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面向石化/油田的工业物联网

1 实验平台名称

面向石化/油田的工业物联网验证示范平台

2 发起单位

中国科学院沈阳自动化研究所

3 合作公司

石化盈科信息技术有限责任公司

4 目标和概述

本平台的目标是通过工业物联网平台实现物联网端数据的快速采集与关联建模，参照oneM2M的工业互联网总体框架，重点开发基于云架构的物联平台，提供海量物联数据的采集、接收、集成、转换、标准化以及智能推送，准确描述现场实际物理情况，为石化企业提供通用物联网平台产品。使得物联平台既可以作为智能制造平台中的物联接入组件，为其提供基础的物联接入能力及泛在感知服务，又可以作为独立产品，为企业提供服务。并进一步在边缘侧分析能源生产消耗、管网差异情况、能源仪表条件、主要指标趋势等方面的数据，发现企业能源薄弱点，从而找到节能点，采取针对性能源优化措施和手段，实现能源运行效益最大化。

面向支撑互联生产和智能服务新模式，工业物联网平台系统的目标，一是提高工业测控系统系统对设备工况的精确感知和精准管控；二是扩大工业测控系统系统与PLM/ERP/MES系统的互联与集成程度，以平台形式支撑系统全流程、全生命周期优化，基于上述目标，我们实现了以下一些核心技术。

• 大规模、低成本的泛在感知：现有工业测控系统系统采用基于现场总线的传感器组网技术，布线维护成本高，难以应对设备工况精确感知和精准管控需要的大规模、低成本感知需求。

• 全流程、全生命周期异构数据集成：现有工业测控系统基于元数据的实时数据和历史数据管理技术，难以应对全流程、全生命周期优化需要的视频、语音、文本、传感各种结构、非结构数据的融合与互操作需求。

• 可重构系统的灵活编程：现有的工业测控系统系统采用的61131编程和IO组态方式，难以应对全流程、全生命周期优化需要的根据市场价格，工况变化进行动态计划、调度和控制的灵活编程需求。

本项目的主要研究思路是：

• 扩展基于无线传感网的泛在化感知方式，可以与现场总线同步采集数据；

• 基于语义化的方式，构建全局统一的语义模型，实现全流程、全生命周期异构数据集成；

• 基于Web服务化架构打破原有的分层数据集成架构，实现自动化系统的扁平化，构建基于服务组合的行为级编程模式，实现全流程、全生命周期集成优化应用的灵活编程。

在上述研究思路的指导下构建物联化、服务化的新一代工业物联网平台系统技术架构，如图1所示。

图1 项目主要研究思路与工业物联网平台体系架构

工业物联网平台系统具有以下四个方面的主要特征：

-- 在感知方面，面向当前工业测控系统/DCS尚未实时监测的大量生产设备和能流、物流管线工况，工业物联网平台采用基于无线传感网的物联网技术，对传统的现场总线技术进行扩展，实现传感器大规模低成本部署和即插即用，并分别针对生产设备群和能流、物流管线的物理位置特点和监控需求，提出了大规模高并发网状和高实时链式组网技术；

-- 在数据采集方面，面向工业物联网平台与现有工业测控系统/DCS互为补充，集成应用的特点，工业物联网平台采用能够实现与现有工业测控系统/DCS时间同步的数据采集技术，并针对海量无线传感器采集数据高效传输和无线传感网与现场总线的同步问题，提出了穿级采样与实时补偿同步技术；

-- 在数据存储与管理方面，面向工业测控系统采集实时工况数据与PLM/ERP/MES管理信息数据综合分析应用的需求，工业物联网平台采用语义化数据集成技术，解决了传统历史数据库和实时数据库难以有效集成问题，并针对感知、控制、管理数据具有的结构、非结构特征，提出了统一语义模型和时空数据语义化搜索技术；

在监控应用编程组态方面，面向综合PLM/ERP/MES、工业测控系统/DCS的全流程、全生命周期的优化应用，工业物联网平台采用Web化服务组合技术，替代传统的61131编程和IO配置方式，并针对工业测控系统系统的行为级编程，提出基于复杂事件处理和动态服务合成的编程技术。

各个子系统和平台的组成与功能如下：

（1）物联化感知组网系统与智能无线仪表

面向当前SCADA/DCS尚未覆盖的生产设备群和能流、物流管线工况的实时监测，提出了大规模高并发网状网和高实时链式网的组网技术，解决了并发冲突和多跳时延问题，并研制了可即插即用的智能无线仪表。

（2）语义化数据集成软件系统

面向SCADA实时工况数据与PLM/ERP/MES管理信息数据综合分析应用的需求，提出统一语义模型和时空数据语义化搜索技术，解决了多源异构感知数据以及跨层、跨域管控数据的集成问题，研制了语义本体库、领域知识库和语义搜索引擎。

图2 互联生产数据语义标准化框架

（3）SCADA编程与服务合成引擎

面向综合PLM/ERP/MES、SCADA/DCS的全流程、全生命周期的优化应用编程需求，提出基于复杂事件处理和动态服务合成的SCADA行为级编程技术，解决了监控功能Web化封装和实时性问题，研制了服务合成引擎。

