基于DMZ的油气工业互联网数据处理系统的制作方法

基于dmz的油气工业互联网数据处理系统
技术领域
1.本发明涉及油气田开发技术领域，特别是涉及到一种基于dmz的油气工业互联网数据处理系统。


背景技术：

2.油气田企业在进行信息化建设时，正逐渐意识到通信安全的重要性。多数企业通过部署网闸和防火墙等措施，加强了企业办公网与工控网、企业网与互联网的隔离，并严格控制工控网服务器出口。但对于重点工控服务器存在监管不到位、外接设备随意插拔、远程访问认证较弱等问题，这在一定程度上降低了系统的安全性。在油气田企业网与通讯运营商之间建立隔离区(demilitarized zone)，可充分满足油气田远距离数据采集部分业务的安全需求，实现将油气田企业网络同其它访问服务的网络分开，阻止内网和外网直接通讯。
3.油气田企业通常使用scada系统(supervisory control and data acquistion system)对分布距离远、生产单元分散的远程终端设备进行监控，利用有线或无线的方式实现数据传输。有线方式通常包括音频电缆、载波电缆、光纤等，无线方式通常包括蓝牙、zigbee、数传电台、gsm短信、gprs、卫星等。在进行远距离数据传输时，gprs技术凭借其资源利用率高、可持续保持在线、传输速率高、资费合理等优势成为scada系统实施时的主推远距离数据采集与处理方案。但随着对数据实时性、密集性和海量性要求的不断提升，基于gprs通讯的方式无论在速率、携带量等方面正逐渐无法满足油气田企业的应用需求。随着4g/5g时代相继到来，应用成熟的4g技术进行油气田远距离数据采集正在得到普遍认可并实施。
4.目前在油气田行业针对边远井站数据的采集通常有如下组合方式。方式1：现场使用数据监控单元收集相关传感器数据，利用gprs-dtu将数据上传至油气田企业网内部进行应用。方式2：现场使用数据监控单元收集相关传感器数据，利用光纤将数据传输至油气田企业网内部。方式1存在传输速率慢、企业数据暴露、工控设备安全度低等问题，方案2存在受铺设光纤、架设无线网桥等费用限制问题，成本过高。
5.为此我们发明了一种新的基于dmz的油气工业互联网数据处理系统，解决了以上技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种可以适应油气田资源分布广、野外开采监控环境恶劣的数据采集及处理应用需求的基于dmz的油气工业互联网数据处理系统。
7.本发明的目的可通过如下技术措施来实现：基于dmz的油气工业互联网数据处理系统，该基于dmz的油气工业互联网数据处理系统包括多个dtu采传单元、dmz子系统和工控子系统，所述多个dtu采传单元安装在油气田远距离井站现场，收集油气田远距离井站现场的数据信号，并通过通讯运营网络与该dmz子系统进行数据交互，该dmz子系统部署于通讯运营商的隔离服务区内，一方面与所述多个dtu采传单元进行通讯，另一方面响应油气田企
业内网的数据获取请求和远程操控请求，该工控子系统部署于油气田某一工控网内部，经过网闸或防火墙与办公网及该dmz子系统进行通讯，进行所有井站数据的收集、监视和控制。
8.本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
9.该dtu采传单元包括4g-dtu模块、rtu模块和多个传感器，所述多个传感器进行井场数据采集，并将采集到的井场数据传输给该rtu模块，该rtu模块连接于所述多个传感器，将接收到的井场数据进行存储后，传输给该4g-dtu模块，该4g-dtu模块连接于该rtu模块，配置网卡，利用通讯运营商网络进行数据传输，以透传来自该dmz子系统和该rtu模块的双向信息，该dmz子系统连接于多个所述4g-dtu模块，按需下发通讯协议控制命令数据流，该命令数据流经所述4g-dtu模块透传给所述rtu模块从而响应控制。
