基于云平台的石油钻机智能管理维护系统研究.pdf

2023年第45卷第4期第7 页文章编号：10 0 5-7 2 7 7(2 0 2 3)0 4-0 0 0 7-0 4基于云平台的石油钻机智能管理维护系统研究电气传动自动化ELECTRICDRIVE AUTOMATIONVol.45,No.42023,45(4):710杨荣1，康凤佳，刘浩1（1.天水电气传动研究所集团有限公司，甘肃天水7 410 2 0；2.中国石油集团有限公司渤海钻探第四钻井分公司，河北河间0 6 2 450）摘要：针对石油钻机设备远程管理、平台监测、智能维护等的需求，设计了基于云平台的石油钻机智能管理维护平台，文章从平台的应用需求、方案设计、系统架构、功能应用等方面进行了详细阐述。并针对管理维护平台的网络拓扑、总体业务规划、信息采集传输、数据存储分析等关键技术进行了研究。平台可实现对不同种类、型号的石油钻机设备进行统一管理、实时监测、故障分析、智能运维等功能。为实现钻机关键设备全生命周期管理、预测性维护及降低钻机设备非计划停机率、故障率奠定了基础。关键词：石油钻机；云平台；智能管理；远程运维中图分类号：TE922Research on Oil Rig Intelligent Management and Maintenance System(1.Tianshui Electric Transmission Research Institute Group Co.,Ltd.,Tianshui 741020,Gansu,China;2.No.4 Drlling Engineering Company,BHDC,Hejian 062450,Hebei,China)Abstract:Aiming at the requirements of remote management,platform monitoring and intelligent maintenance ofoil rig equipment,an intelligent management and maintenance plaform for oil rig based on cloud platform isdesigned.And research was conducted on key technologies such as network topology,overall business planning,information collection and transmission,and data storage analysis for the management and maintenance plaform.The platform can realize unified management,real-time monitoring,fault analysis,intelligent operation andmaintenance and other functions for different types and models of oil rig equipment.It lays a foundation forachieving full lifecycle management,predictive maintenance,and reducing unplanned downtime and failure rates ofdrlling rig equipment.Key words:Oil rig;Cloud Platform;Intelligent management;Remote operation and maintenance文献标志码：ABased on Cloud PlatformYANG Rong,KANG Fengjia,LIU Hao随着国家装备制造业技术的不断发展升级,石油钻机装备也由早期的机械化、电气化向数据化、自动化、智能化不断推进1。原有井队的电气工程师、机械工程师等检修维护人员的专业技术和现场经验已经不能满足新一代钻机设备管理维护的需求。又因钻机经常搬迁，且工作场所多为沙漠、海洋等恶劣野外作业环境2 ,交通极不便利,如果遇到设备维护不到位或故障，配套厂家技术人员又不能及时到达现场,问题得不到及时有效地处理，极基金项目：天水市科技重大专项计划(2 0 2 2-GXJSK-4842)可能引起钻井事故，造成巨大的经济损失。为了保障新一代的钻机设备稳定可靠地运行，不管是钻机最终用户还是钻机设备制造厂家，都需要一套钻机设备远程管理维护系统，能够实时监测设备运行状态,及时处理现场遇到的棘手问题。