集成一體化傳感器技術(shù)及窄帶低功耗傳輸技術(shù)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

李 群，班興安，柴永財，鄧鐵柱

（1.中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，蘭州 730050；2.中國石油勘探與生產(chǎn)分公司，北京 100007）

圖1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Oil and gas production IoT system

1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)簡介

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立覆蓋油氣井、計量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管控平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，支持油氣生產(chǎn)過程管理的系統(tǒng)，系統(tǒng)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層（見圖1）。

感知層通過儀表、傳感器、攝像頭、手持終端等技術(shù)，實現(xiàn)對油氣水井、場站現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)狀態(tài)的感知；傳輸層采用無線結(jié)合有線的組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)油氣水和站場等生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像、控制指令等穩(wěn)定、可靠傳輸；應(yīng)用層通過分析采集的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)、處理全過程的生產(chǎn)管理、預(yù)測預(yù)警、趨勢分析等。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對感知層和傳輸層的要求及相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)品

在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中，感知層采集生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)需要大量的傳感器和儀表設(shè)備，這些設(shè)備一般工作環(huán)境惡劣、在極端環(huán)境下要求也能可靠工作，隨之帶來的是維護工作量大。為保證整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，需要在感知層，采用工業(yè)級高可靠與可維護、少維護的傳感器和儀表設(shè)備。需要創(chuàng)新設(shè)計以有效支持產(chǎn)品可靠性與可維護性的實現(xiàn)。

2.1 感知層的設(shè)備要具有高可靠性

具體表現(xiàn)在：1）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與電路防護性能優(yōu)異，可在-40℃～+80℃寬溫差范圍及交變濕熱、粉塵等惡劣環(huán)境中可靠工作；2）抗電磁干擾（雷電沖擊等）性能優(yōu)異；如RTU需通過國標型式試驗EMC 4級測試；3）設(shè)備外殼結(jié)構(gòu)需要水密、氣密、隔爆性能優(yōu)秀，密封圈構(gòu)造抗老化性能優(yōu)異；4）設(shè)備內(nèi)置高精度標準源電路與智能自校準、自診斷設(shè)計，保證在復(fù)雜工況下長時間工作依然保持高精度、高穩(wěn)定；5）具有智能功能，儀表或變送器嵌入智能系統(tǒng)，可存儲、上報數(shù)據(jù)異常、超限預(yù)警等信息；6）對無線儀表，應(yīng)采用內(nèi)置太陽能供電，保證電池長續(xù)航能力，減少電池更換頻次；7）具有在線維護能力：RTU、儀表具備遠程在線調(diào)試、設(shè)置、維護功能，可以大幅減少現(xiàn)場工作量。

2.2 集成一體化傳感器特點

根據(jù)以上7點高可靠性要求，一些采用新技術(shù)的集成一體化傳感器應(yīng)運而生，具體有以下特點：

1）長續(xù)航，采用微功耗電路設(shè)計與智能電源管理技術(shù)，變送器休眠電流低至2ua，平均功耗0.98mw。采用動態(tài)休眠與動態(tài)開關(guān)控制技術(shù)，僅用電池供電即可在分鐘級數(shù)據(jù)采集與無線通訊傳輸條件下使用兩年以上，遠高于市場常規(guī)的不足1年的電池續(xù)航能力；另外采用一體化太陽能與后備電池兩級供電技術(shù)，基本保證設(shè)備全生命周期無需更換電池。以示功儀為例，設(shè)備采用太陽能技術(shù)，成本提高不到10%的前提下，電池續(xù)航能力延長3倍，大幅減少后期電池更換維護成本支出90%以上。同時采用低溫涓流充電與瞬時放電電路設(shè)計，滿足低至-40℃極寒大氣環(huán)境下的無線射頻發(fā)射所需電流。

2）平臺化及模塊化設(shè)計，滿足多種通訊方式的選擇（Zigbee、WIA-PA、LoRa、NB-IOT），減少因通訊方式改變造成的產(chǎn)品更換成本。

