基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的柱塞氣舉排水采氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李銳,丁瑞,姚成龍,楊沙琦(長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北 荊州 434023)

柱塞氣舉是一種用于氣井見(jiàn)水初期的排水采氣工藝，通過(guò)在氣井油管中投放柱塞，以柱塞作為氣液之間的機(jī)械界面，借助氣井自身能量，推動(dòng)柱塞以一種循環(huán)方式在油管內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)周期性舉液[1]。利用柱塞氣舉可有效防止液體滑脫和氣體上竄，提高間歇舉升效率。該技術(shù)被作為主體技術(shù)在哈薩克斯坦阿克糾賓油田廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)四川、吐哈等地油田也進(jìn)行了一定數(shù)量的應(yīng)用[2,3]。但柱塞氣舉控制系統(tǒng)都存在現(xiàn)場(chǎng)布線復(fù)雜、操作不夠靈活和成本高的問(wèn)題，并且需要人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行制度調(diào)參，使得柱塞氣舉工作效率低下，操作和管理成本升高[4]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有智能化程度高、信息時(shí)效強(qiáng)、覆蓋區(qū)域廣、支持多路傳感器數(shù)據(jù)同步采集、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)， 其在柱塞氣舉控制系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景[5]。筆者以柱塞到達(dá)傳感器信號(hào)、油壓和套壓為監(jiān)測(cè)目標(biāo)，以氣井工作模式為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的柱塞氣舉控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由井口中央節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。井口中央節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)自組織的方式組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以多跳的網(wǎng)絡(luò)方式將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接收和顯示網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)信息。協(xié)調(diào)器和本地監(jiān)測(cè)中心通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)測(cè)中心接收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理、分析、保存、圖形化顯示與預(yù)警，實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制[6]。協(xié)調(diào)器也可以通過(guò)GPRS模塊接入INTERNET網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳回遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心，便于對(duì)整個(gè)區(qū)塊柱塞氣舉井工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 井口中央節(jié)點(diǎn)

圖2 井口中央節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

井口中央節(jié)點(diǎn)接受來(lái)自監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的信息，其中包括柱塞到達(dá)傳感器信號(hào)，油壓和套壓變化情況[7]。井口中央節(jié)點(diǎn)根據(jù)時(shí)間優(yōu)化方法[1]分別計(jì)算與處理，向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，達(dá)到控制電動(dòng)閥實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)井的目的。系統(tǒng)井口中央節(jié)點(diǎn)核心處理芯片選用CC2530,利用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包括單片機(jī)處理模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊、人機(jī)交互模塊和時(shí)鐘模塊等，具有實(shí)時(shí)采集柱塞氣舉井運(yùn)行參數(shù)、計(jì)算開(kāi)關(guān)井時(shí)間、下發(fā)開(kāi)關(guān)井控制命令、設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)等管理功能[8～10]。同時(shí)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)自組織、選擇參數(shù)等網(wǎng)絡(luò)功能，井口中央節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)完成柱塞是否到達(dá)井口的判斷，油套壓力的采集、處理與發(fā)送，同時(shí)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中向井口中央節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)由電源模塊、控制器模塊、柱塞到達(dá)傳感器模塊、油壓檢測(cè)模塊、套壓檢測(cè)模塊等組成[11]，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電路中設(shè)計(jì)有2路電源，其中5V電源給柱塞到達(dá)傳感器、油壓傳感器、套壓傳感器供電，3.3V電源給控制器模塊供電，獨(dú)立的電源系統(tǒng)保證了信號(hào)監(jiān)測(cè)與處理的穩(wěn)定性。

油套壓傳感器電路將油壓和套壓值轉(zhuǎn)化為4～20mA的電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)變?yōu)?～5V的直流電壓信號(hào)，傳輸至監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的CC2530內(nèi)部AD進(jìn)行采集和處理；選用美國(guó)PCS公司新型3DSO柱塞到達(dá)傳感器，基于霍爾效應(yīng)原理進(jìn)行柱塞到達(dá)檢測(cè)，在柱塞氣舉井開(kāi)井工作期間，當(dāng)柱塞運(yùn)行至井口時(shí)傳感器電路將發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)，利用信號(hào)調(diào)理電路將柱塞到達(dá)傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可處理的數(shù)字信號(hào)，傳輸至CC2530的I/O口。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中的處理器CC2530根據(jù)監(jiān)測(cè)到的柱塞到達(dá)信號(hào)，油壓和套壓值通過(guò)射頻模塊利用天線實(shí)現(xiàn)向井口中央節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2.3 控制節(jié)點(diǎn)

圖4 控制節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)圖

控制節(jié)點(diǎn)利用CC2530接收井口中央節(jié)點(diǎn)發(fā)出的電動(dòng)閥控制信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電動(dòng)閥的啟停，從而達(dá)到控制氣動(dòng)薄膜閥實(shí)現(xiàn)開(kāi)井或關(guān)井操作。控制節(jié)點(diǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)借助IAR軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)ZigBee 2007協(xié)議棧的移植開(kāi)發(fā)，分別設(shè)計(jì)了井口中央節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)軟件。系統(tǒng)以CC2530為核心處理器，采用C語(yǔ)言完成系統(tǒng)軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)互傳和各節(jié)點(diǎn)應(yīng)用層功能[12,13]。

