油田矿井安全远程监测系统方案

一、 需求概述
辽河三角洲上，到处都能看到正在工作的采油钻井，油区地理位置分散，生产作业流动性大，野外施工环境恶劣。如何能更好地实现监测每一个钻井平台的工作状态和生产数据，一直是油田管理层思考的大事。

辽河油田地跨辽宁、内蒙两省区的13个地市，下设采油、科研、集输、销售等20个二级单位，油区地理位置分散，生产作业流动性大，野外施工环境恶劣。同时，辽河油田拥有生产油井近3万口，分布零散，如何能及时掌握油井的生产状态信息，成为提高辽河油田生产率的关键。以往单纯依靠手工现场收集数据的方式不仅不能满足辽河油田的生产需要，而且成为制约企业快速发展的瓶径。利用基础的专线、GPRS、短信业务成功开发了集“现场参数采集、远程数据传输、移动信息化办公、油井场所视频监控”于一体的独具特色的石油行业信息化解决方案，采用无线方案的应用，可以大大地提高辽河油田的生产作业效率和信息化管理水平。

二、解决方案

数九寒天的东北平原上，滴水成冰。当所有的采油钻井都在工作的时候，在油田基地，技术人员可以通过屏幕实时检测到每一口钻井的工作状况与生产数据，这些数据可以通过公司无线传输设备把石油行业信息传送到到基地服务器。
借助“油井数据无线监控系统”，管理人员足不出户就可以通过该系统随时观测到油井的生产状况。油井工作的相关数据每隔两小时传输一次，机井一旦出现故障，示意图就会标示感叹号，维护人员就能够在最短的时间内赶到现场，及时排除故障。以前，采油测试工要到每个现场进行测试，费时费力不说，对每口井的工作状态也很难把握，有时一口井发生故障，往往许多天后才发现。

下面具体了解整套信息化方案的实施：以下分三个不同的应用方案，数据采集、视频监控、短信通知及告警。

方案一 、数据采集：油田的一个采油厂由多口油井、计量站、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，那么整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）就直接关系到油田生产的稳定及原油质量。目前大多由人工每日定时检查设备运行情况并测量、统计采油数据，这样浪费人力、时间。引入了GPRS钻井数据上报系统之后，通过固定在机架上的传感器，管理人员可以及时了解各个机井的工作压力、采油时电压、蒸汽温度等数据，从而确保了油井的安全运转。利用无线数据传输设备，通过互联网传入数据中心服务器，这样完全就解决了辽河油田人工采集数据的问题。此外，通过该技术还实现了油田电力远程无线抄表、油田热注炉数据监控等应用。

系统结构
A、终端设备传感器、采集器或PLC设备：采集油田矿井各仪器仪表的实时数据，支持RS232/RS485接口，自动采集终端设备的各种数据。
B、GPRS DTU：先通过配置软件设置好数据中心提供有效的IP地址及端口及其它关键性的功能设置，再与采集器串口相连。

技术特点

1、 无线参数
1) 支持EGSM900/GSM1800无线网络
2) GPRS multi-slot class 10
3) 编码方案：CS1~CS4
4) 符合SMG31bis技术规范
5) Compliant to GSM phase 2/2+
6) 支持数据和短信功能

2、 硬件系统
1) 高性能RISC 嵌入式处理器，主频100M，512K FLASH。
2) 接口：
同时支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。
天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。
SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口。
电源接口：标准的3芯火车头电源插座。

3) 供电：
外接电源：DC 12V 500mA
宽电压供电：DC 5-35V
通信电流：<250mA (12V)

4) 无线模块
采用高性能工业级GPRS无线模块
5) 尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天线及固定件）
6) 其他参数: 工作环境温度 -25~+65oC
储存温度 -40~+85oC
相对湿度 95%(无凝结)

3、 软件功能
1) 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线
2) 支持RSA，RC4加密算法
3) 支持虚拟数据专用网（APN）
4) 透明数据传输与协议转换，支持多种工作模式
5) 支持数据中心动态域名和IP地址访问
6) 支持双数据中心备份
7) 支持多数据中心
8) 支持短信、语音、数据等唤醒方式以及超时断
9) 支持短消息备份及告警。
10) 多重软硬件看门狗
11) 数据包传输状态报告。
12) 标准的AT命令界面
13) 可以用做普通拨号MODEM
14) 支持telnet功能。
15) 支持远程配置，远程控制
16) 通过串口软件升级
17) 同时支持 LINUX和 WINDOWS 操作系统

