基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)油田智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王文珍

(中南民族大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)的基本功能是將一系列在空間上分散的傳感器單元通過(guò)自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯總，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理［1］。因具有成本低、范圍大、布設(shè)靈活、移動(dòng)支持等特點(diǎn)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在工業(yè)監(jiān)控、智能電力、礦山安全、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)等行業(yè)的應(yīng)用一直廣受重視。

針對(duì)油田作業(yè)區(qū)的特點(diǎn)和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性，開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、通信傳輸、油田作業(yè)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度指揮和無(wú)人值守作業(yè)等功能。

1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系研究

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成［2］，如圖1 所示。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of wireless sensor network

分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu);傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理;在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。

2 油田智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，分析和設(shè)計(jì)架構(gòu)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入油田作業(yè)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)油田作業(yè)區(qū)、井場(chǎng)的智能監(jiān)控與管理。

2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心等組成，通信部分采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。監(jiān)控中心一般設(shè)置在礦部、隊(duì)部或其他監(jiān)控調(diào)度部門，包括管理計(jì)算機(jī)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。

采集系統(tǒng)由儀表和采集電路組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和組織、無(wú)線模塊的控制。現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由各節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)或CDMA 網(wǎng)絡(luò)組成［3］。

井區(qū)聯(lián)合站或監(jiān)控中心通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)取得現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)并做數(shù)據(jù)記錄，形成歷史曲線和實(shí)時(shí)曲線;根據(jù)數(shù)據(jù)判斷各油井的生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)異常情況提出報(bào)警;為日常生產(chǎn)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持和圖表分析工具。井區(qū)聯(lián)合站的另外一個(gè)重要的功能是為其他生產(chǎn)組織部門提供數(shù)據(jù)來(lái)源，例如油田指揮中心和其他生產(chǎn)區(qū)辦公地點(diǎn)，可以通過(guò)油網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)(virtual private network，VPN)從井區(qū)聯(lián)合站處得到油井生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)，還可以通過(guò)井區(qū)聯(lián)合站得到完整的歷史數(shù)據(jù)，作為生產(chǎn)計(jì)劃制定的重要依據(jù)。這一系統(tǒng)可以很好地與前期已經(jīng)完成的聯(lián)合站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)整合在一起。

其他生產(chǎn)組織部門通過(guò)以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)而不是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場(chǎng)讀取數(shù)據(jù)。這樣做有兩個(gè)好處:①減輕現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)，以便能更好地利用帶寬資源;②減少通信費(fèi)用和設(shè)備成本，更好地利用現(xiàn)有的油網(wǎng) VPN 資源［4］。

2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接Fig.2 ZigBee network connections

由于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不需要復(fù)雜的線路連接，可靠性高，特點(diǎn)突出，因此，采用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將各井場(chǎng)的采集設(shè)備構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)。

ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過(guò)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，將收到的信息傳到遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit，RTU)設(shè)備，再通過(guò)GPRS或有線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信［5］。

油井工作狀態(tài)傳感器主要有:示功圖傳感器、載荷傳感器、被監(jiān)控開(kāi)關(guān)斷/合傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電壓過(guò)壓傳感器、井口套管壓力監(jiān)測(cè)、漏油/盜油監(jiān)測(cè)、油井實(shí)時(shí)故障報(bào)警、欠壓報(bào)警、電流過(guò)流報(bào)警、抽油機(jī)啟停報(bào)警、漏油/盜油報(bào)警及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和打印。系統(tǒng)留有擴(kuò)展口，可根據(jù)油井情況和客戶需求增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

這些傳感器將油井的工作狀態(tài)變換成對(duì)應(yīng)的電壓或電流值，通過(guò)ZigBee通信模塊送至遠(yuǎn)程智能無(wú)線數(shù)據(jù)采集控制器RTU。值班人員也可以通過(guò)組態(tài)軟件來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)前端設(shè)備的運(yùn)行情況，也可對(duì)井場(chǎng)閥門的遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)和抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有三種類型的節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)［6］。終端節(jié)點(diǎn)上分別連接監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種傳感器。終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)到RTU，臨近協(xié)調(diào)器的終端節(jié)點(diǎn)也可直接與協(xié)調(diào)器通信。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)唯一的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與RTU通信。路由節(jié)點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的所有功能。

