基于ZigBee的油井載荷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫耀杰+馬曉崢+左兆輝

摘 要： 闡明了在油井作業(yè)過(guò)程中油桿載荷測(cè)量的必要性，并針對(duì)一般油田地區(qū)環(huán)境的特殊性，提出了采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，既解決了復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)、地理環(huán)境干擾、組網(wǎng)困難、擴(kuò)展性差等問(wèn)題，又實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控，這對(duì)油井抽油桿的故障判斷和油田的高效生產(chǎn)管理有著重要意義。

關(guān)鍵詞： 油井； 載荷監(jiān)測(cè)； ZigBee； 無(wú)線(xiàn)監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）03?0094?03

Design of the ZigBee?based load monitoring system for oil well

SUN Yao?jie， MA Xiao?zheng， ZUO Zhao?hui

（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： The necessity of load measurements of the sucker rod in the operating process of oil wells is expounded. A wireless monitoring system based on ZigBee technology is designed for the particular environment of the general oilfield region. The system solved many problems， such as complex field wiring， geographical environment interference， difficult networking and poor scalability. It also can realize the remote wireless monitoring with low power consumption and low cost， which has important significance to the judgment of the sucker rod failure and efficient production management of oilfield.

Keywords： oil well； load measurement； ZigBee； wireless monitoring system

0 引 言

在抽油機(jī)采油過(guò)程中，抽油桿要承受液柱的重力、慣性載荷、摩擦力等沿軸向的拉伸或拉壓交變載荷[1]，如果這些載荷超出抽油桿的承受范圍，油桿很容易脫斷失效，這將大大增加油井的生產(chǎn)難度，進(jìn)而影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此對(duì)油井抽油桿載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，能夠做到有備無(wú)患。并且到油田開(kāi)發(fā)中后期，油井產(chǎn)能降低，產(chǎn)出液含水量或雜質(zhì)量較高，這時(shí)根據(jù)采集的載荷數(shù)據(jù)繪成的示功圖將能夠直觀反映出這些問(wèn)題。這對(duì)油井的安全、高效生產(chǎn)有重要意義。

ZigBee技術(shù)[2]目標(biāo)是讓低成本終端能夠通過(guò)免費(fèi)頻段進(jìn)行低數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)通信和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組建。其性能優(yōu)勢(shì)主要有：采用AES?128加密算法，三級(jí)安全模式保障數(shù)據(jù)通信安全；采用碰撞避免機(jī)制，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，通信穩(wěn)定性高；網(wǎng)絡(luò)容量大，一個(gè) ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)靈活，擴(kuò)展性好。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用CC2530F256作為核心處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)大范圍油井載荷數(shù)據(jù)的采集和傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中，從安裝有ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的油井處采集載荷數(shù)據(jù)，通過(guò)ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)傳輸數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)匯報(bào)到監(jiān)控中心。然后PC對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以直觀簡(jiǎn)潔的方式讓工作人員來(lái)判斷油井的工作狀況。同樣的，監(jiān)控中心可以發(fā)送控制指令，通過(guò)協(xié)調(diào)器路由節(jié)點(diǎn)判斷終端路徑，最終控制對(duì)應(yīng)終端抽油機(jī)的啟停。這樣既能提高油田的生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，又能保證現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)安全，有效減少事故的發(fā)生。

在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點(diǎn)所具有的網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee節(jié)點(diǎn)可分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三種。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中必須惟一，負(fù)責(zé)新建網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)設(shè)定、存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)信息、管理其他節(jié)點(diǎn)等工作；路由器節(jié)點(diǎn)需要一直處于活動(dòng)狀態(tài)，受協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)控制，在自己區(qū)域范圍內(nèi)它可充當(dāng)協(xié)調(diào)器，主要完成路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、通過(guò)其他節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等功能；終端節(jié)點(diǎn)沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，可以通過(guò)路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)收集終端采集的數(shù)據(jù)，可以處于睡眠或者喚醒狀態(tài)。

圖1 油井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的終端設(shè)備由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、電源模塊等組成，如圖2所示。

圖2 終端模塊框圖

當(dāng)油井的抽油機(jī)工作時(shí)，負(fù)荷傳感器供電工作，輸出0～12 mV的差分電壓，將其接入A/D轉(zhuǎn)換器，增益128倍后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再與處理器的通用I/O口相連接，信息經(jīng)過(guò)處理后，最終通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻傳送到路由或協(xié)調(diào)器。

負(fù)荷傳感器采用的是宇航的YHYT?DZ型油田負(fù)荷傳感器，只需將其安裝在抽油機(jī)的平衡鐵上，方便簡(jiǎn)單，不存在安全問(wèn)題。傳感器的原理為橋式電路，故輸出為差分電壓。A/D轉(zhuǎn)換電路芯片采用的HX711。HX711[3] 是一款專(zhuān)為高精度負(fù)載傳感器而設(shè)計(jì)的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。它集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且它與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號(hào)由管腳驅(qū)動(dòng)，無(wú)需對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行編程。

目前，無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)處理器模塊中一般采用TI公司的CC2430/CC2530系列芯片。由于第1代CC2430存在通信距離短、可靠性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，所以采用第2代片上系統(tǒng)CC2530，它比第l代CC2430改進(jìn)了射頻RF收發(fā)器的性能，集成了一個(gè)8051微處理器，能夠很好地匹配RF前端。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z?Stack（TM）），具有256 KB的閃存，提供了一個(gè)強(qiáng)大完整的ZigBee解決方案。相比之前的協(xié)議棧，它具有更好的互操作性、節(jié)點(diǎn)密度管理和數(shù)據(jù)負(fù)荷管理等優(yōu)點(diǎn)，并且支持網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有低功耗的特點(diǎn)，這使得CC2530芯片設(shè)計(jì)的傳感節(jié)點(diǎn)通信距離更遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠。