10.所述多个传感器包括：温度传感器、压力传感器、多功能电表、变频器、载荷传感器、位移传感器、液位测量仪、气体浓度检测仪和流量计。
11.该工控子系统包括第一关系库、第一配置客户端模块、第一采集服务模块、第一实时库和监控客户端，该第一配置客户端模块连接于该第一关系库，用以录入该工控子系统的结构化配置数据，并传输给该第一关系库，该第一关系库用于存储该工控子系统的结构化配置数据及油气田井站运行参数的历史数据，并连接于该第一采集服务模块，该第一采集服务模块连接于该第一实时库，与该工控子系统外部的采传单元、该dmz子系统进行数据交互，并将最新数据传输给该第一实时库，同时按设定间隔向该第一关系库写入历史数据，该第一实时库连接于该监控客户端，存储该工控子系统内所有采集参数的最新一条记录，并响应该工控子系统其他模块的数据获取请求，该监控客户端连接于该第一关系库，从该第一关系库获得井站结构化配置数据，并从该第一实时库获得相关参数的最新数据，以进行油井监控，并将远程操控请求发送给该第一采集服务模块，由该第一采集服务模块将远程操控请求传输到该工控子系统外部的该采传单元或该dmz子系统，该采传单元安装于油气田生产现场的控制柜内，利用某一工控网络将数据传输给该工控子系统，该采传单元采集温度、压力、电参、功图、流量、液位这些数据。
12.该工控子系统还包括转储服务模块，该转储服务模块连接于该第一关系库和该第一实时库，从该第一关系库获得转储对象、转储变量及转储目标地址这些信息，并从该第一实时库提取相关参数的最新数据转储到目标系统或接口中。
13.该工控子系统还包括web组态服务模块，该web组态服务模块连接于该第一关系库，从该第一关系库获得组态变量配置信息及组态图，并发布给第三方系统进行使用。
14.该dmz子系统包括第二关系库、第二配置客户端、第二采集服务模块和第二实时库，该第二配置客户端模块连接于该第二关系库，用以录入该dmz子系统的结构化配置数据，并传输给该第二关系库，该第二关系库用于存储该dmz子系统的结构化配置数据及井站运行的历史数据，并连接于该第二采集服务模块，该第二采集服务模块连接于该第二实时库，与所述多个dtu采传单元进行数据交互，并将最新数据传输给该第二实时库，同时按设定间隔向该第二关系库写入历史数据，响应该工控子系统发送的远程操控请求，并将该远程操控请求传输给所述多个dtu采传单元，该第二实时库连接于该第二采集服务模块，存储该dmz子系统内所有采集参数的最新一条记录，并响应该工控子系统的数据获取请求。
15.本发明中的基于dmz的油气工业互联网数据处理系统，本发明提出一种基于dmz的
油气工业互联网数据处理系统，设计架构上充分兼顾数据处理的网络安全性和数据传输速率，保障了油气田远距离数据采集的信息私有性、高速性和工业控制安全性。
16.与现有技术相比，本发明可在3个层面为油气田提高远距离数据采集的信息私有性和工业控制的安全性。(1)dtu采传单元：通过透传4g模块，为油气田提供了一种实施便捷、兼容性高、扩展性强的现场终端数据采集策略。(2)dmz子系统：与通讯运营商合作并采购专网，充分保障了信道的安全性和高速性。同时，作为一个媒介子系统，杜绝油气田内部系统与dtu采传单元发生直接通讯，提供了数据采集与远程控制的安全性。(3)工控子系统：负责油气田工控网和dmz子系统内的数据收集，同时执行高效的、安全的数据采集、组态发布、数据转储、报警推送和监视控制。
17.该基于dmz的油气工业互联网数据处理系统，一方面，利用通信运营商的4g-apn专网与dmz区内系统进行数据交互，确保了通信的高速性和隔离性。另一方面，利用dmz区内系统与油气田企业内部自建网络其它系统通信，确保了应用的安全性。最后，在工控网内实现数据监测、报警监听、数据转储、组态发布等油气田常见应用。通过对传感器、rtu(remote terminal unit,rtu)、dtu、scada系统、应用管理系统的综合集成，为油气田的数据传输与处理架构提供了一种新思路和方法。