近几年5G通讯和工业物联网（IIOT)技术快速发展3、信号基站的小型化及建设的便捷化，为实现钻机设备数据远程传输、远程监测、智能运维、故障预测等提供了非常便利的基本条件。8电气传动自动化2023年第4期1需求分析石油钻机管理维护系统是基于云平台的设备监测系统，该系统围绕石油钻机设备的档案管理、远程监测、故障预判、智能诊断、设备维保、备件管理等功能进行设计，由钻机现场设备信息采集传输、云平台数据管理分析、应用功能展示、用户交互界面等组成。系统以钻机现场起升、旋转、循环、动力、控制及辅助系统中主要关键设备为监测对象，通过采集设备运行数据，经现场控制器筛选、规格化、整理打包后统一上传到云管理系统。管理系统对上传数据归档存储、诊断、分析处理，实现钻机设备在线监测、故障预判，同时通过系统维护保养、辅助诊断等模块实现设备的全面维保管理。借助PCWeb页面、手机APP、平板等多种客户端把设备运行信息友好直观地展现在用户面前。1.1实现钻机设备全生命周期管理设备全生命周期管理4 是指管理设备从需求、规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养、直至报废再处置的全生命周期中的信息与过程管理。就钻机设备而言，是指对最初设备的用户需求、技术指标、方案设计，以及随后的设计、生产、调试、运行、维护、保养，直至最后设备报废的整个生命周期做全面的记录、监控、管理。尤其是对设备在使用过程中运行数据、维护保养做全程记录，实现设备的寿命预期、故障预判、设备运行状态综合诊断等功能。监测中心1.2实现钻机设备智能监控设备状态通过实时采集、远程监测、同应用步分析、智能诊断系统,预判设备指示维护故障来提高设备故障的反馈、处理数据管理平台速度，减少设备故障率、停机率。整数据层体提升设备运行效率及智能化管理水平，为后期的设备远程控制，少人化、无人值守、自动化化运行奠定基础。1.3实现数据互联互通统一规划、设计现场基层数据采集接口、通讯规约，方便统一部署与集中采集；管理平台数据格式统一,方便与第三方平台实现数据交换。1.4提高设备整体管理水平通过系统远程监测、故障预判、智能诊断、设备维保、备件管理等各功能模块的搭建及不断优化、完善，实现整套钻机设备管理、维护的智能化，减少现场运行维护人员的投入，提高设备整体运行效率，进而提升设备整体管理的水平。2 方案设计平台基于石油钻采场景下海量装备数据资源，综合运用工业物联网(IIoT)采集数据、工业装备数字资产模型框架管理数据、工业算法与数据挖掘技术浓缩数据，面向管理维护共性需求，设计智能监控、智能分析、智能预警、智能维护等核心服务，为石油钻探场景下的生产、运维、资产管理、知识体系提供全方位智能提升力。平台整体建设遵循统筹性、科学性、经济性、发展性原则,将基础共性需求通过平台建设实现、将差异化的业务需求通过持续开发集成实现、将智能化需求通过算法模型单元实现，即遵循“基础平台+特色应用+算法模型”技术路线，研发石油钻采装备工业物联网云平台、构建钻机智慧化管理维护应用系统、开发与集成钻机设备智能模型,实现石油钻机智能管理维护。展示设备类型统计设备告警中心告警列表数据分析告警配置告警规则模型数据存储数据集成数据权限设备层PLC电控子系统实时故障告警设备养护养护计划养护任务养护技术管理养护人员管理硬件设备管理网关注册配置数据分析平台数据处进数据建模数据计算5G/4G网络物联网关PLC循环子系统图1平台系统架构图实时预警信息基础数据人员权限设备中心下属公司技术资料中心网关功能配置网关设备日志数据采集设备参数CIS数据网关数据PLCPLC起升子系统扩展子系统装备CIS分布2023年第4期杨荣，康凤佳，刘浩基于云平台的石油钻机智能管理维护系统研究92.1平台系统架构基于云平台的石油钻机智能管理维护系统架构遵循设备层、数据层、应用层、展示层4层架构的设计思路,平台系统架构如图1所示。其中设备层属于钻机设备现场，包含参数采集和数据传输网关等。数据层、应用层和展示层隶属于云平台管理中心,实现数据管理、应用服务及展现。系统采用微服务5-6 的开放技术架构,充分降低系统间耦合度，保证系统的可扩展性。2.2系统业务规划石油钻机智能管理维护系统以整套钻机设备为检测单元，按照起升、旋转、循环、动力、控制、辅助等系统对钻机主要设备进行建模，通过采集被监测设备运行数据（温度、压力、转速、电流、电压PFOFINETIntemetRS-485图2 单套钻机设备通讯网络拓扑PCWeb平板远程专家钻机远程智能监控管理系统RTEDB!按照钻井勘探任务进行调度管理，系统集成地理信息系统GIS,对钻机运行位置用户管理设备档案等)感知设备运行状态。