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★昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司宋子平，孫國寶

★大慶油田力神泵業(yè)有限公司吳萌

★昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司黃鵬，陳冰

關(guān)鍵詞：分布式控制系統(tǒng)；虛擬流量計(jì)量系統(tǒng)；系統(tǒng)融合；一體化監(jiān)控平臺(tái)

1　前言

當(dāng)前，油氣行業(yè)已廣泛應(yīng)用分布式控制系統(tǒng)（DCS系統(tǒng)）和虛擬流量計(jì)量系統(tǒng)（VFM系統(tǒng)）。DCS系統(tǒng)用于油田開發(fā)、煉油廠運(yùn)行、管道輸送和石化化工過程的自動(dòng)化控制和監(jiān)控，VFM系統(tǒng)用于油井產(chǎn)量估算、管道流量監(jiān)測(cè)和煉油過程優(yōu)化等領(lǐng)域，它通過數(shù)學(xué)模型和傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流量的估算和監(jiān)測(cè)。兩大系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制^[1,2]。

研究發(fā)現(xiàn)，DCS和VFM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)和功能層面存在互補(bǔ)關(guān)系。DCS系統(tǒng)獲取的過程數(shù)據(jù)可以作為VFM模型的輸入，提高了流量估算的精度；同時(shí)，VFM系統(tǒng)提供的精確流量數(shù)據(jù)也可以補(bǔ)充DCS的控制數(shù)據(jù)，使控制策略更加精準(zhǔn)^[3,4]。并且，將VFM系統(tǒng)的流量估算功能集成到DCS的控制系統(tǒng)中，可以使DCS系統(tǒng)在缺少物理流量計(jì)的情況下，依然能夠獲得準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，從而保持高效的過程控制^[5]。隨著油氣行業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)生產(chǎn)監(jiān)控和流量精確估算的需求日益增長(zhǎng)，DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)的集成和融合已成為重要研究方向。

2　VFM系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)融合策略研究

DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)的融合能夠帶來顯著的優(yōu)勢(shì)：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享和集成、提供更全面的生產(chǎn)監(jiān)控和優(yōu)化，但也面臨數(shù)據(jù)集成與兼容性、系統(tǒng)復(fù)雜性與維護(hù)、實(shí)時(shí)性能與計(jì)算資源、安全性與可靠性等方面的諸多挑戰(zhàn)。首先，DCS和VFM系統(tǒng)可能采用不同的數(shù)據(jù)格式和通信協(xié)議，這直接增加了集成的復(fù)雜性。當(dāng)兩者的數(shù)據(jù)采樣率和時(shí)序不同步時(shí)，還會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)一致性問題。并且，兩大復(fù)雜系統(tǒng)的融合，無疑使系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施及后期維護(hù)的復(fù)雜度倍增，尤其是面對(duì)大量的硬件和軟件接口，挑戰(zhàn)更為嚴(yán)峻。這就要求技術(shù)人員具備DCS和VFM系統(tǒng)的雙重技能，對(duì)團(tuán)隊(duì)的專業(yè)素養(yǎng)與知識(shí)更新能力也提出了更高的要求。此外，融合系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)，以確保控制決策和流量估算的實(shí)時(shí)性，這對(duì)計(jì)算資源和處理能力提出了更高的要求。系統(tǒng)的響應(yīng)速度也尤為關(guān)鍵，直接關(guān)乎生產(chǎn)控制和優(yōu)化的成效，因此必須確保系統(tǒng)在高負(fù)載下仍能迅速響應(yīng)。同時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)的安全性也不容忽視，融合系統(tǒng)面臨著更大的網(wǎng)絡(luò)攻擊與數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)，需構(gòu)建更為嚴(yán)密的安全防護(hù)體系。系統(tǒng)集成后的可靠性與容錯(cuò)能力亦需顯著提升，以防止任一子系統(tǒng)故障波及整個(gè)系統(tǒng)，確保生產(chǎn)的連續(xù)性與穩(wěn)定性。

為克服上述難題，本文構(gòu)建了如圖1所示的技術(shù)架構(gòu)，開發(fā)了DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)深度融合的一體化的監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同控制和綜合分析。DCS服務(wù)器依托傳感器陣列，實(shí)時(shí)采集壓力、溫度、流量等關(guān)鍵參數(shù)，并借助OPC通信協(xié)議對(duì)接VFM系統(tǒng)算法模塊，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸和實(shí)時(shí)共享。該平臺(tái)構(gòu)建了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析平臺(tái)，可進(jìn)行DCS與VFM系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集中化管理：DCS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，經(jīng)過算法計(jì)算得到的流量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)作為智能引擎，集成了先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析工具與優(yōu)化策略，助力了生產(chǎn)過程智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)價(jià)值的深度挖掘與利用。同時(shí)，報(bào)表模塊定期生成日?qǐng)?bào)、月報(bào)，為管理層提供了清晰、全面的數(shù)據(jù)概覽。該平臺(tái)計(jì)算得到的流量數(shù)據(jù)將自動(dòng)回傳至DCS服務(wù)器，并通過操作員工作站（HMI）與工程師工作站，實(shí)現(xiàn)綜合的監(jiān)控和系統(tǒng)管理功能，并形成數(shù)據(jù)流的閉環(huán)管理。HMI以直觀界面綜合展示各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一操作和監(jiān)控；工程師工作站用于系統(tǒng)配置、維護(hù)和優(yōu)化，確保了系統(tǒng)持續(xù)高效運(yùn)行。