C、数据中心：本系统中网络代理服务器可采用固定IPF地址、动态IP+域名解析、APN专网等网络接入， GPRS数据传输终端上电后，它会根据预先设定在其内部的IP地址来主动访问网络代理服务器，通过代理服务器和监控中心建立TCP/IP链路。监控中心主站本身维护接入的每个终端的IP地址和ID号，当主站要向某个监控终端提出数据请求时，它会根据IP地址和ID号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过GRPS数据传输终端把数据发到网络代理服务器端口，通过端口映射转发到监控中心主站，即完成了一个应答式的通讯流程，当油田信息采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。

数据中心系统功能
1、数据检测功能：自动监测、记录采油设备上的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据。采集数据的格式为模拟、数字和串行通信口。还能完成流量和电度的积算。

2、数据共享功能：所测数据以及采油设备的工作状态可以传输到局域网上，实现多方远程数据共享。
3、显示功能：总流程显示、分组流程显示、全部数据列表、分组数据列表、单个仪表历史数据列表，对于日、月、年显示、故障列表显示。
4、辅助分析功能：及时发现停电、缺相、油管堵塞、盗油、液面过低、配重不平衡等异常情况。
5、报警功能：如果检测值超过设定范围，即声光告警，并能在屏幕上显示出现问题的仪表名称以及参数超出的范围，若有多个数据报警，将按顺序显示超值列表。
6、权限设置功能：权限设置分一般操作员、管理员、超级系统管理三种。利用输入用户名和密码加以限制

组网实施：终端通过采集设备与GPRS DTU串口对接，实现对终端数据（温度、压力、流量等）进行实时传输，数据中心通过实时的数据进行分析、监控。实时监控在野外矿井的工作状态，以达到无人值守，无人抄表的目的。



方案二 、油田无线视频监控：

通过互联网络平台为授权用户提供直观、快捷、高效、稳定的井场实时视频图像跟踪服务。做到现场与基地的“零距离”调度指挥，及时发现安全隐患，快速做出科学、合理的整改要求，有效减少跑现场次数，更加安全、高效地实施采油作业。

A、终端视频服务器：支持可设置IP地址及网关，支持以太网口，对视频流进行压缩、编码，可对相关视频参数进行配置、调整。

B、 TD-SCDMA Route：通过现有的3G网络TD-SCDMA，网络带宽大，数据流畅等应用优势，可通过网络需要选择不同的应用协议，支持DHCP功能、支持静态及动态路由协议、支持VPN协议，APN专网等。通过建立VPN安全隧道实现远程访问视频监控。更多设置请参照本站产品的资料。

TD-SCDMA ROUTER 技术特点

1、 无线参数
1) TD-SCDMA：2010~2025MHz
2) GSM：850/900/1800/1900
3) UPLINK：128Kbps，DOWNLINK：384Kbps
2、 硬件系统
1) 工业级ARM9 CPU，主频200M
2) FLASH：4MB（可扩展至16MB）
3) SDRAM：16MB（可扩展至64MB）
4) E2PROM：64KB

5) 接口：
1个10/100M以太网口
1个RS232串口。（根据需要，可支持RS422/RS485），串口速率 110~230400bit
指示灯：具有“Power”、“Online”、“Alarm”、“System”、“Link/ACT”五个指示灯。
天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。
SIM/UIM卡接口：标准的抽屉式用户卡接口（3V/5V）。
电源接口：标准的3芯火车头电源插座。
“Reset”复位按钮，通过此按钮，可将ROUTER的参数配置恢复为出厂值。
6) 供电：
外接电源：DC 12V 1.5A
宽电压供电：DC 5-35V
通信电流：<400mA (12V)

7) 无线模块
采用高性能工业级TD-SCDMA无线模块
8) 尺寸
外形尺寸：157x97x25 mm (不包括天线和安装件)
9) 其他参数:
工作环境温度 -25~+65oC
储存温度 -40~+85oC
相对湿度 95%(无凝结)
3、 软件功能
1) 支持VPN安全隧道功能,包括PPTP、L2TP和IPSEC
2) 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，掉线自动重拨，确保设备永远在线。
3) 支持IPTABLES防火墙，包过滤功能
4) 支持多种协议：TCP/IP，UDP，ICMP，SMTP，HTTP，POP3，OICQ，TELNET，FTP 等。
5) 支持动态路由和静态路由
6) 支持DHCP 功能
7) 支持NAT功能，如SNAT，DNAT
8) 支持动态DDNS
9) 支持DMZ主机
10) 支持路由转发，同时也支持串口数据传输,，数据中心管理
11) 支持VPDN网络
12) 方便的WEB配置，支持远程WEB管理
13) 支持telnet管理，方便易用的控制台shell交互环境