節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)均處于休眠狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)或有外部請(qǐng)求時(shí)自動(dòng)喚醒。遠(yuǎn)程控制中心可以通過(guò)公用電話網(wǎng)、GPRS等方式與RTU通信，以控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作［7］。系統(tǒng)采用蓄電池為節(jié)點(diǎn)供電，利用太陽(yáng)能電池板采集能量為蓄電池充電。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

本文根據(jù)采油井場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種分簇式鏈狀即層次型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［8］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井場(chǎng)傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of well-site sensor system

對(duì)于采油井場(chǎng)應(yīng)用而言，并不需要特別多的傳感器節(jié)點(diǎn)，大多節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單地接收協(xié)調(diào)器和路由器的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，不需要移動(dòng)且可重復(fù)利用;節(jié)點(diǎn)之間一般也不需要復(fù)雜的相互通信。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，由于井場(chǎng)范圍小且節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)不需要太復(fù)雜。

層次型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器的遠(yuǎn)近劃分成簇，每個(gè)簇由相互靠近的節(jié)點(diǎn)組成，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以不同。其中，端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)對(duì)井場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每一個(gè)簇首負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)本簇中端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并收集來(lái)自這些端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在收集完本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)后，每一個(gè)簇首會(huì)把這些數(shù)據(jù)通過(guò)它前面的簇首，以逐級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送給網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心相連，網(wǎng)絡(luò)的骨干結(jié)構(gòu)則由每一個(gè)簇的簇首和協(xié)調(diào)器組成［9］。

根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)的需要，端節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)可以靈活配置:簇的數(shù)量可以根據(jù)井場(chǎng)空間環(huán)境和需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)單元靈活地劃分確定，也可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行增減，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)參數(shù)的無(wú)縫監(jiān)測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)淇刂茩C(jī)制和路由機(jī)制簡(jiǎn)單、能量消耗低的優(yōu)點(diǎn)［10－12］。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能模塊如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)儀表的功能模塊Fig.4 The functional modules of the field instruments

現(xiàn)場(chǎng)采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和壓縮，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的判斷和故障提示?，F(xiàn)場(chǎng)儀表包括壓力計(jì)、流量計(jì)、溫度計(jì)、液位計(jì)和檢測(cè)抽油機(jī)工作狀態(tài)的位置、角度檢測(cè)儀表。

控制模塊可以控制抽油機(jī)的啟停，可遠(yuǎn)程設(shè)置自動(dòng)啟停和間開(kāi)時(shí)間，并保存一定量的歷史數(shù)據(jù)。由于無(wú)線傳輸受多種因素影響，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)較弱時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)通信失敗的情況。在這種情況下，現(xiàn)場(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)采集模塊記錄，通信恢復(fù)后采集模塊操作通信模塊，將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)出去。這就保證了數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)分析時(shí)因?yàn)閿?shù)據(jù)缺失而造成一些情況無(wú)法正常分析。

2.5 監(jiān)視控制軟件

監(jiān)視控制軟件是實(shí)現(xiàn)基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)智能控制與管理的平臺(tái)。它運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，對(duì)所采集的傳感信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在此，監(jiān)視控制軟件應(yīng)該能夠通過(guò)接口平臺(tái)、數(shù)據(jù)交換、圖形技術(shù)等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建庫(kù)、統(tǒng)一處理、關(guān)聯(lián)分析和多方展示。

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)管理、人工巡檢、大海撈針、守株待兔的被動(dòng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾?、電子巡井、“精確制導(dǎo)”的主動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化，推動(dòng)了油田向管理現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

系統(tǒng)通過(guò)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、預(yù)警管理、遠(yuǎn)程控制等功能，實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)無(wú)人值守，有效節(jié)約了人工成本;視頻監(jiān)控、視頻行為分析、語(yǔ)音提示等功能加強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)安全管理，強(qiáng)化了安防水平;抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程啟停，井口油壓實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測(cè)，減少了員工巡井頻次，降低了油田工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸;井場(chǎng)安裝有自動(dòng)投球裝置，實(shí)現(xiàn)了油井不間斷投球作業(yè)，提高了工作效率。因此，實(shí)行井站一體化管理，減少工作環(huán)節(jié)，生產(chǎn)組織將更加快捷、高效。

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