蘇里格單井傳輸?shù)难芯颗c設(shè)計(jì)

陳曉東 宮玉明

摘 要：文中介紹蘇里格地區(qū)單井現(xiàn)場(chǎng)的傳輸現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)數(shù)傳電臺(tái)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋、VPN、光纜通信傳輸方式的技術(shù)分析，選擇Mesh網(wǎng)絡(luò)的單井傳輸技術(shù)，利用其多線(xiàn)程、數(shù)據(jù)并發(fā)、實(shí)時(shí)通信的先進(jìn)技術(shù)，并經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際傳輸測(cè)評(píng)，形成一套數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性好、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與可擴(kuò)展性高、性?xún)r(jià)比較高的新型單井傳輸技術(shù)，更好地滿(mǎn)足單井現(xiàn)場(chǎng)截?cái)嚅y快速關(guān)斷、視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、間歇開(kāi)關(guān)和自動(dòng)泡排等新工藝控制系統(tǒng)接入的實(shí)際需求。

關(guān)鍵詞：傳輸方式;Mesh網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);iMAX 4G-LTE技術(shù);低功耗;傳輸測(cè)評(píng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）11-00-03

0 引 言

蘇里格氣田地處毛烏素沙漠，地質(zhì)條件差，開(kāi)發(fā)難度大，是典型的低滲、低壓、低豐度巖性氣藏。有效管理好上萬(wàn)口氣井的難度較大，有人集氣站需9人駐站值班，單井人工定期巡檢，工作量大，成本高，效率低。

隨著工控領(lǐng)域技術(shù)的飛速發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)概念的推廣，工業(yè)設(shè)備自動(dòng)化不斷提高，為了減少現(xiàn)場(chǎng)人員的工作，提高系統(tǒng)可靠性，對(duì)集氣站管理的自動(dòng)化水平提出了更高要求。

本文研究可減少現(xiàn)場(chǎng)人員操作，降低成本與安全風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率，達(dá)到減員增效的目的。

1 單井傳輸現(xiàn)狀

蘇里格項(xiàng)目部蘇5、桃7、蘇59區(qū)塊共管理1 000多口單井，單井至場(chǎng)站多為數(shù)傳電臺(tái)遠(yuǎn)傳，由于電臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控及圖像傳輸共用一條傳輸通道，拍照系統(tǒng)進(jìn)行拍照時(shí)需要停止井口數(shù)據(jù)采集，單井?dāng)?shù)據(jù)每日累計(jì)中斷約半小時(shí)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，監(jiān)控中心在此期間無(wú)法查看井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)，存在井口數(shù)據(jù)異常而又無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)的安全隱患。由于采用輪巡的采集方式，因此數(shù)據(jù)采集及閥門(mén)狀態(tài)反應(yīng)嚴(yán)重滯后。單井電臺(tái)傳輸如圖1所示。

目前，單井通信方式包括無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信和無(wú)線(xiàn)WiMAX、網(wǎng)橋通信兩種。

1.1 無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信方式

電臺(tái)井：將井口的油壓、套壓、流量計(jì)、截?cái)嚅y的485信號(hào)接入485隔離器，隔離器485信號(hào)接入電臺(tái)485信號(hào)。

1.2 無(wú)線(xiàn)WiMAX、網(wǎng)橋通信方式

WiMAX（網(wǎng)橋）：將井口的油壓、套壓、流量計(jì)、截?cái)嚅y485信號(hào)接入485隔離器，485隔離器連接串口服務(wù)器，串口服務(wù)器用網(wǎng)線(xiàn)與交換機(jī)相連，繼而進(jìn)入WiMAX（網(wǎng)橋）。

2 傳輸方式對(duì)比

數(shù)傳電臺(tái)：通信易中斷，數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差。

常規(guī)網(wǎng)橋：當(dāng)前市場(chǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋主要以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信為主，通過(guò)大功率多跳技術(shù)形成組網(wǎng)，導(dǎo)致功耗大，產(chǎn)品根據(jù)傳輸距離劃分為不同的型號(hào)，維護(hù)復(fù)雜。

VPN技術(shù)：采用運(yùn)營(yíng)商無(wú)線(xiàn)信號(hào)覆蓋（頻率在1 200～1 800 MHz之間），在公網(wǎng)上建立企業(yè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，前期投入少，但受到覆蓋范圍、故障責(zé)任劃分、帶寬資源、維護(hù)時(shí)效性及運(yùn)行費(fèi)用根據(jù)業(yè)務(wù)開(kāi)展遞增等因素影響，適合城市或應(yīng)用簡(jiǎn)單的場(chǎng)所。