14) 支持多台终端共享router ppp广域网出口
15) 支持多种无线拨号方式：自动分配，指定IP，指定本地对端IP
16) 支持作为PPP服务器，多种认证方式，支持双向认证
17) 方便易用的COM及SYSLOG系统诊断，调试功能
18) 支持串口本地软件升级
19) 支持TFTP软件远程升级
20) 同时支持 LINUX和 WINDOWS 操作系统

C、数据中心服务器：支持互联网接入，在办公室或监控室用某一台PC建立VPN服务器，通过和终端TD-ROUTER 3G路由器建立VPN隧道链路后，实现远程实时访问终端的视频流。

组网实施： TD Router 在拨入互联网的基础上和数据中心建立 VPN 隧道，数据中心可通过安全隧道访问不同终端的视频画面，以达到实时的视频监控功能。

关于如何建立VPN隧道说明文档可电联索取《关于VPN服务器及客户端建立说明》

方案三 、短信通知、告警系统：

终端仪器仪表可设置数据告警，达到一定的设定值就会从串口输出告警信息，通过 GSM DTU自动发送给相关负责人及管理层，以达到第一时间把告警信息通知到位。

A、数据中心配置短信接收装置，短信 MODEM 以及管理者手机也可，能随时接收野外终端的告警信息。

B、终端为矿井仪器仪表，设置告警值之后与GSM DTU 串口连接，当仪器仪表工作时达到设定的告警值时就会自动把告警值从串口输出。

C、 GSM DTU：首先通过配套软件设置对端接收短信的手机号，最多可同时向五个手机号码发送告警信息（可拓展），当告警信息从仪器仪表串口输出到达 GSM DTU时，DTU 就会自动按短信方式发送到事先设定好的手机号码。

GSM DTU 技术特点

1、 无线参数
4) 支持EGSM900/GSM1800无线网络
5) Compliant to GSM phase 2/2+
6) 支持DTMF
7) 支持短信和CSD数据功能
8) 标准AT命令集
2、 硬件系统
9) 高性能RISC 嵌入式处理器，主频100M，512K FLASH。
10)接口：
同时支持RS232/RS485串口。串口速率110~230400bits/s。
指示灯：具有电源、通信及在线指示灯。
天线接口：标准SMA阴头天线接口，特性阻抗50欧。
SIM卡接口：3V/1.8V标准的推杆式用户卡接口。
电源接口：标准的3芯火车头电源插座。

11)供电：
外接电源：DC 12V 500mA
宽电压供电：DC 5-35V
通信电流：<250mA (12V)

12)无线模块
采用高性能工业级GSM无线模块

13)尺寸
外形尺寸：91x58.5x22 mm（不包括天线及固定件）
14)其他参数:
工作环境温度 -25~+65oC
储存温度 -40~+85oC
相对湿度 95%(无凝结)

3、 软件功能


1) 智能防掉线，支持在线检测，在线维持，确保设备永远在线。
2) 支持 RS232/RS485 透明短信传输功能，可同时向 5 个电话号码发送短信（根据客户需要，增加电话号码数）
3) 支持电路交换（CSD）功能，适合于点对点数据通信
4) 多重软硬件看门狗
5) 数据包传输状态报告。
6) 标准的AT命令界面
7) 可以用做普通GSM MODEM
8) 通过串口软件升级
9) 同时支持LINUX和WINDOWS操作系统

三、安全措施

本系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。

数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利旧使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN 设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。对于安全性要求非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。

1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。

2、利用SIM卡的唯一性，对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。

3、对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID和密码， 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。

4、数据加密：通过VPN对整个数据传送过程进行加密保护。

5、网络接入安全鉴定机制：采用防火墙软件，设置网络鉴权和安全防范功能，保障系统安全。

根据以上方案总结了现有工业级大型数据采集及监控的应用，在油田矿井的应用中，除了数据采集外，还要对矿井场所进行实时的视频监控；另外利用GSM网络进行短信告警及短信通知的应用，这样，通过三个不同应用方案的整合体现了整个方案完善性。