基于WSN網(wǎng)絡(luò)的油井?dāng)?shù)據(jù)采集

青海油田采油二廠 郭利霞 馬 文 楊世勇 李 斌

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用熱度的不斷升溫，相應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)品得到了迅速的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)中快速地得以推廣應(yīng)用。中石油作為國(guó)內(nèi)石油行業(yè)的龍頭企業(yè)，正在逐步實(shí)現(xiàn)油田的信息化建設(shè)，旨在建立具有國(guó)際先進(jìn)水平的數(shù)字化油田。所謂數(shù)字油田是指通過(guò)信息化與傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)工業(yè)相融合，對(duì)油田的油氣勘探、評(píng)價(jià)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)等過(guò)程實(shí)現(xiàn)連續(xù)的、遠(yuǎn)程的和實(shí)時(shí)的全生命周期管理，優(yōu)化油田資產(chǎn)，提高資產(chǎn)凈現(xiàn)值。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）作為一種新興技術(shù)，是隨著無(wú)線技術(shù)（如RFID、Zigbee）、SOC(片上系統(tǒng))、低功耗嵌入技術(shù)飛速發(fā)展孕育而生。其中以Zigbee技術(shù)組建的WSN網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、分布式和自組織等眾多優(yōu)點(diǎn)迅速得以廣泛應(yīng)用，本文將介紹利用Zigbee技術(shù)搭建的WSN網(wǎng)絡(luò)在油田數(shù)字化井場(chǎng)中的應(yīng)用。

2 項(xiàng)目概述

青海油田作為國(guó)內(nèi)早期開(kāi)發(fā)的油田之一，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的勘探、開(kāi)發(fā)，目前已經(jīng)年產(chǎn)油氣700萬(wàn)，是西部重要的能源基地。隨著中石油集團(tuán)公司數(shù)字油田A11項(xiàng)目在全國(guó)各大油田的大力推廣，青海油田于2010年進(jìn)行了油井?dāng)?shù)字化項(xiàng)目的先導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)，2011年正式開(kāi)始了數(shù)字油井的大量安裝實(shí)施。本文介紹的就是WSN網(wǎng)絡(luò)在青海油田數(shù)字化油井建設(shè)中的應(yīng)用，其中無(wú)線傳感器和無(wú)線RTU均選自北京安控科技股份有限公司基于國(guó)際最新的Zigbee無(wú)線技術(shù)而開(kāi)發(fā)的數(shù)字化產(chǎn)品，包括無(wú)線壓力傳感器（SZ903）、無(wú)線功圖傳感器（SZ902N）、無(wú)線功率模塊（SZ308）及無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊（SZ932）。

3 系統(tǒng)方案及功能實(shí)現(xiàn)

3.1 Zigbee技術(shù)介紹

Zigbee技術(shù)是隨著工業(yè)自動(dòng)化對(duì)于無(wú)線通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蠖a(chǎn)生的，Zigbee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、高可靠、節(jié)點(diǎn)容量大、信息安全等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)控制領(lǐng)域。

ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4強(qiáng)有力的無(wú)線物理層所規(guī)定的全部?jī)?yōu)點(diǎn) ，省電、簡(jiǎn)單、成本又低的規(guī)格；同時(shí)ZigBee又增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層，使得Zigbee技術(shù)相比IEEE 802.15.4具有了自動(dòng)組網(wǎng)等功能。

ZigBee 無(wú)線可使用的頻段有3個(gè)，分別是 2.4GHz 的ISM 頻段、歐洲的 868MHz 頻段及美國(guó)的 915MHz 頻段，而不同頻段可使用的信道分別是 16 、1 、10 個(gè)，在中國(guó)采用2.4G頻段，是免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻率。ZigBee 和802.15.4標(biāo)準(zhǔn)都適合于低速率數(shù)據(jù)傳輸，最大速率為250K，與其他無(wú)線技術(shù)比較，適合傳輸距離相對(duì)較近的應(yīng)用；ZigBee 無(wú)線技術(shù)適合組建WSN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸是非常合適的。

3.2 硬件設(shè)備介紹

現(xiàn)場(chǎng)抽油機(jī)井場(chǎng)安裝的設(shè)備主要有1套無(wú)線RTU控制器，2個(gè)無(wú)線壓力變送器、1個(gè)無(wú)線載荷位移傳感器和1個(gè)無(wú)線功率模塊，由這些無(wú)線設(shè)備構(gòu)成了井場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了以RTU為中心的油井?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3.2.1無(wú)線網(wǎng)關(guān)SZ932