附图说明
18.图1为本发明的基于dmz的油气工业互联网数据处理系统的一具体实施例的结构图；
19.图2为本发明的一具体实施例中dtu采传单元的结构示意图；
20.图3为本发明的一具体实施例中工控子系统的结构示意图；
21.图4为本发明的一具体实施例中dmz子系统的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合附图所示，作详细说明如下。
23.如图1所示，图1为本发明的基于dmz的油气工业互联网数据处理系统的结构图。该基于dmz的油气工业互联网数据处理系统，包括安装于现场的多个远距离采传单元(简称dtu采传单元1-n)、部署于安全隔离区的数据处理子系统(简称dmz子系统20)和部署于工控网的数据处理子系统(简称工控子系统30)。
24.dtu采传单元1-n负责收集油气田远距离井站现场的数据信号，并通过通讯运营商的4g-apn网络实现与dmz子系统20的数据交互。dmz子系统20部署于通讯运营商的隔离服务区内，是一种信息安全的通讯架构模式。它一方面负责与现场多个dtu采传单元1-n进行通讯，另一方面负责响应油气田企业内网的数据请求和控制命令要求。工控子系统30部署于油气田某一工控网内部，经过网闸(或防火墙)与办公网及dmz子系统20进行通讯，用于系统涵盖范围内所有井站数据的收集、监视和控制。
25.在一实施例中，dtu采传单元如图2所示，包括4g-dtu模块21、rtu模块22和各类传感器仪表。
26.具体的，油气田现场传感器通常包括温度传感器23、压力传感器24、液位测量仪
25、多功能电表26、变频器设备27、载荷传感器、位移传感器、气体浓度检测仪和流量计等。针对井场数据采集，考虑到传感器供电、安装复杂度、持续生产监测等需求，通常在井场附近架设油井控制柜，内置4g-dtu模块21、rtu模块22、多功能电表26、变频器设备27等设备。多功能电表26及变频器设备27采用电源供电方式，通过rs485接口与rtu模块22通讯，温度23、压力24、位移、载荷传感器采用高效锂电池供电，并设置数据召唤周期(其余时间休眠)，通过zigbee无线接口与rtu模块通讯。
27.在一实施例中，在抽油机井场，主要通过压力传感器采集油井井口回压、套压，温度传感器采集井口油温，载荷传感器、位移传感器采集抽油机示功图数据，多功能电表采集电流、电压、电能等数据。在各类站库主要使用压力传感器采集汇管压力，温度传感器采集汇管温度，流量计采集外输或进站流量数据等。各种传感器通过有线或无线的方式与rtu模块通讯，传感器之间通常无联系。
28.具体的，rtu模块22用于生产现场的数据采集、存储、控制及远程通讯。在上行方面，支持1路以太网口和1路rs232。在下行方面，支持3路rs485、1路zigbee、5路dc4-20ma模拟量输入、12路开关量光隔输入、10路继电器控制输出。在应用中，通过相关下行通讯接口收集传感器数据，并通过rs232接口将数据透传给4g-dtu模块。
29.具体的，4g-dtu模块21负责透传来自dmz子系统20和rtu模块22的双向信息。4g-dtu模块21需要配置apn专网卡，并利用通讯运营商的4g-apn网络进行数据传输。在设备接口方面，支持rs232，以便与rtu模块透传消息。在其它方面，支持固定ip、透明数据传输及协议转换、工业级4g无线通讯功能。
30.在一实施例中，工控子系统如图3所示，包括第一关系库31、第一配置客户端模块32、第一采集服务模块33、第一实时库34、转储服务模块35、web组态服务模块36和监控客户端37。