3）多種儀表共用同一變送器平臺，自動識別傳感器種類（壓力或溫度），一套變送器可同時采集壓力、溫度兩種變送器數(shù)據(jù)，降低變送器成本30%以上。同時減少現(xiàn)場安裝調(diào)試一半的工作量。

4）三合一智能RTU，集合RTU、4G通訊、電參3種設(shè)備功能為一體，簡化了現(xiàn)場設(shè)備配置及數(shù)量，大幅降低設(shè)備采購成本50%以上，大幅減少現(xiàn)場安裝調(diào)試工作量50%以上，同時大幅降低后期維護工作量成本。按照油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)標準測算，單井減少了一個電參、一個CPE通訊模塊，叢式井可以減少N-1個RTU+1個電參+1個CPE通信模塊（N≤5），降低成本顯著。

下一步，隨著智能變送器的使用，對設(shè)備可靠性的要求與運維信息的要求越來越多，智能化的測量設(shè)備應(yīng)具備智能工況監(jiān)測和異常判斷、完備的生命周期數(shù)據(jù)，支持設(shè)備生命周期管理、智能運維和深度智能應(yīng)用挖掘。如模塊化的RTU設(shè)計，可組合電機控制、視頻監(jiān)控、變頻調(diào)速、AI運算等多種業(yè)務(wù)功能，支持多種通訊方式和I/O接口拓展。業(yè)務(wù)前置通過邊緣計算完成多種復(fù)雜分析控制功能。設(shè)備主動上報的異常狀況，設(shè)備預(yù)測壽命，設(shè)備自身的操作/檢定，進一步提升了智能設(shè)備運維管理水平。

2.3 采用移動通訊技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)傳輸層建設(shè)的趨勢

在傳輸層，自20世紀80年代開始，移動通訊技術(shù)歷經(jīng)從2G—3G—4G—5G的持續(xù)提升，覆蓋范圍從中心城市——中小城市——城鎮(zhèn)——農(nóng)村，已基本實現(xiàn)全國廣覆蓋。規(guī)模化公共移動通訊網(wǎng)建設(shè)帶來了單位成本和資費大幅下降，“廣覆蓋、高速率、大容量、低資費”的通訊網(wǎng)絡(luò)時代已經(jīng)到來，利用公共無線通訊網(wǎng)絡(luò)可以快速安全實現(xiàn)對業(yè)務(wù)區(qū)域全覆蓋，全覆蓋規(guī)模化應(yīng)用可以大幅降低單位投資成本，避免了巨額專網(wǎng)投資及升級、維護帶來的成本。因此，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)傳輸層采用公共網(wǎng)絡(luò)資源及專業(yè)化運營商服務(wù)是發(fā)展的趨勢。

利用已覆蓋的移動4G（同時兼容2G/3G）公網(wǎng)作為油田生產(chǎn)主干網(wǎng)、配合Zigbee、WIA-PA、LoRa、NB-IOT等無線近距離通訊網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)井場、小型站場的儀表、控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與傳輸，對于大中型站廠的數(shù)據(jù)通訊選用光纖專網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 采用集成一體化傳感器技術(shù)及窄帶低功耗傳輸技術(shù)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)方案中的比選

考慮油田油水井點多、面廣、環(huán)境復(fù)雜等條件，本文重點以油水井物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為例，結(jié)合上述采集層與感知層所述技術(shù)，綜合考慮技術(shù)成熟度、高可靠和低成本3方面因素，提出以下3種采用集成一體化傳感器技術(shù)及窄帶低功耗傳輸技術(shù)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中的技術(shù)方案。

◇ 方案1：采用4G無線公網(wǎng)通訊，“通訊模塊+電參+RTU一體化”三合一產(chǎn)品，減少設(shè)備數(shù)量，大幅節(jié)約通訊系統(tǒng)建設(shè)投資與維護費用。

油井井口配置一臺RTU，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，一臺示功儀。RTU通過4G公網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)可靠性好，傳輸速率快，滿足油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸要求。