SZ932無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊，是安控公司自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線設(shè)備，可以與安控科技的無(wú)線儀表通訊，組建成WSN，定時(shí)采集無(wú)線儀表的數(shù)據(jù)或者被動(dòng)接受無(wú)線儀表上傳的數(shù)據(jù)。同時(shí)SZ932還可作為協(xié)議轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行Modbus RTU及自定義串口協(xié)議與Modbus TCP之間的轉(zhuǎn)換。

3.2.2無(wú)線功圖傳感器SZ902N

SZ902N無(wú)線功圖傳感器安裝于抽油機(jī)的井口，用于采集抽油井的載荷及位移數(shù)據(jù)，并繪制出抽油機(jī)示功圖，然后通過(guò)無(wú)線方式上傳至RTU。SZ902N采用電陽(yáng)能電池板及電池供電。

3.2.3無(wú)線壓力傳感器SZ903

SZ903無(wú)線壓力變送器，帶就地液晶顯示，用于測(cè)量抽油機(jī)井口油壓和套壓。它采用新型外殼及電路設(shè)計(jì)。

4 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整個(gè)油井SCADA系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示一層是油井現(xiàn)場(chǎng)由無(wú)線儀表及無(wú)線RTU組成的Zigbee短距離WSN網(wǎng)絡(luò)；二層是由電信運(yùn)營(yíng)商提供的CDMA 1X遠(yuǎn)距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)；三層網(wǎng)絡(luò)是由電信至油田數(shù)據(jù)中心連接的專(zhuān)用光纖網(wǎng)絡(luò)。由以上三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的油井SCADA系統(tǒng)完成了對(duì)油井現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集及遠(yuǎn)程控制功能。

圖1 三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖置

4.2 工作原理

針對(duì)以上整個(gè)油井SCADA網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，下文將對(duì)其工作原理進(jìn)行一下介紹，其中主要介紹的是油井Zigbee短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通訊原理及產(chǎn)品設(shè)置方法。

4.2.1 WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無(wú)線Zigbee芯片選用了美國(guó)Digi公司的XBEE-PRO系列產(chǎn)品，Zigbee網(wǎng)絡(luò)中包含三類(lèi)設(shè)備，一是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起并維護(hù)一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，識(shí)別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；二是路由器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；三是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作。由Zigbee無(wú)線產(chǎn)品組織的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀型，其中該項(xiàng)目使用了星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中紅色圖標(biāo)SZ930手操器在WSN網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖菂f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；藍(lán)色圖標(biāo)節(jié)點(diǎn)SZ932無(wú)線網(wǎng)關(guān)模塊在WSN網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖锹酚晒?jié)點(diǎn)；綠色圖標(biāo)SZ903無(wú)線壓力變送器、S902無(wú)線載荷傳感器、SZ308無(wú)線功率模塊在WSN網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖墙K端節(jié)點(diǎn)。

4.2.2 參數(shù)設(shè)置

WSN網(wǎng)絡(luò)中有3類(lèi)設(shè)備需要進(jìn)行無(wú)線參數(shù)設(shè)置，通過(guò)對(duì)各設(shè)備參數(shù)的設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)在油井井口組建不同的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，下面將對(duì)終端、路由、協(xié)調(diào)器的設(shè)置簡(jiǎn)要說(shuō)明，步驟如下：

（1）對(duì)Zigbee模塊進(jìn)行功能劃分，分別下載終端、路由及協(xié)調(diào)器固件程序。通過(guò)以上配置，可以將SZ930設(shè)置為協(xié)調(diào)器，SZ932網(wǎng)關(guān)設(shè)置為路由，SZ903、SZ932、SZ308設(shè)置為終端。參見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 參數(shù)設(shè)置

圖4 參數(shù)設(shè)置

（2）用配置工具配置網(wǎng)絡(luò)ID(PAN_ID)、通道號(hào)（SC）及操作ID(OI)，通過(guò)配置可以將整個(gè)油井內(nèi)的設(shè)備包括RTU、功圖傳感器、壓力傳感器、功率模塊協(xié)調(diào)至一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID中，其中PAN_ID號(hào)為SZ932內(nèi)Zigbee模塊的64位地址，通道號(hào)SC設(shè)置為2，OI設(shè)置為PAN_ID的后四位。路由器和終端的配置過(guò)程如下：