無(wú)線(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)配置了電池插槽，可由2節(jié)1.5 V干電池供電，也可由外部供電，通過(guò)電壓轉(zhuǎn)換電路將外部輸入5 V電壓轉(zhuǎn)換為MCU工作電壓3.3 V。面板上安裝有LED指示燈，在上面設(shè)置開(kāi)關(guān)，只在調(diào)試過(guò)程中使用，在應(yīng)用中即斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，以節(jié)省能耗。系統(tǒng)還通過(guò)一系列繼電器作為抽油機(jī)開(kāi)關(guān)，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令時(shí)，會(huì)根據(jù)命令內(nèi)容將控制信號(hào)發(fā)送到相應(yīng)的終端，用以控制油井抽油機(jī)的啟停。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要支持三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[4?5]，星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對(duì)于油田應(yīng)用而言，大多傳感器節(jié)點(diǎn)只是簡(jiǎn)單地跟協(xié)調(diào)器和路由器進(jìn)行通信，發(fā)送或接收命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，一般不需要移動(dòng)。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不需要太復(fù)雜，這里采用樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通信外，其他只能通過(guò)樹(shù)狀路由完成消息傳輸。ZigBee執(zhí)行用于AODV 專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)有能力解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失等問(wèn)題。

3.2 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)采用TI公司的Z?STACK協(xié)議棧，使用專(zhuān)業(yè)嵌入式開(kāi)發(fā)工具IAR Embedded Workbench進(jìn)行軟件程序開(kāi)發(fā)，使用C語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)加入、系統(tǒng)休眠等功能的開(kāi)發(fā)。在調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)置LED燈會(huì)快速閃爍；數(shù)據(jù)發(fā)送成功或者終端接收到數(shù)據(jù)時(shí)，LED燈亦會(huì)閃爍。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點(diǎn)要向任何一個(gè)設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，它只需簡(jiǎn)單的將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父節(jié)點(diǎn)，由它的父節(jié)點(diǎn)以它自己的名義執(zhí)行路由；同樣的，任何一個(gè)設(shè)備要給終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)都以它的名義來(lái)回應(yīng)。本系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到監(jiān)控中心發(fā)送的查詢(xún)或控制命令時(shí)，會(huì)根據(jù)命令內(nèi)容將消息發(fā)送到相應(yīng)的終端，終端最后做出回應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)或者控制油井抽油機(jī)啟停的功能。在沒(méi)有收到指令的情況下，終端設(shè)備每隔30 min向監(jiān)控中心發(fā)送一組油桿運(yùn)動(dòng)一周期的載荷數(shù)據(jù)，在監(jiān)控中心存儲(chǔ)，以備數(shù)據(jù)查詢(xún)和發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，其余時(shí)間終端處于休眠狀態(tài)，減少能量的消耗。終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

對(duì)于距離比較遠(yuǎn)的油井，可以與CC2591配合，因協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)中間沒(méi)有其他網(wǎng)絡(luò)，不需路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由選擇，因此采用大功率中繼完成數(shù)據(jù)包的透?jìng)鳎岣咻敵龉β?，增加接收器靈敏度。加大中繼發(fā)射功率后，傳輸距離可達(dá) 2 km，滿(mǎn)足油田的應(yīng)用要求。

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

監(jiān)控中心PC機(jī)通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，通過(guò)輪詢(xún)各 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)獲取各油井的數(shù)據(jù)，并通過(guò)向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)各油井電機(jī)的控制。當(dāng)監(jiān)控中心想要調(diào)取實(shí)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，可以給協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，喚醒對(duì)應(yīng)的處于睡眠狀態(tài)的終端節(jié)點(diǎn)，然后將采集數(shù)據(jù)回傳到監(jiān)控中心。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控平臺(tái)采用微軟Visual Studio 2005集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和 SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件[6]編寫(xiě)，當(dāng)ZigBee 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器，通過(guò)串口連接到PC上后，PC通過(guò)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并存儲(chǔ)，以示功圖[7?8]的形式展示給管理人員，使他們可以隨時(shí)了解各油井的工作狀況。

4 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可行性較高，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)可控增益調(diào)整的功能，提高了載荷測(cè)量精度，達(dá)到了油井示功圖的要求，具有很高的可靠性。同時(shí)有效解決了有線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)存在的連線(xiàn)繁瑣、故障高、可擴(kuò)展性差等問(wèn)題，具有通信靈活、組網(wǎng)快、功耗低、投資成本少等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)啟停的功能，井口油壓實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，由傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)和人工查巡的被動(dòng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾?、電子巡井、自?dòng)控制的主動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化，推動(dòng)了油田向現(xiàn)代化管理轉(zhuǎn)型。

在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上還可以進(jìn)一步建立抽油系統(tǒng)井下工況診斷的物元模型[9]，對(duì)示功圖圖形所反映的井下的不同故障工況進(jìn)行定量的解釋與定性的分析，如出現(xiàn)異常則可自行報(bào)警，深化油田監(jiān)控的智能化管理。

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