光纜通信：適合新建井場(chǎng)，隨著管線(xiàn)施工進(jìn)行鋪設(shè)，帶寬高，運(yùn)行穩(wěn)定，但使用過(guò)程中容易受到環(huán)境變化或人為造成的中斷，隨著運(yùn)行年限的增加，后期維護(hù)工作量較大。

各通信方式詳細(xì)參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1所列。

3 Mesh網(wǎng)絡(luò)

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Mesh網(wǎng)絡(luò)[1]的建設(shè)將所有單井組網(wǎng)結(jié)構(gòu)在整個(gè)油氣田區(qū)域進(jìn)行整體規(guī)劃，就近形成路由關(guān)系，使用最佳路徑或路由進(jìn)行集群。將同一根干管方向的單井群形成一個(gè)Mesh網(wǎng)通信集群，通過(guò)最優(yōu)的LOS[2]路徑與中心站無(wú)線(xiàn)橋接，中心站經(jīng)過(guò)油氣田內(nèi)部專(zhuān)網(wǎng)匯集到作業(yè)區(qū)或廠(chǎng)級(jí)指揮中心。

基于Mesh無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)[3]，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)全部使用TCP/IP協(xié)議傳輸，將原有基于本地總線(xiàn)的設(shè)備（如RS 485/232串口的RTU，PLC等）都通過(guò)IP虛擬串口實(shí)現(xiàn)匯聚。監(jiān)控視頻直接采用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)?；贛esh網(wǎng)絡(luò)接入如圖2所示。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)

3.2.1 免費(fèi)頻段

根據(jù)環(huán)境設(shè)備工作在2.4 G或5.8 G免申請(qǐng)無(wú)線(xiàn)執(zhí)照的頻段[4]，并通過(guò)技術(shù)手段，解決了傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)延遲、組網(wǎng)能力差及運(yùn)行穩(wěn)定性不高等各類(lèi)具體問(wèn)題[5]。

3.2.2 距離與速率

采用室外高帶寬電信級(jí)無(wú)線(xiàn)Mesh用戶(hù)接入終端設(shè)備，空中速率[6]為150 Mb/s，每個(gè)設(shè)備滿(mǎn)足20 km以上的通信距離，并保證56 Mb/s以上的速率。

3.2.3 技術(shù)先進(jìn)

采用專(zhuān)用的iMAX 4G-LTE技術(shù)[7]，依托TDMA協(xié)議、TTD雙工、OFDM高密度調(diào)制等先進(jìn)通信技術(shù)，滿(mǎn)足長(zhǎng)距離、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)中繼通信，且設(shè)備類(lèi)型簡(jiǎn)單，只有井場(chǎng)與基站兩種產(chǎn)品，維護(hù)簡(jiǎn)便。

3.2.4 低功耗[8]

發(fā)射功率小于500 mW，功耗小于5 W，滿(mǎn)足-40～80 ℃的環(huán)境應(yīng)用，并通過(guò)覆膜工藝杜絕了野外風(fēng)沙與雨雪的侵蝕。

3.2.5 快速部署

優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)，減少成本;模塊化施工，所有安裝件與線(xiàn)纜采用標(biāo)準(zhǔn)化方式，現(xiàn)場(chǎng)施工僅需按照接頭連接即可[9]。

3.2.6 業(yè)務(wù)靈活

通過(guò)自建的企業(yè)VPN網(wǎng)絡(luò)，除了滿(mǎn)足井場(chǎng)實(shí)時(shí)高清視頻和生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通信外，還可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)管線(xiàn)井場(chǎng)巡護(hù)、應(yīng)急通信和間歇開(kāi)關(guān)井、自動(dòng)泡排等新工藝技術(shù)應(yīng)用。

3.2.7 集中維護(hù)

任意節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)井場(chǎng)、站控?cái)?shù)據(jù)與系統(tǒng)的實(shí)時(shí)更新及遠(yuǎn)程集中維護(hù)，減少井上現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，降低管理成本。

3.2.8 語(yǔ)音對(duì)講

語(yǔ)音采用脈沖數(shù)字低功耗功放系統(tǒng)[10]，實(shí)現(xiàn)作業(yè)區(qū)監(jiān)控中心對(duì)井場(chǎng)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音喊話(huà)。

3.2.9 綜合管理平臺(tái)

實(shí)現(xiàn)應(yīng)急通信、視頻會(huì)議、智能巡護(hù)等多業(yè)務(wù)接入與綜合調(diào)度指揮。

3.3 傳輸測(cè)評(píng)

