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★昆侖數智科技有限責任公司宋子平，孫國寶

★大慶油田力神泵業有限公司吳萌

★昆侖數智科技有限責任公司黃鵬，陳冰

關鍵詞：分布式控制系統；虛擬流量計量系統；系統融合；一體化監控平臺

1　前言

當前，油氣行業已廣泛應用分布式控制系統（DCS系統）和虛擬流量計量系統（VFM系統）。DCS系統用于油田開發、煉油廠運行、管道輸送和石化化工過程的自動化控制和監控，VFM系統用于油井產量估算、管道流量監測和煉油過程優化等領域，它通過數學模型和傳感器數據實現對流體流量的估算和監測。兩大系統獨立運行，分別進行數據采集、處理和控制^[1,2]。

研究發現，DCS和VFM系統在數據和功能層面存在互補關系。DCS系統獲取的過程數據可以作為VFM模型的輸入，提高了流量估算的精度；同時，VFM系統提供的精確流量數據也可以補充DCS的控制數據，使控制策略更加精準^[3,4]。并且，將VFM系統的流量估算功能集成到DCS的控制系統中，可以使DCS系統在缺少物理流量計的情況下，依然能夠獲得準確的流量數據，從而保持高效的過程控制^[5]。隨著油氣行業對實時生產監控和流量精確估算的需求日益增長，DCS系統和VFM系統的集成和融合已成為重要研究方向。

2　VFM系統和DCS系統融合策略研究

DCS系統和VFM系統的融合能夠帶來顯著的優勢：實現數據的實時共享和集成、提供更全面的生產監控和優化，但也面臨數據集成與兼容性、系統復雜性與維護、實時性能與計算資源、安全性與可靠性等方面的諸多挑戰。首先，DCS和VFM系統可能采用不同的數據格式和通信協議，這直接增加了集成的復雜性。當兩者的數據采樣率和時序不同步時，還會引發數據一致性問題。并且，兩大復雜系統的融合，無疑使系統設計、實施及后期維護的復雜度倍增，尤其是面對大量的硬件和軟件接口，挑戰更為嚴峻。這就要求技術人員具備DCS和VFM系統的雙重技能，對團隊的專業素養與知識更新能力也提出了更高的要求。此外，融合系統需要實時處理海量數據，以確保控制決策和流量估算的實時性，這對計算資源和處理能力提出了更高的要求。系統的響應速度也尤為關鍵，直接關乎生產控制和優化的成效，因此必須確保系統在高負載下仍能迅速響應。同時，數據傳輸與存儲的安全性也不容忽視，融合系統面臨著更大的網絡攻擊與數據泄露風險，需構建更為嚴密的安全防護體系。系統集成后的可靠性與容錯能力亦需顯著提升，以防止任一子系統故障波及整個系統，確保生產的連續性與穩定性。

為克服上述難題，本文構建了如圖1所示的技術架構，開發了DCS系統和VFM系統深度融合的一體化的監控平臺。該平臺能夠實現實時數據共享、協同控制和綜合分析。DCS服務器依托傳感器陣列，實時采集壓力、溫度、流量等關鍵參數，并借助OPC通信協議對接VFM系統算法模塊，通過統一的數據采集系統和通信網絡確保數據的可靠傳輸和實時共享。該平臺構建了統一的數據存儲與分析平臺，可進行DCS與VFM系統數據的集中化管理：DCS數據存儲在實時數據庫，經過算法計算得到的流量數據存儲在關系數據庫。數據分析平臺作為智能引擎，集成了先進的數據分析工具與優化策略，助力了生產過程智能化升級，實現了數據價值的深度挖掘與利用。同時，報表模塊定期生成日報、月報，為管理層提供了清晰、全面的數據概覽。該平臺計算得到的流量數據將自動回傳至DCS服務器，并通過操作員工作站（HMI）與工程師工作站，實現綜合的監控和系統管理功能，并形成數據流的閉環管理。HMI以直觀界面綜合展示各類數據，實現了統一操作和監控；工程師工作站用于系統配置、維護和優化，確保了系統持續高效運行。

圖1 DCS系統和VFM系統深度融合的一體化監控平臺技術架構

一體化監控平臺的構建，不僅減少了硬件成本和操作復雜性，還提高了系統的實時性能、可靠性和安全性，同時降低了維護成本，融合架構為油氣行業的智能化和精細化管理提供了強有力的技術支持。相比之下，獨立運行的架構由于數據孤立、冗余設備和操作復雜性，難以實現系統的高效優化和綜合管理。具體分析如表1所示。

