無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與發(fā)展

吳 軍，滕衛(wèi)衛(wèi)，哈麗扎提·鐵木爾，張新政，楊 磊

（新疆油田公司采油二廠(chǎng)，新疆 克拉瑪依 834008）

隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、電子器件技術(shù)的發(fā)展，低成本、低功耗、多功能的無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備的大規(guī)模開(kāi)發(fā)和廣泛運(yùn)用成為可能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)將眾多同類(lèi)傳感設(shè)備節(jié)點(diǎn)布置在一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，通過(guò)特定協(xié)議高效、穩(wěn)定地自組織起來(lái)，協(xié)同工作完成某項(xiàng)應(yīng)用任務(wù)。

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用也不斷發(fā)展，中石油“十二五信息規(guī)劃”提出的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)正是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油氣田井區(qū)、計(jì)量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在采油采氣廠(chǎng)生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心集中管理和控制的系統(tǒng)。因此，無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和其產(chǎn)品設(shè)備在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

1 無(wú)線(xiàn)傳感關(guān)鍵技術(shù)

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)組成

無(wú)線(xiàn)傳感由數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分布網(wǎng)絡(luò)和后臺(tái)管理控制三部分組成。其中最重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集成了各種信號(hào)的傳感器、數(shù)據(jù)處理控制單元、通信模塊、電源模塊；廣泛分布的傳感設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成一個(gè)有效的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將各種需求數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳送到后臺(tái)的管理控制系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備的電源是其面對(duì)的重要問(wèn)題，一般都采用電池供電，電量有限，相關(guān)器件如無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、微處理器等能耗要盡量小。同時(shí)，為了節(jié)能，其還應(yīng)具有節(jié)能模式如休眠、等待等，以便系統(tǒng)在沒(méi)有任務(wù)的情況下保持低能耗。這些功能由操作系統(tǒng)集成，現(xiàn)在常采用嵌入式操作系統(tǒng)，特點(diǎn)是功能簡(jiǎn)單、內(nèi)核小、占用的資源少；采用模塊化結(jié)構(gòu)，可配置、裁剪，大大降低系統(tǒng)功耗。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備架構(gòu)如圖1所示。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備構(gòu)成

1.2 通訊和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感設(shè)備要進(jìn)行信息傳輸，通常采用無(wú)線(xiàn)射頻的方式進(jìn)行連接。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的堆棧結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)大體相同，分為五層，依次是物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和運(yùn)用層。由于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，每一層面都在開(kāi)展各種研究，為簡(jiǎn)化協(xié)議層次，提高系統(tǒng)工作效率，研究人員利用跨層的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)，把MAC層的控制和底層信號(hào)控制相結(jié)合，來(lái)提高系統(tǒng)的效率，降低能耗。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)

2 無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)研究與應(yīng)用

2.1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)框架

以新疆油田采油二廠(chǎng)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)為例，介紹無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)和其產(chǎn)品的研究與應(yīng)用。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足采油廠(chǎng)日常生產(chǎn)高效、穩(wěn)定運(yùn)行，生產(chǎn)過(guò)程管理、監(jiān)控，以及設(shè)備管理等要求。針對(duì)系統(tǒng)功能要求，以及物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)總體架構(gòu)也分為三層系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)（感知層）、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（網(wǎng)絡(luò)層）、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)（應(yīng)用層）。

無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)，通過(guò)傳感器、射頻識(shí)別、RTU等設(shè)備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、處理，以及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制。采集對(duì)象主要包括單井、計(jì)量間。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)體系架構(gòu)及采集參數(shù)如圖3所示。

圖3 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)及采集參數(shù)設(shè)備

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備技術(shù)與性能對(duì)比

采油二廠(chǎng)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)主要以井、計(jì)量間為主，有3000個(gè)點(diǎn)左右，點(diǎn)多面廣、分布不均。從施工難易度、周期、安裝成本、后期運(yùn)維等多方面綜合考慮，現(xiàn)場(chǎng)主要采用無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備，有效降低設(shè)備安裝成本，安裝和維護(hù)方便、操作靈活、工作效率顯著提高。

為了從數(shù)據(jù)不同采集模式、傳輸方式及采集設(shè)備安裝模式等方面，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)傳感設(shè)備的技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用效果對(duì)比，選取少部分油井，采用有線(xiàn)傳感器設(shè)備。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月測(cè)試運(yùn)行，不同類(lèi)型的傳感器設(shè)備具有不同優(yōu)缺點(diǎn)，具體性能對(duì)比如表1所示。

