物聯網建設是設備管理追求卓越的必由之路，是企業增加核心競爭力的重要手段。華北油田依托工業實時大數據技術、數據采集裝置以及網絡基礎設施，構建設備物聯網，實現了通過大數據分析輔助用戶決策，達到工業生產減耗增效、安全生產以及節能減排的目的。選取注水泵和修井機作為設備物聯網運維試點設備，選取設備運維中心數據管理系統作為工業實時大數據技術試點軟件系統。試點方案涵蓋了硬件與軟件、固定設備與移動設備、新設備與老舊設備、一線生產數據與維修保障數據。通過試點應用實現了海量數據實時并發讀寫、海量數據規模下實時檢索、高客戶端接駁量、實時廣域傳輸、任意時間跨度趨勢線實時繪制、任意時間點截面數據實時供給等，較為全面地驗證了華北油田設備運維系統構建物聯網的可行性與有效性。

　　目前，老油田設備運維面臨以下幾個方面的矛盾：

　　(1)設備老化、新技術、新工藝不斷引進與現行設備運維體系相對落后的矛盾。老油田現有設備新度系數低，老化日趨嚴重，運行維修費用逐年攀升，加之2019年開始，國際油價長期在低位徘徊，導致生產經營成本壓力層層傳遞，給設備管理帶來巨大的成本壓力;此外，新技術、新工藝的不斷引進，也給現行的設備運維體系帶來很大壓力，使得設備有序更替、新技術和新工藝引進推廣常態化的實現面臨諸多困難。

　　(2)設備運維能力升級需求與當前技術能力不足的矛盾。巨大的成本壓力以及新工藝、新技術的不斷引進，使得設備運維部門迫切地需要依托工業大數據技術，搭建成熟的設備物聯網運維體系與模式，實現油田設備的全壽命周期數據精細化管理。但在數據的采集、傳輸、清洗、壓縮、寫入、存儲、查詢、讀取、再計算等各個環節[1]，均與傳統技術差別甚大，影響整個設備運維數據處理過程的效率[2]。

　　(3)工業物聯網技術理念的先進性與當前設備運維管理人員認識不到位的矛盾。工業物聯網大數據平臺的搭建，既需要高屋建瓴的頂層設計，也需要扎實可靠的底層技術[3];既要充分考慮工業一線的現實條件，也要設法滿足管理部門的實際需求。但目前設備運維管理人員對工業物聯網技術的認識有限，對底層技術能力的需求認識不足，無法清晰認識現實需求和現有技術之間的必然聯系，很難做出既能滿足各方面需求，又能真正落地實現的物聯網方案。

　　1 、推進設備物網實施的主要做法

　　華北油田在推進設備運維系統升級與設備物聯網化改造工作中，選取注水泵、修井機作為設備物聯網化運維的試點設備，選取設備運維中心數據管理系統作為工業實時大數據技術的試點軟件系統，以全面驗證華北油田設備運維系統升級方案的可行性與有效性。

　　1.1、 注水泵物聯網工作原理及試點

　　通過改造舊設備，加裝合適的信息化收集、傳輸裝置和設備，以及遠程在線檢測，解決設備傳統運行巡檢周期長、數據記錄不全等問題，達到設備實時報警、通過數據模型預測維修等目標。

　　1.1.1、 現場改造及系統功能

　　該項目以華北油田采油三廠楚一聯注水站8臺5ZB-15/44注水泵為試點。安裝噪聲變送器，對液力端的各缸進行監控，即在泵頭下面對應的各個缸上安裝噪聲變送器，對各個缸的噪聲進行監測，判斷易損件是否損壞;在進口管線上安裝進口壓力變送器，對進口壓力進行監測，用于判斷進口壓力是否過低;安裝超聲波流量計，測量單泵出口流量;安裝油溫變送器和液位變送器，即在箱體側面安裝溫度、液位變送器，對潤滑油溫度、液位進行監測，用于判斷油溫是否過熱，油液位是否過低;安裝電動機溫度變送器，利用電動機吊環的螺紋扣，連接溫度變送器，對電動機溫度進行監測，判斷電動機溫度是否過高;安裝采集箱、PLC柜，變送器信號進采集箱，由采集箱再傳送到PLC柜;安裝監控系統的服務器。

　　1.1.2 、數據采集

　　數據采集包括靜態數據、動態數據、人工維護數據的采集和錄入。靜態數據可通過遠程監控平臺進行錄入，動態數據由各類關鍵數據傳感器采集完成，人工維護數據由人工進行錄入。靜態數據采集基礎信息、主機參數、電動機參數、控制柜參數、保養預警、故障代碼庫共六類，49項數據。動態數據采集基礎信息、生產參數、運行參數共三類，37項數據。人工維護數據包括維護保養潤滑記錄、事故情況、故障維修記錄、部件更換記錄、變動記錄等。

　　1.1.3、 數據的應用及試點情況

　　該系統將采集的數據傳輸到華北油田信息中心，包括進口和出口壓力、潤滑油溫度、潤滑油液位、電動機溫度、電壓、電流、用電量、泵頭噪聲、出口流量。現場實時數據采集如圖1所示。