3.1 井口中央節(jié)點(diǎn)

圖5 井口中央節(jié)點(diǎn)流程圖

井口中央節(jié)點(diǎn)軟件包括組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸以及優(yōu)化控制模塊，前者完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與數(shù)據(jù)匯聚、節(jié)點(diǎn)添加等功能；后者通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)傳回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、優(yōu)化處理，給控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，流程圖如5所示。

井口中央節(jié)點(diǎn)上電后，初始化系統(tǒng)和組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。接收網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，由處理器運(yùn)算處理后，發(fā)送控制指令到控制節(jié)點(diǎn)，達(dá)到根據(jù)設(shè)定時(shí)間自動(dòng)控制柱塞氣舉井開(kāi)關(guān)井工作制度的目的[14,15]。根據(jù)柱塞運(yùn)行狀態(tài)，將系統(tǒng)工作階段分為3個(gè)時(shí)間段：等待到達(dá)時(shí)間t1、續(xù)流時(shí)間t2、關(guān)井時(shí)間t3。等待到達(dá)時(shí)間即從關(guān)井時(shí)刻開(kāi)始到柱塞到達(dá)井口的時(shí)間，該時(shí)間段以排液為主；續(xù)流時(shí)間即柱塞到達(dá)井口進(jìn)行采氣的時(shí)間；關(guān)井時(shí)間即停井等待井底能量恢復(fù)時(shí)間。設(shè)柱塞理論上行時(shí)間為t4，柱塞實(shí)際上行時(shí)間為t5，柱塞理論上升速度為250m/min,s為井深，t4=s/250。井口中央節(jié)點(diǎn)設(shè)置有時(shí)間調(diào)節(jié)比率的選項(xiàng)，調(diào)節(jié)比率分別為1∶1、2∶1、3∶1，以ad表示調(diào)節(jié)比率。井口中央節(jié)點(diǎn)根據(jù)柱塞理論上行時(shí)間和柱塞實(shí)際上升時(shí)間，由公式(1)和公式(2)進(jìn)行時(shí)間調(diào)整。

如果t5>t4，判斷柱塞過(guò)緩到達(dá)，表明續(xù)流時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或關(guān)井時(shí)間過(guò)短，則t2、t3為：

(1)

如果t5

(2)

3.2 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)

圖6 監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸2大模塊。前者采集柱塞到達(dá)時(shí)間、油壓和套壓值；后者實(shí)現(xiàn)采集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與井口中央節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸，主要完成柱塞到達(dá)時(shí)間和油、套壓數(shù)值的傳輸。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖如圖6所示。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

圖7 無(wú)障礙測(cè)試丟包率測(cè)試曲線

圖8 有障礙測(cè)試丟包率曲線

為了測(cè)試基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的柱塞氣舉排水采氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸距離，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，進(jìn)行了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的距離測(cè)試試驗(yàn)，其中包括無(wú)障礙測(cè)試和有障礙測(cè)試。

在無(wú)障礙測(cè)試中，共測(cè)算了50組數(shù)據(jù)，通過(guò)查看并對(duì)比數(shù)據(jù)的收發(fā)次數(shù)計(jì)算出數(shù)據(jù)丟包率，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，測(cè)試距離小于80m時(shí)無(wú)丟包現(xiàn)象，通信穩(wěn)定可靠，大于80m之后開(kāi)始出現(xiàn)丟包，因此無(wú)障礙通信距離極限為80m。

在有障礙測(cè)試試驗(yàn)中，通信節(jié)點(diǎn)之間隔一堵墻壁(墻壁厚度約0.3m)，共測(cè)算50組數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，測(cè)試距離小于20m時(shí)，通信狀態(tài)良好，大于20m之后數(shù)據(jù)開(kāi)始丟包。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)受障礙與距離影響較大，為解決這一問(wèn)題，控制系統(tǒng)一方面增設(shè)有功率加強(qiáng)模塊，以增加最遠(yuǎn)通信距離；另一方面，根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果，在按需求布放完各種測(cè)控節(jié)點(diǎn)后，控制系統(tǒng)按照區(qū)域環(huán)境有無(wú)障礙以及所需通信距離合理增設(shè)路由器節(jié)點(diǎn)，在保證數(shù)據(jù)傳輸距離的同時(shí)嚴(yán)格控制丟包率，良好的完成了整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建。

在監(jiān)測(cè)中心的服務(wù)器上，利用組態(tài)王軟件設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件。系統(tǒng)所開(kāi)發(fā)上位機(jī)界面友好，具有傳感器數(shù)值與圖形化顯示，并具有生成報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。圖9所示為組態(tài)王上位機(jī)工作界面。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的柱塞氣舉排水采氣控制系統(tǒng)以CC2530為核心，設(shè)計(jì)了井口中央節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)與井口中央節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，井口中央節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)間的控制命令傳輸，集成有柱塞到達(dá)時(shí)間、油壓值和套壓值采集方法、電磁閥精確控制算法等，實(shí)現(xiàn)柱塞氣舉井的實(shí)時(shí)、按需調(diào)控，保證了柱塞運(yùn)行狀態(tài)的平衡，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量的大幅提高，為柱塞氣舉技術(shù)遠(yuǎn)程控制提供有力技術(shù)支撐。

圖9 組態(tài)王上位機(jī)工作界面

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