圖1 DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)深度融合的一體化監(jiān)控平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

一體化監(jiān)控平臺(tái)的構(gòu)建，不僅減少了硬件成本和操作復(fù)雜性，還提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能、可靠性和安全性，同時(shí)降低了維護(hù)成本，融合架構(gòu)為油氣行業(yè)的智能化和精細(xì)化管理提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。相比之下，獨(dú)立運(yùn)行的架構(gòu)由于數(shù)據(jù)孤立、冗余設(shè)備和操作復(fù)雜性，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效優(yōu)化和綜合管理。具體分析如表1所示。

表1 DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)部署架構(gòu)對(duì)比分析

3　一體化監(jiān)控平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及成效

3.1　應(yīng)用實(shí)踐

面對(duì)海外某油田復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境及其對(duì)監(jiān)控管理的高精度、高效率需求，以及當(dāng)前使用DCS系統(tǒng)與獨(dú)立VFM系統(tǒng)間存在的數(shù)據(jù)孤島與系統(tǒng)冗余問題，本團(tuán)隊(duì)在實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)改造項(xiàng)目過程中，將自主研發(fā)的一體化監(jiān)控平臺(tái)在該油田進(jìn)行應(yīng)用部署，深度融合DCS與VFM系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到控制管理的全面優(yōu)化。

在油田現(xiàn)場(chǎng)，通過DCS系統(tǒng)集成的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并采用工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制中心的高速數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)方面，構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一管理機(jī)制，利用算法模型計(jì)算得到流量數(shù)據(jù)，并將實(shí)時(shí)、關(guān)系數(shù)據(jù)存入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫中，為后續(xù)分析提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在操作和監(jiān)控方面，操作員通過統(tǒng)一的HMI（人機(jī)界面）進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)過程的全方位監(jiān)控，工程師工作站提供了系統(tǒng)配置和維護(hù)功能，并支持遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。單井工況監(jiān)控界面如圖2所示。

圖2 單井工況監(jiān)控界面

3.2  應(yīng)用成效

應(yīng)用實(shí)踐證明，DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)深度融合的一體化監(jiān)控平臺(tái)不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了運(yùn)營(yíng)成本，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)利用效率。在提升生產(chǎn)效率方面，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享，減少了數(shù)據(jù)傳輸和處理的延遲，提高了生產(chǎn)響應(yīng)速度。在降低運(yùn)營(yíng)成本方面，傳感器數(shù)據(jù)的共享減少了設(shè)備冗余，降低了硬件投資和維護(hù)成本。同時(shí)，集成系統(tǒng)減少了操作復(fù)雜度和人力成本，運(yùn)營(yíng)效率提高。在增強(qiáng)安全性方面，實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障診斷功能增強(qiáng)了對(duì)生產(chǎn)過程的控制，減少了事故發(fā)生率；統(tǒng)一平臺(tái)的安全性和可靠性提升，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。在數(shù)據(jù)利用和分析方面，該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，便于長(zhǎng)周期的數(shù)據(jù)分析和趨勢(shì)預(yù)測(cè)。在靈活性和擴(kuò)展性方面，統(tǒng)一的監(jiān)控平臺(tái)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，便于未來的系統(tǒng)升級(jí)和功能擴(kuò)展，并且可以根據(jù)生產(chǎn)需要，靈活調(diào)整控制策略和優(yōu)化算法。未來，該平臺(tái)將持續(xù)發(fā)揮其強(qiáng)大潛力，將進(jìn)一步推動(dòng)油田的智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

4  結(jié)論

本文基于DCS系統(tǒng)和VFM系統(tǒng)在數(shù)據(jù)和功能上的互補(bǔ)性，將二者融合構(gòu)建了一體化監(jiān)控平臺(tái)。該平臺(tái)采用先進(jìn)的技術(shù)手段和管理策略，如統(tǒng)一的通信標(biāo)準(zhǔn)、模塊化設(shè)計(jì)、高性能計(jì)算平臺(tái)、數(shù)據(jù)加密與認(rèn)證技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無縫融合與高效運(yùn)行，充分發(fā)揮了綜合優(yōu)勢(shì)。為驗(yàn)證系統(tǒng)融合效果，我們?cè)诤Ｍ饽秤吞镩_展了試驗(yàn)工作。實(shí)踐表明，融合后的系統(tǒng)不僅提高了生產(chǎn)效率，降低了運(yùn)營(yíng)成本，還增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和數(shù)據(jù)利用效率，能夠推動(dòng)油氣行業(yè)生產(chǎn)管理的智能化和優(yōu)化。這一技術(shù)的研究與應(yīng)用為油氣行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，展現(xiàn)了良好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

作者簡(jiǎn)介：

宋子平（1998-），女，河北平泉人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事油氣物聯(lián)網(wǎng)咨詢顧問工作。

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

吳　萌（1988-），男，湖北天門人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于大慶油田力神泵業(yè)有限公司，主要從事采油裝備研發(fā)及應(yīng)用工作。

黃　鵬（1986-），男，甘肅白銀人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要從事數(shù)字化油田建設(shè)咨詢服務(wù)工作。

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

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年9月刊