　　1.2 、修井機物聯網工作原理及試點

　　為了實現對野外修井機的有效監控，開發了修井機遠程監控系統。該系統可實現對修井機的運行狀態數據實時監測，可以為現場操作人員提供技術支持，為油田各級管理人員指導現場生產提供決策依據，建立修井機基礎信息數據庫。

　　1.2.1、 現場數據采集子系統

　　修井機現場數據采集子系統包括動態數據采集、靜態數據錄入和設備數據存儲等。采集的動態數據包括環境信息、現場作業信息、設備運行信息、維修和保養信息。環境、作業和運行信息由系統自動采集，維修、保養信息由用戶錄入。靜態數據錄入整車信息、底盤車信息、上裝部件信息，靜態信息由制造廠家錄入，可供用戶查詢。

　　1.2.2 、數據傳輸子系統

　　數據傳輸子系統采用TCP/IP和www技術，通過4G/GPRS無線傳輸方式，將數據實時回傳至遠程監控中心。

　　(1)通信協議。是根據石油天然行業特殊環境在現有各種工業總線基礎之上開發的用于數據傳輸的自定義協議，加入數據校驗和容錯算法，保證數據實時性和準確性。由于是自定義通信協議，具有較強的保密性，在沒有獲得通信協議授權之前是無法解析這些數據的。

　　協議數據的傳輸依賴于現有的各種工業總線(如RS485、以太網等)，該協議具備低冗余特性，便于復雜網絡的數據傳輸。

　　(2)遠程數據傳輸。DTU支持雙通道傳輸數據，支持與多中心進行數據通信，支持域名解析功能。現場DTU把設備的運行數據、作業數據、報警信息、報表等數據通過4G或GPRS傳輸到監控中心服務器，根據數據重要程度，可設置數據傳輸頻率，合理利用流量資源。

　　數據每隔5 s打包上傳至中心服務器上。同時對發出的數據進行CRC效驗，保證數據的正確性。

　　1.2.3、 近程人機交互子系統

　　近程人機交互是以串行通信方式與PLC進行連接，通過軟件界面的方式讓修井現場操作者可以直觀地管理設備，其內容主要包括系統設置、集中監控、實時監控、報警保養提醒、歷史數據、預防性維護、維修記錄、報表、技術資料等。近程人機交互界面如圖3所示。

　　2、 效益評價

　　以上三個設備運維物聯網試點效果明顯，代表性強，發展潛力巨大，為未來的油田設備運維全面物聯網化打下了堅實的基礎[9,10]，起到了良好的示范效應。

　　(1)注水泵經濟效益。通過跟蹤試點注水泵運維費用，其經濟效益明顯(表4)

　　根據統計，目前每臺注水泵每年維修成本大概8.2萬元(含大修費用)，改造后可以使每臺泵每年節約4.2萬元維護費用。油田公司67個注水站512臺注水泵實施物聯網技術改造后，年度節約運維成本2 150萬元。數字化注水泵的改造不僅降低了設備的維護成本，同時降低了設備出現重大故障的概率，保證了設備的有效運行時間，為油田注水提供可靠的保障，其所帶來的直接和間接經濟效益更是可觀。

　　(2)修井機經濟效益。傳統修井機年度維修頻率平均5次，平均單臺年度運維費用18萬元。通過實施物聯網技術，維修頻率降低50%，重要部件使用壽命周期延長2～3倍，綜合維修費用降低60%，年度節約運維費用10.8萬元。油田公司同期服役修井機100余臺，年度節約維修資金可達1 000余萬元。同時因設備使用壽命周期延長約50%，由此可節約大筆設備更新購置資金。以每臺修井機150萬元計，原有設備壽命周期10年，通過物聯網管理下修井機使用壽命可延長至15年，公司修井機設備更新資金投入年度平均節約800萬元以上。

　　(3)設備運維中心數據管理系統在效益試點過程中，僅僅將各臺設備每季度維修次數進行統計，發現并精準定位了異常設備，為進一步的工作提供了可靠的判斷依據。此類應用未來還可以有很多，每一個應用上的創新都能為設備運維帶來可觀的效益與安全性的提升。

　　3 、結論

　　通過開展油田設備管理物聯網試點研究，取得了良好的經濟效益，工作效率和工作質量顯著提升，基于工業實時大數據及物聯網為支撐的設備運維管理模式，具有極大的潛力和旺盛的生命力。借助物聯網技術，不僅實現了當前設備管理提質增效，更為企業今后多方面的發展和創新創造了有利條件。

　　參考文獻

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　　[1]吳振宇.基于Web的物聯網應用體系架構和關鍵技術研究[D] . 北京:北京郵電大學. 2013:26-27.WU Zhenyu. Research on application architecture and key technologies of Internet of things based on Web[D]. Beiing:Beijing University of Posts and Telecommunications,2013:26-27.

　　[2]曹萬巖,趙雪峰,張德發,等.大慶油田站場數字化建設模式實踐與認識[J] . 油氣細地面工程, 2021, 40(1):62-70 CAO Wanyan, ZHAO Xuefeng, ZHANG Defa, et al.Practice and understanding of the digital construction mode of Daqing Oilfield station[J].Oil-Gas Field Surface Engineering,2021,40(1):62-70.

　　《基于物聯網的老油田設備管理應用研究》來源：《油氣田地面工程》，作者：王杰敏;龍堯;申旭陽;黃冠儒;陳曉飛;李希凡;