31.具体的，第一关系库31用于存储系统的配置数据和历史数据(包括采传单元和dtu采传单元)，通常使用稳定且常见的商用数据库，如oracle、mysql等。第一关系库31存储的配置类数据，由系统用户根据现场自动化采集需要配置录入获得。第一关系库31存储的历史数据由采集服务按照相应数据分组存储周期写入。同时，第一关系库31为web组态服务、转储服务及监控客户端提供相应的配置关系结构，供其解析使用。
32.具体的，第一配置客户端模块32仅与第一关系库31发生通讯，负责工控子系统结构化信息的录入。主要包括：节点配置、ip及端口配置、变量模板配置、帧模板配置、组态图绘制、转储任务配置、历史数据存储间隔配置、项目工程备份与还原配置等功能。当用户想要新增采集对象时，需要先利用配置客户端进行相关自动化配置后，才能进行其他相关应用。
33.具体的，第一采集服务模块33是子系统的核心数据交互及响应模块。主要功能如下：功能1负责完成与采传单元、dmz子系统实时库的数据交互。功能2负责向子系统内部实时库写入最新数据，同时按设定间隔向关系库写入历史数据记录。功能3负责响应监控客户端发送的远程操控请求，并将该请求按照相关通讯规约下发至采传单元或dmz子系统的采集服务上。
34.在一实施例中，该采传单元安装于油气田生产现场的控制柜内，利用某一工控网络将数据传输给该工控子系统，该采传单元包括传感器单元和rtu模块，采集温度、压力、电
参、功图、流量、液位等数据。
35.具体的，第一实时库34采用高性能的key-value数据库redis作为内核，用于存储系统内所有采集参数的最新一条记录，负责响应子系统内其他模块的数据获取请求。
36.具体的，转储服务模块35从第一关系库31获得转储对象、转储变量及转储目标地址等信息，并从第一实时库34提取相关参数的最新数据转储到目标系统或接口中。支持socket、数据库共享和webservice等传输方式。
37.具体的，web组态服务模块36从关系库获得组态变量配置信息及组态图,从第一实时库34提取相关参数的最新数据，并通过tomcat发布给第三方系统进行使用。
38.具体的，监控客户端37从关系库获得井站结构化配置数据，并从第一实时库34获得相关参数的最新数据。监控客户端37的功能包括：油井监控列表、单井监控页面、油井远程启停及频率调节、集输导航、注水导航、联合站组态监控、注水站组态监控、接转站组态监控、组态页面历史数据查看、实时报警查看与处置、历史报警查看、报警阈值及使能设置、交接班管理和用户账号管理等。
39.在一实施例中，dmz子系统，如图4所示，包括第二关系库41、第二配置客户端42、第二采集服务模块43和第二实时库44。
40.具体的，第二关系库41用于存储dmz子系统的配置数据和历史数据(仅包括dtu采传单元)，其余功能不再赘述。具体的，第二配置客户端42仅与第二关系库41发生通讯，负责为采集服务提供结构化的解析数据(仅需配置dtu采传单元相关内容)，其余功能不再赘述。
41.具体的，第二采集服务模块43是dmz子系统的核心数据交互及响应模块。主要功能如下：功能1负责完成与dtu采传单元的数据交互。功能2负责向子系统内部实时库写入最新数据，同时按设定间隔向关系库写入历史数据记录。功能3负责响应工控子系统采集服务发送的远程操控请求，并将该请求按照相关通讯规约下发至dtu采传单元上。
42.具体的，第二实时库44负责响应工控子系统采集服务的数据获取请求，其余功能不再赘述。
43.以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当理解为本发明不仅局限于所描述的形式，也不应当看作是对其它实施例的排除。而可用于其它组合、环境和修改，并能够在本发明所述思想构建范围内，通过相近领域技术和知识进行的改动。对于本领域人员所进行的组合变动或变化而不脱离本发明的范围和思路的，都应在本发明的保护范围内。