以实现数字化油田的目标。关键词： 物联网、数字化油田、自动监控1物联网11物联网简介 物联网的概念是1999年提出来的，其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。 图1.物联网概念12物联网的构成从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。 感知层由各种传感器以及传感器网关构成，可燃气体浓度传感器、温度传感器、压力传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。 网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。 应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。 图2.物联网架构13物联网的特征 首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。 其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。 还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。14 物联网的发展前景和政策扶持物联网的三个发展方向：1、 任何时间：由只在工作时发展到全天候；2、 任何地点：由只在个人电脑发展到室内任一台电脑，再到户外任意终端，再到移动终端；3、 任何事物：由最初的两台电脑连接到两个操作电脑的人之间的交互，再到人与事物间的交互，到最终发展成物与物的交互（即M2M）。M2M不是简单的数据在机器和机器之间的传输，更重要的是，它是机器和机器之间的一种智能化、交互式的通信。也就是说，即使人们没有实时发出信号，机器也会根据既定程序主动进行通信，并根据所得到的数据智能化地做出选择，对相关设备发出正确的指令。可以说，智能化、交互式成为了M2M有别于其它应用的典型特征，这一特征下的机器也被赋予了更多的“思想”和“智慧”。据有关部门保守预测，M2M服务市场将保持每年25的增长，2010年产值有望达到80亿美元。在中国，至2012年国内的市场容量将达到一亿部终端的规模。随着包括设备、通讯、管理软件等技术的深化，M2M 产品成本的下降，M2M业务将逐渐走向成熟，目前，M2M 技术已经在欧洲和韩国实现商用，主要应用在安全监测、机械服务和维修业务、自动售货机、公共交通系统、车队管理、工业流程自动化、电动机械、城市信息化等领域。人们纷纷看好了M2M的发展前景。一个出发点就是，在当今世界上，机器的数量至少是人的数量的4倍，这意味着巨大的市场潜力。预测，2010年全球将有超过4000亿台的机器具备数据传输功能，取代人力控制和操作，实现设备的智能管理和服务。温家宝总理在无锡考察传感网产业时对物联网发展作重要指示，中国政府将M2M通信技术列入“十一五”规划国家级重点通信项目，各国政府均将信息化提升为国家战略。图3.物联网的政策支持2我区目前自动化现状 2.1油井远程监控由于油井的离散分布式特点，所以每口单井配备一个监控终端单元，通过无线信号将收集到的油井工况数据发送到安装在计量间的无线信号接收单元，再转换成有线信号接入交换机传到中控室。目前这个监控终端负责收集的信息有油压、套压（分别由两个依靠电池供电、量程范围配套的压力传感器将数据无线传输到监控单元）、载荷（由一个依靠太阳能充电的载荷传感器将抽油机一个冲程内的载荷数据和驴头定位数据通过无线传输到监控单元，其内部有一个速度感应器，依靠驴头在上下死点时运动速度为零来定位上下死点的位置，如果抽油机冲次太慢则误差较大）、三相电流（由三个电流互感器直接将数据输入监控单元）。 图4.油井监控设备目前存在的主要问题是传感器可靠性差，中控室时常录取不到功图，传感器供电问题、信号紊乱、无信号等各种因素都有，不过厂家也不厌其烦地在调试、改进。22 防盗及视频监控自动化系统每个井场都配备了至少两个摄像头，确保没有照摄不到的死角，需要固定角度照摄的配有高分辨率广角摄像头，还有可全方位调整照摄角度的红外摄像头，摄像头连接编码器，编码器转换成数字信号接入交换机。同时每个井场还配有功放，连接一个扩音器，可通过中控室向井场的人员喊话。 图5.监控摄像头和扩音器在中控室的监控电脑上可以安装一个程序，该程序可以调出井场的监控画面，并且可以在屏幕上画出一些线条和闭合的多边形，只要在摄像头固定角度的时候，如果有变化的色彩碰触到这些画好的线条或进出闭合的多边形，就会发出报警，以这种非智能的方式间接提醒工作人员注意井场的动态。夜间，井场需配备一定亮度的探照灯，才能实施监控，遇到雷雨天气摄像头出现故障的概率就会高一些。23计量间、集输站自动化计量间的自动化主要方向就是操作，附带着一定量的监控和传感数据。中控室发出指令，通过PLC传送到某个电动执行装置进行动作，从而完成计量倒阀任务，需要监控分离器液位变化，记录上液时间，监控分离器压力、出口压力、单井来液温度、阀位状态，还有一个计量间内可燃气体浓度传感器，这些数据都直接传送到PLC，PLC连接交换机。 