方案優(yōu)點：

1）利用4G公網(wǎng)，無需部署通訊網(wǎng)絡(luò)，項目建設(shè)速度快，大幅節(jié)約通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費用和通訊網(wǎng)絡(luò)維護費用；可實時傳輸功圖數(shù)據(jù)，實現(xiàn)啟?？刂啤?/p>

2）通訊模塊+電參+RTU一體化設(shè)計，降低單井設(shè)備采購成本40%。

3）采用RTU內(nèi)置4G公網(wǎng)模塊和電參模塊的方式，井口獨立設(shè)備減少3臺，減少占用現(xiàn)場控制箱空間，降低井口設(shè)備安裝工作量40%。

4）通訊與電參模塊集成到RTU，提高了井口設(shè)備集成度，降低產(chǎn)品間通訊故障率，降低維護費用。

5）儀表與RTU采用低功耗Zigbee無線通訊，功耗低、電池壽命長，如采用太陽能供電，更可實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期無需更換電池的長續(xù)航能力。

缺點：使用4G公網(wǎng)需要向移動通訊運營商支付數(shù)據(jù)通訊流量費用，資費與服務(wù)需要與移動通訊運營商談判。

◇ 方案2：NB-IOT儀表方案，減少設(shè)備數(shù)量，節(jié)約通訊系統(tǒng)建設(shè)投資與維護費用。

油井井口配置一臺示功儀，一臺電參，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，通過NB-IOT上傳數(shù)據(jù)，無需RTU；適用于傳輸數(shù)據(jù)量小、傳輸實時性與控制響應(yīng)要求低的業(yè)務(wù)場景。

方案優(yōu)點：

1）采用NB-IOT公網(wǎng)，無需部署通訊網(wǎng)絡(luò)，項目建設(shè)速度快，節(jié)約通訊網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資和長期通訊維護費用。

2）設(shè)備采購成本比方案一低，節(jié)省了RTU設(shè)備投資。

缺點：NB-IOT通訊網(wǎng)絡(luò)尚處于試點建設(shè)期，短時間無法覆蓋油區(qū)，可用性低；NB-IOT屬于窄帶通訊技術(shù)，與4G通訊技術(shù)相比功圖數(shù)據(jù)傳輸及啟?？刂乒δ苁芤欢ㄏ拗?。另外NB-IOT通訊模塊功耗大、功耗高于Zigbee儀表1倍以上。

◇ 方案3：LoRa儀表方案，減少部分設(shè)備，增加了通訊系統(tǒng)建設(shè)投資與維護費用。

油井井口配置一臺示功儀，一臺電參，一臺或兩臺壓力變送器，一臺溫度變送器，所有儀表通過LoRa傳輸數(shù)據(jù)。

方案優(yōu)點：

1）采用LoRaWan，部署通訊網(wǎng)絡(luò)成本低，項目建設(shè)速度快。

2）設(shè)備采購成本比方案一低，節(jié)省了RTU設(shè)備投資。

缺點：LoRa屬于窄帶通訊技術(shù)，與4G通訊技術(shù)相比速率低，通訊實時性較差，功圖數(shù)據(jù)傳輸及啟停控制功能受一定限制。需要投資建設(shè)LoRaWan云平臺、通訊基站、網(wǎng)關(guān)，增加了通訊系統(tǒng)投資和長期維護，實施周期長。LoRa通訊模塊功耗高于Zigbee儀表模塊1倍以上。

3 結(jié)論

NB-IOT/LoRaWan與4G相比，節(jié)約了RTU設(shè)備投資。但因NB-IOT/LoRaWan傳輸速率低、功耗高、信道占用費高，在功圖數(shù)據(jù)傳輸、傳輸資費和電池成本方面增加了支出。窄帶通訊技術(shù)應(yīng)對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在實時通訊和控制響應(yīng)方面尚顯吃力，更適合水電氣抄表（每天一次）、路燈控制、環(huán)保監(jiān)測等小數(shù)據(jù)、低頻次傳輸需求。方案1更適合油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)下一步建設(shè)需求。