数据由本地控制系统PLC统一收集并预处理，再通过4G/5G无线通信网络将数据传送至云平台监控管理系统。智能监控管理系统对监测对象分类建模、建档，按照设备类型分别监测。石油钻机智能管理维护系统单套钻机设备通讯网络拓扑如图2 所示。石油钻机智能管理维护系统总体业务规划如图3所示。3系统主要功能石油钻机智能管理维护系统主要包含以下功能模块：人员管理、设备建档、远程监测、故障预判、智能诊断、设备维保、备件管理、综合分析。各功能模块通过电脑Web页面、手机APP、平板等终端设备展现于用户面前，便于用户在不同场景下操控。3.1人员管理平台登录人员的录人、查询、角色定义(设备科主管、电气师、机械师,井队队长等)以及权限的分配。3.2设备建档以单套钻机为单位，向下按照钻机的起升系统、旋转系统、循环系统、动力系统、控制系统及辅助系统做分类并逐级细化，生成比较完整的设备清单，为整第三方平台手机APP数据交换远程监测故障预判智能诊断维护保养个Bal套钻机建档，管理钻机设备。对建档好的设备可以按照不同的分类查询检索。整套钻井设备与钻井作业队绑定，备件管理综合分析TDU环境实现定位跟踪。3.3远程监测钻机1起升系统旋转系统图3钻机远程智能监控管理系统总体业务规划钻机2循环系统钻机3地图信息钻机动力系统短信提示控制系统排管设备为主要钻机设备建立数学模型，如绞车、转盘、泥浆泵、主电机、传动控制柜、发电机组、顶驱、自动排管系统、铁钻工等，定义关键监测点，通过采集来的数铁钻据对设备及其下属关键器件进行远程实10电气传动自动化2023年第4期时监测，实时掌握现场设备运行情况。对设备运行历史数据分类存储，对数据可随时进行时间、类型等不同维度查询。3.4故障预判对设备运行状态及参数进行实时分析，结合作业工况、钻探工艺设置相应警告和故障提示，实现故障自动预判及定位。随着采集数据的不断积累，创建专有设备的数据库，通过大数据分析完善专家分析诊断功能，对设备做出运行预分析及故障预判断,对故障隐患提前处理,大幅度减少设备故障率和非计划停机率。3.5智能诊断设备有故障时自动提示故障原因并给出排查方法及处理经验。同时通过远程专家诊断功能远程登录钻机现场运行的装置、远程协助诊断故障，全面了解设备运行情况，进行综合具体分析，及时处理现场故障。3.6设备维保对设备的维护点、维护内容、维护时间进行实时跟踪，建立设备维护的动态数据库，以视频、语音、文档等方式为设备维护提供专业的技术指导。同时结合设备相关传感器数据、有效使用数据、最大允许运行等数据，预测计算出设备继续可靠运行时间，并建立相应的维护、预警数据库，用户根据设备维护数据，有计划地对设备进行维护，降低设备故障率、提高钻井效率，实现设备运行阶段全生命周期的智能管理维护。3.7备件管理以井队为单位设计备件模块管理库，对备品备件及和受损器件进行有效地管理，实现对备品备件建档及调度，对损耗设备（泥浆缸套、发电机组空气滤芯、油滤芯等)建档管理。优化备品备件的库存类别与库存量，便于综合调度、提高备件的利用率。3.8综合分析对接人系统平台的大量钻机设备运行数据采集后，进行筛选、分类、存储，进行大数据分析，为进一步改进钻机装备设计、指导设备应用、提高设备效率、保障设备安全提供切实可靠的数据依据。4结论石油是工业的血液,石油钻探、开采是工业血液的造血过程，石油钻机装备的健康稳定运行是石油钻探顺利进行的基础。本文以钻机设备为对象，以实现设备的精准管理、智能监控、故障预判、智能维护为需求，实现降低设备故障率、提升设备管理维护水平、提高设备运行效率的目标，研究设计了基于云平台的石油钻机智能管理维护系统，能够为石油钻机装备远程管理维护技术的应用和平台的搭建提供参考与借鉴。参考文献1叶海超.钻井工程技术现状及发展趋势J.石油科技论坛,2 0 18(0 6):2 3-31.2张军.石油钻机电传动控制系统方案优化配置J.电工技术杂志，2 0 0 4(0 8):7 9-8 1.3 JCCisco.Visual networking index:Forecastand trends,2017-2022 white paperJ.2019.4吴龙.设备全生命周期管理措施探讨J.中国设备工程，2022(07):226-228.5杨建新,姚志强,宋旭杰，等.基于微服务架构的生产管控系统设计与实现J.新技术新工艺，2 0 2 1,40 5(9)：2 8-33.6吴争荣,包新哗，尹立彬，等.基于微服务架构的智能配电网基础平台开发J.计算机应用与软件，2 0 2 2,39(9)：38-44.作者简介：杨荣（19 8 1-），女，本科，高级工程师，主要研究方向为电气传动及控制系统。收稿日期：2 0 2 2-0 2-2 5