图6.自动化计量间24车辆GPS监控中控室配有一台专门监控采油区所有车辆的电脑，安装有GPS客户端，可以对所有车辆的地理位置、运行车速、车内操作进行监控和记录。不仅可以实时监控，也可以调出历史记录进行回放，对违章行为进行追责，促进行车的安全。3物联网在采油区的应用前景纵观目前油区的自动化现状，还不能完全称之为物联网，但是现在的状态是处在向物联网演进过程中的初步发展阶段，如果想进一步向物联网发展，大多数的设备都不需要完全废除，只需给相应的设备添加一些更加智能的芯片，网络的传输容量再扩充一下，或改用覆盖更加广泛、信号更加稳定的网络资源（例如由三大运营商提供的3G无线网），就可以称得上是物联网了。下面我就从构建物联网的三个层面：感知层、网络层和应用层分别探讨在油田的可行性和构想。31感知层感知层好比人的眼睛、耳朵、鼻子，负责收集信息，在采油生产过程中所要收集的信息类型主要包括压力、载荷、电流值，进入计量间采集的信息有温度、可燃气体浓度、液位数据、阀位状态等，这些信息都有相对应的传感器负责收集，只需要单向传递到中控室，工作人员负责监控，所以没有必要再往更加智能的方向升级。但是载荷传感器可以考虑，因为它负责产生油井的一项十分重要的数据功图，石油工程技术人员就是依靠功图来间接判断井下抽油泵的工况，判断出工况才能具体实施不同的下一步措施，否则一出问题就不知什么原因，无从决定下一步工作，只能上作业检泵，使生产成本增加。如果把载荷传感器纳入物联网的范畴，使技术人员在任何时间，任何地点，使用定制的或者通用的终端都能读取到某口井的功图，将极大的提高油井的管理水平。由于功图的重要性，为了减少自动化系统中其他因素对载荷录取的影响，建议功图的读取从现有的自动化系统中脱离出去，建立一套独立的系统，对其进行智能升级，向物联网定义的方向发展。由于本人是非专业人士，具体的实施方案可行与否，以及更深层次的技术细节无从得知，我只能根据现实生活中真实的、已经应用的类似事物做大胆的构想。例如我们人人都有的手机，从最初的只能打电话，到可以发短信，再到可以上网、拍照、播放音乐和视频，其实当手机可以上网的时候，说明它具备了收发数据的功能，此时它又是一个接入互联网的物体，从另一个定义去说，使用手机就可以算是一个物联网的应用了。我的构想简单地说就是把载荷传感器制作成一部可以录取功图数据的3G手机，当然因为目的不同，通话功能、拍照功能、音乐播放功能等都可以去掉，只需要定时发送功图数据，接收一些简单的命令就可以了，网络方面可以利用中国三大电信运营商的3G网，基本上可实现随时随地读取某口井的功图。如下图： 图7.现场读取功图32网络层网络层负责传递和处理感知层获取的信息，也就是网络建设。我区自动化网络的现状是：比较集中的计量间与计量间之间都是用光纤连接的，每个计量间都有一部交换机，是华为3Com公司出品的H3C 3600交换机，有四个光模块接口，24个RJ-45接口，质量上乘，网络比较稳定，问题主要涉及埋地光纤，因为油田每天各种施工比较多，生产部门的现场监督人员往往也不熟悉自动化部门的情况，所以经常出现光纤毁坏的情况，因此往后的建设施工都优先考虑光纤架空。比较偏远的井场，油井又不是很多，产量也不高，或者铺设光纤成本较高的井场，比如我区有两个井场与中控室之间隔有一条河，这些情况采用的是无线网桥传输，但是网络极其不稳定，我怀疑厂家使用的是IEEE 802.11b标准的设备，传输速度11Mbps，实际传输速率是4Mbps到6Mbps，如果加入视频监控，丢包问题很严重，基本上自动化变成了半自动化。可以考虑升级成IEEE802.11g标准的设备，或者添加一个CDMA DTU接入中国电信的CDMA网络，该设备通过标准RS 485 或者RS 232 接口，把串口数据通过CDMA网络进行透明传输，可直接与数据采集器、智能仪表、PLC、单片机控制器等广泛用于工业现场的设备进行连接，实现终端和网管平台的双向通信。这种设备目前很多厂家可以生产，并且通过中国电信认证，中国电信免费提供应用对接测试平台。图8.南京阿达尔生产的CDMA DTU图9.中国电信物联网应用和推广中心33应用层应用层主要涉及到中控室的电脑，安装相应的程序，实施智能分析与控制、信息的挖掘、行业增值应用等。我们现在的情况远未达到起初设想的目标，比如登录北京安控建设的冀东油田信息发布平台，里面的查询系统、一井一法管理系统中都有许多相当好的应用，只是由于感知层收集的数据并不完整和准确，所以应用层的应用也就无法开展。不过相信随着技术的进步、设备的完善，人们勇往直前的摸索和尝试，总是会进步的。4结束语目前，我国物联网发展与全球同处于起步阶段，初步具备了一定的技术、产业和应用基础，呈现出良好的发展态势。产业发展初具基础，技术研发和标准研制取得突破，应用推广初见成效。尽管我国物联网在产业发展、技术研发、标准研制和应用拓展等领域已经取得了一些进展，但应清醒的认识到，我国物联网发展还存在一系列瓶颈和制约因素，主要表现在以下几个方面：核心技术和高端产品与国外差距较大，高端综合集成服务能