图3 面向设备控制逻辑的服务组合机制原理

5 应用场景 

面向石油、石化等流程行业和离散制造行业的需求，创新性地设计了互联生产与智能服务全新模式，可形成了初步的系统解决方案。该系统的支撑技术体系和产品将为探索适应中国现状的流程工业智能制造技术标准体系和解决方案，推动企业数字化转型，起到积极的推动作用。

6  预期成果

该平台自主开发了工业物联网平台，并可以实现以下两种生产新模式：

1、基于实时油藏分析的油田互联生产创新模式

为了实现油田的可持续发展，必须解决油田生产信息的实时获取与各工艺流程系统的实时集成分析和动态优化问题。基于无线组网与低功耗数据采集技术，首先通过油田地面注入、举升和集输系统的实时数据采集、分析和优化控制，实现地面生产系统各环节上的闭环。然后基于地面生产各环节的实时数据和油田既有静态数据，通过多环节软件的自动化集成，进一步实现基于动态油藏模型的数字油田工艺控制一体化仿真，大幅缩短油藏分析周期、降低分析难度。使地面生产系统的参数设定，如注入量分配和采收量分配等与地下油藏动态演进相匹配，并能够动态适应性调整，以最优方式生产，从而实现包含地下油藏分析与地面生产系统的数字油田生产的大闭环，如下图所示。

图2.46 闭环动态优化的油田生产运行新模式

基于实时油藏分析的油田注采联合优化生产新模式可以大幅度的提升油田总体生产效率和各环节设备运行能耗，延长设备维护周期，降低维护成本，在国际油价价格较低的今天具有尤其重要的意义。

边缘计算层面，油田无线网关通过采集油井三相电参与油压套压温度数据，可以再边缘侧直接计算功图，进而与抽油机控制器联动，提供计算后的功图模型，避免了数据远距离上传至服务器后计算的传输成本开销。同时可以实现边缘侧智能处理闭环。

2、生产过程参数在线监测与优化管控系统创新模式

石化信息化应用平台运用智能工厂理念，基于现有信息系统，通过系统集成和建模，实现各类生产相关信息的集中管理、实时监控、综合分析，形成一个立体、直观、集中、迅捷的调度指挥信息平台。区别于现有的通过工厂的PCS、MES、ERP的分层式人员进行对装置进行数据监测、维护管理、计划决策的过程，通过大型生产装备预测性维护与智能服务系统将ERP、MES、PCS等系统进行集成，也就是经营管理层、生产营运层、过程控制层的纵向集成，根据全面感知装备数据通过大数据分析，确实预测到一些情况，准确判定出大机组故障原因，对关键部位的提前预警，从而合理安排备品备件采购、预防性维护、智能服务，可以有效降低运维成本、避免非计划停工损失，实现了生产装备管控一体化，自上而下的一体化、智能化。对企业内部各生产环节的信息进行及时、全面、直观、综合的掌控，及时发现问题并调整，提高事故预防、调度指挥和应急联动能力，确保安全和环保。

应用模式如下图所示。

图2.81 应用模式

系统主要包括能源管理、装备监测与诊断分析、移动信息化平台等。系统对企业各类生产相关信息进行集中管理、实时监控、智能分析，成为企业生产运营、综合调度、应急指挥的协同工作平台，并为企业日常调度例会提供信息化支撑。

边缘计算层面，石化无线网关通过采集现场温度、压力数据，同时检测设备装备信息，实现设备状态监控报警、基本计量变量阈值报警，避免了数据远距离上传至服务器后报警应用逻辑的传输成本开销。同时可以实现边缘侧智能处理闭环。

7 技术的示范效应

在技术进步方面，工业物联网平台是IT技术与OT技术的融合，是基于物联网技术、语义化Web技术对传统SCADA系统全面升级。具体包括以下几个方面：

（1）基于互联网Web化开放服务模式，构建了工业物联网系统技术架构。通过集成传感网，提高SCADA系统对设备工况的精确感知和精准管控；通过语义化Web服务集成，扩大SCADA系统与PLM/ERP/MES系统的互联与集成程度，实现系统全流程、全生命周期优化。

（2）为传统工业自动化系统与互联网的融合，提供了新的技术方案，将引领工业物联网技术发展。

（3）可以形成面向流程行业的互联生产与智能服务新模式，构建了面向石油、石化的新型应用系统，为智能工厂的发展提供了新的技术体系。

8 商业价值

以本平台为核心的应用项目已在石油、电网和石化行业实现规模化应用，为企业新增利润1亿4千万元、节约资金1亿3千5佰万元，合计产生经济效益2亿7千余万元。

9 社会价值

 在社会发展方面，我国提出了“中国制造2025”的国家发展战略，到2025年，对我国的制造企业进行全面升级改造，达到制造强国目标。工业物联网平台将对我国制造业升级提供工具平台支撑和技术保障，将形成符合我国国情的智能制造解决方案，对于推动我国流程行业节能减排，提高效率，生产方式升级具有重要的意义。