3.3.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻傳輸

生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻同步傳輸測(cè)試如圖3所示。

存在問(wèn)題：查看12路以上畫(huà)面時(shí)出現(xiàn)畫(huà)面卡頓現(xiàn)象，作業(yè)區(qū)無(wú)法存儲(chǔ)視頻。

原因分析：Mesh網(wǎng)絡(luò)帶寬實(shí)測(cè)達(dá)到65 Mb/s，每口單井視頻占用2 Mb/s，視頻錄制文件大小為216 Mb/天，當(dāng)同時(shí)監(jiān)控12路視頻并在后端存儲(chǔ)視頻時(shí)，帶寬占用達(dá)到100%，影響視頻的傳輸穩(wěn)定性。

測(cè)試結(jié)論：網(wǎng)絡(luò)同步傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻可行有效，視頻采用9畫(huà)面實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3.2 遠(yuǎn)程喊話(huà)測(cè)試

遠(yuǎn)程喊話(huà)功能測(cè)試如圖4所示。

存在問(wèn)題：在無(wú)風(fēng)雨雪天時(shí)，連續(xù)30 min以上遠(yuǎn)程喊話(huà)，井口蓄電池會(huì)存在饋電情況。

原因分析：音柱待機(jī)時(shí)功耗小于0.1 W，但在通話(huà)條件下每分鐘功耗達(dá)到7～8 W，井口蓄電池容量為120 A·h，無(wú)法保證大功耗設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

測(cè)試結(jié)論：遠(yuǎn)程連續(xù)喊話(huà)最大時(shí)長(zhǎng)30 min，喊話(huà)功能可行有效。

3.3.3 井口闖入報(bào)警功能測(cè)試

闖入報(bào)警功能測(cè)試如圖5所示。

存在問(wèn)題：井口采用高敏度偵測(cè)設(shè)置，闖入告警誤報(bào)率高達(dá)90%，在報(bào)警信息事件記錄中，誤報(bào)信息占用大量數(shù)據(jù)界面，監(jiān)控人員無(wú)法輕易查看重要的報(bào)警事件。

原因分析：井口闖入告警功能通過(guò)后臺(tái)軟件，利用規(guī)定時(shí)間內(nèi)井口畫(huà)面對(duì)比的方式實(shí)現(xiàn)，井口圖像發(fā)生變化（如樹(shù)木搖晃、異物飛入、攝像機(jī)抖動(dòng)等）都會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，需改進(jìn)、完善井口安防設(shè)備。

測(cè)試結(jié)論：井口Mesh網(wǎng)絡(luò)通信正常，闖入報(bào)警功能需優(yōu)化完善。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）Mesh網(wǎng)橋與電臺(tái)的材料費(fèi)用持平，性?xún)r(jià)比較高;

（2）通過(guò)前期大量的試驗(yàn)可知，Mesh網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性得到了充分驗(yàn)證;

（3）Mesh網(wǎng)絡(luò)采用多線(xiàn)程、數(shù)據(jù)并發(fā)、實(shí)時(shí)通新的方式，可支持大規(guī)模批量開(kāi)關(guān)井作業(yè)，不影響數(shù)據(jù)、視頻的正常采集;

（4）Mesh網(wǎng)絡(luò)可支持多業(yè)務(wù)拓展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]姜紅旗，康凱，林孝康.拓展寬帶接入的無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)技術(shù)[J].電信科學(xué)，2005（1）：24-26.

[2]孟范立，董如意.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)多路徑源路由理論分析[J].技術(shù)與教育，2019（1）：5-7.

[3]谷坊祝，陳蕾.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)分析[J].廣東通信技術(shù)，2007（4）：7-9.

[4]秦瑩瑩.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究[J].軟件導(dǎo)刊，2012，11（2）：99-101.

[5]肜瑤，陳萬(wàn)里.大功率干擾監(jiān)測(cè)下無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)擾動(dòng)容錯(cuò)方案[J].科技通報(bào)，2015（2）：128-130.

[6]趙增華，王楠，竇志斌，等.基于IEEE 802.11的長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)[J].計(jì)算機(jī)學(xué)報(bào)，2012，35（6）：1209-1222.

[7]官微，段紅光.LTE關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)分析[J].電子測(cè)試，2009（5）：22-24.

[8]陳萬(wàn)里，李偉，柴遠(yuǎn)波.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)超低功耗技術(shù)分析 [EB/OL].[2013-04-08].http： //www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201304-181.

[9]武睿哲，鄭尚志，許胤龍.無(wú)線(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)中的骨干網(wǎng)絡(luò)部署的優(yōu)化[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，25（4）：126-129.

[10]肖寧.基于廣義預(yù)測(cè)控制的數(shù)字功放模塊設(shè)計(jì)[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.