①對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，其中重要的一項(xiàng)參數(shù)設(shè)置就是在每一個(gè)終端設(shè)備中寫(xiě)入路由器RTU的64位地址，用于確定終端設(shè)備在數(shù)據(jù)上傳時(shí)的最終目的設(shè)備，通過(guò)這樣的設(shè)置后，在同一井場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)ID內(nèi)的所有終端設(shè)備數(shù)據(jù)將上傳至井場(chǎng)內(nèi)設(shè)置為路由的RTU內(nèi)部。

②通過(guò)以太網(wǎng)線連接至SZ932，通過(guò)RTU數(shù)據(jù)查看軟件，可以產(chǎn)看到RTU內(nèi)部已經(jīng)上傳的功圖數(shù)據(jù)、壓力數(shù)據(jù)以及電量數(shù)據(jù)。

圖5 參數(shù)查看界面

通過(guò)以上對(duì)無(wú)線RTU及無(wú)線儀表進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)配置，就實(shí)現(xiàn)了井口以SZ932為路由器，SZ903、SZ932、SZ308為終端的油井WSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油井示功圖、壓力、電量參數(shù)等數(shù)據(jù)的全面采集。所有無(wú)線儀表均采用了低功耗的休眠和主動(dòng)上傳機(jī)制，數(shù)據(jù)上傳時(shí)采用了應(yīng)答及重傳模式，從而既保證了以電池供電的無(wú)線儀表可以長(zhǎng)時(shí)間使用，又保證了數(shù)據(jù)可靠穩(wěn)定上傳。SZ932模塊作為井場(chǎng)RTU，是整個(gè)井場(chǎng)WSN網(wǎng)絡(luò)與電信CDMA 1X EVDO網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)模塊，負(fù)責(zé)將油井?dāng)?shù)據(jù)通過(guò)CDMA 1X EVDO網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器，數(shù)以百計(jì)的井場(chǎng)RTU共同構(gòu)成了青海油田數(shù)字油井的SCADA系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

（1）所有無(wú)線儀表均使用了低功耗休眠機(jī)制及主動(dòng)上傳模式，有效保證了儀表電池的可用性，使用壽命可達(dá)2-3年。

（2）RTU數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)中心時(shí)具備數(shù)據(jù)補(bǔ)傳功能，就是在CDMA網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)保存在RTU的FLASH內(nèi)部，當(dāng)CDMA網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)數(shù)據(jù)中心根據(jù)時(shí)間標(biāo)簽自動(dòng)補(bǔ)采RTU內(nèi)部的數(shù)據(jù)，從而很好的保證了數(shù)據(jù)中心歷史數(shù)據(jù)的完整性。

（3）整個(gè)SCADA系統(tǒng)由短距離的井場(chǎng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)距離的CDMA網(wǎng)絡(luò)組成，完全實(shí)現(xiàn)了無(wú)線數(shù)據(jù)采集及傳輸，突破了傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)的局限性。

（4）實(shí)現(xiàn)了叢式井場(chǎng)一拖多功能，即一個(gè)叢式井場(chǎng)RTU可以同時(shí)采集4口油井的示功圖、油壓、套壓、功率共16個(gè)無(wú)線儀表的數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)項(xiàng)目中的單井模式，大大節(jié)約了RTU投資成本。

（5）無(wú)線儀表的使用相比以前有線儀表減少了電纜成本、敷設(shè)成本等，所以在初期投資上節(jié)約了大約10～15%的成本；因?yàn)闊o(wú)線儀表不像有線儀表在井口作業(yè)時(shí)容易斷線、短路損壞等問(wèn)題，所以后期維護(hù)成本節(jié)約大約20%。

6 結(jié)束語(yǔ)

青海油田在數(shù)字化建設(shè)中深入研究了國(guó)外領(lǐng)先技術(shù)，借鑒了兄弟油田的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，選擇了行業(yè)知名企業(yè)進(jìn)行合作，對(duì)不同廠家的產(chǎn)品，在設(shè)計(jì)上采用了標(biāo)準(zhǔn)化，在硬件接口、通訊協(xié)議、數(shù)據(jù)格式進(jìn)行了統(tǒng)一規(guī)范，最終在數(shù)字化油井SCADA建設(shè)中實(shí)現(xiàn)了不同廠家產(chǎn)品的互聯(lián)互通互換，建設(shè)了具有青海油田特色的數(shù)字化油田，為油田進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)奠定了基礎(chǔ)并積累了經(jīng)驗(yàn)。