表1 無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)傳感器設(shè)備性能對(duì)比

2.3 低功耗無(wú)線(xiàn)傳感組網(wǎng)技術(shù)

為保證無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，要盡量降低系統(tǒng)功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技術(shù)，嵌入式操作系統(tǒng)也應(yīng)進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)。

（1）器件低功耗：選擇CPU、Flash、低頻和射頻放大器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)、射頻開(kāi)關(guān)等低功耗器件，從基礎(chǔ)上降低功耗上限。

（2）通信低功耗：使用高精度時(shí)間同步算法，提高時(shí)隙對(duì)齊程度，實(shí)現(xiàn)更短的時(shí)隙及更高程度的休眠，有效增加休眠時(shí)間，降低終端功耗。

（3）軟件低功耗：把嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)成多個(gè)事件處理。系統(tǒng)上電初始化時(shí)，主程序只進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，完成后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。當(dāng)外設(shè)發(fā)生事件，中斷信號(hào)，CPU退出節(jié)電狀態(tài)進(jìn)入事件處理，處理完成后繼續(xù)進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)，降低CPU功耗。

2.4 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

新疆油田公司采油二廠(chǎng)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)通信分為單井和多井無(wú)線(xiàn)傳感通信。單井通信模式主要用于井距較大的、地理環(huán)境較差的或井口有視頻采集的油水井。多井通信模式主要用于在固定區(qū)域內(nèi)井距較近的油水井。兩種通信模式如圖4所示。通過(guò)兩種通信模式結(jié)合設(shè)計(jì)，3000余口油水井只采用了2000個(gè)左右的RTU，節(jié)約了近33%的投資費(fèi)用。

圖4 單井和多井通信模式示意

（1）單井通信模式：無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備→井口控制器(RTU)→中心控制室的數(shù)據(jù)流為單井通信。無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備為傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，如無(wú)線(xiàn)示功儀、無(wú)線(xiàn)壓力、無(wú)線(xiàn)電參等儀表。設(shè)備平時(shí)處于休眠狀態(tài)，定時(shí)喚醒采集數(shù)據(jù)后發(fā)送到RTU。RTU為井口數(shù)據(jù)采集、處理、控制設(shè)備，可通過(guò)通信設(shè)備上傳處理結(jié)果，并接收中心控制室指令控制現(xiàn)場(chǎng)。

（2）多井通信模式：無(wú)線(xiàn)傳感器設(shè)備→井口控制單元（井口路由單元）→多井集聯(lián)中繼器（RTU）→中心控制室的數(shù)據(jù)流為多井集聯(lián)通信模式。多井集聯(lián)通信模式說(shuō)明如下。第一，井口控制單元直傳模式：每個(gè)井口控制單元直接與將多井集聯(lián)中繼器（RTU）連接，再由多井集聯(lián)中繼器（RTU）將數(shù)據(jù)上傳到中心控制室。第二，多井集聯(lián)路由跳轉(zhuǎn)模式：1#井控制單元至n#井口控制單元與多井集聯(lián)中繼器（RTU）直接通信，而2#井控制單元與多井集聯(lián)中繼器（RTU）之間有阻擋或本控制單元故障，不能直接通信，但2#井設(shè)備通過(guò)ZigBee Pro或WIA協(xié)議的路由功能，其數(shù)據(jù)通過(guò)1#井設(shè)備路由，上傳到多井集聯(lián)中繼器（RTU）中。

2.5 無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備與RTU控制單元通信

油井無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備與井口RTU控制單元之間的通信具有常規(guī)數(shù)據(jù)采集、儀表參數(shù)讀取、功圖數(shù)據(jù)采集以及電量圖數(shù)據(jù)采集。無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備采用休眠→喚醒→發(fā)送數(shù)據(jù)→接收命令→執(zhí)行→休眠的方式。各類(lèi)數(shù)據(jù)采集通信時(shí)序如圖5所示。

圖5 傳感設(shè)備與RTU通信時(shí)序

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備具有應(yīng)用特異化的特點(diǎn)，針對(duì)工業(yè)、軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)完全不同，而工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足工業(yè)應(yīng)用高可靠、低能耗等特殊需求。無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在石油企業(yè)的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，是對(duì)現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和技術(shù)創(chuàng)新。

3 結(jié) 語(yǔ)

[1]魏杰.面向工業(yè)應(yīng)用的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2011.

[2]陳濤,劉景泰,邴志剛.無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)研究與運(yùn)用綜述[J].自動(dòng)化與儀表,2005(z1).