表1 DCS系統和VFM系統部署架構對比分析

3　一體化監控平臺現場應用及成效

3.1　應用實踐

面對海外某油田復雜多變的生產環境及其對監控管理的高精度、高效率需求，以及當前使用DCS系統與獨立VFM系統間存在的數據孤島與系統冗余問題，本團隊在實施數字化轉型升級改造項目過程中，將自主研發的一體化監控平臺在該油田進行應用部署，深度融合DCS與VFM系統，實現了從數據采集到控制管理的全面優化。

在油田現場，通過DCS系統集成的傳感器進行數據采集，并采用工業以太網實現現場設備與控制中心的高速數據傳輸。在數據處理和存儲方面，構建實時數據共享和統一管理機制，利用算法模型計算得到流量數據，并將實時、關系數據存入統一的數據庫中，為后續分析提供堅實基礎。在操作和監控方面，操作員通過統一的HMI（人機界面）進行操作，實現了對生產過程的全方位監控，工程師工作站提供了系統配置和維護功能，并支持遠程監控和故障診斷。單井工況監控界面如圖2所示。

圖2 單井工況監控界面

3.2  應用成效

應用實踐證明，DCS系統和VFM系統深度融合的一體化監控平臺不僅提高了生產效率，降低了運營成本，還增強了系統的安全性和數據利用效率。在提升生產效率方面，該平臺實現了實時數據共享，減少了數據傳輸和處理的延遲，提高了生產響應速度。在降低運營成本方面，傳感器數據的共享減少了設備冗余，降低了硬件投資和維護成本。同時，集成系統減少了操作復雜度和人力成本，運營效率提高。在增強安全性方面，實時監控和故障診斷功能增強了對生產過程的控制，減少了事故發生率；統一平臺的安全性和可靠性提升，系統運行更加穩定。在數據利用和分析方面，該平臺實現了數據的統一存儲和管理，便于長周期的數據分析和趨勢預測。在靈活性和擴展性方面，統一的監控平臺具有較強的擴展性，便于未來的系統升級和功能擴展，并且可以根據生產需要，靈活調整控制策略和優化算法。未來，該平臺將持續發揮其強大潛力，將進一步推動油田的智能化和數字化轉型。

4  結論

本文基于DCS系統和VFM系統在數據和功能上的互補性，將二者融合構建了一體化監控平臺。該平臺采用先進的技術手段和管理策略，如統一的通信標準、模塊化設計、高性能計算平臺、數據加密與認證技術等，實現系統的無縫融合與高效運行，充分發揮了綜合優勢。為驗證系統融合效果，我們在海外某油田開展了試驗工作。實踐表明，融合后的系統不僅提高了生產效率，降低了運營成本，還增強了系統的安全性和數據利用效率，能夠推動油氣行業生產管理的智能化和優化。這一技術的研究與應用為油氣行業的數字化轉型提供了強有力的技術支持，展現了良好的發展潛力。

作者簡介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事油氣物聯網咨詢顧問工作。

孫國寶（1985-），男，北京人，工程師，博士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事石油與天然氣工程相關工作。

吳　萌（1988-），男，湖北天門人，工程師，學士，現就職于大慶油田力神泵業有限公司，主要從事采油裝備研發及應用工作。

黃　鵬（1986-），男，甘肅白銀人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事數字化油田建設咨詢服務工作。

陳　冰（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，博士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要從事多相流、石油儀表和控制器、油氣生產數字化和智能化方面的研究。

參考文獻：

[1] 于新華. 石油化工企業中DCS的應用分析[J]. 山東化工, 2023, 52 (9) : 178 - 179.

[2] 卜華偉. 面向油氣田監測的虛擬計量系統的設計與應用[J]. 計算機與數字工程, 2018, 46 (6) : 6.

[3] Cramer R. Multiphase Flow Meter on all Wells—-An Operator's Perspective[C]. Proc. North Sea Flow Measurement Workshop. 2018.

[4] Mishra S, Karanjkar P, Rawat D. Multiphase Virtual Flow Metering: A Step Change in Production Management[C]. Offshore Technology Conference Asia. OTC, 2024: D021S015R002.

[5] Maheshwari N, Lobari S, Saary A A. Production Optimization and Reservoir Monitoring Through Virtual Flow Metering[C]. Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference. SPE, 2022: D031S095R004.

摘自《自動化博覽》2024年9月刊