油井無線監控系統的設計及實現

摘 要： 目前，對于油井的管理正逐步朝向信息化、自動化的方向發展，油井的無線監控不僅可以改變目前的人工管理模式，而且還能有效減少因天氣、設備和人為因素對生產造成的影響，大幅降低停井次數和油井能耗，提高生產效率。油井無線監控系統功能主要是通過整體方案設計、硬件選擇、軟件的實現以及安全保障這幾個方面來實現。

關鍵詞： 油井管理； 無線監控； GPRS； 傳感器

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）07?0125?03

0 引 言

油井的管理是石油開采過程中的一個重要環節，縱觀全國，大部分油田的油井分布都比較分散，環境因素復雜同時還存在治安隱患，經常會因為各方面的原因而造成停井的現象。開采的過程中需要及時的監視油井的各個參數，如壓力、耗電量以及平衡率等，但是實際生產中經常出現因人、設備以及天氣等多方面原因不能及時發現和處理問題，對原油生產帶來了很大的影響，也是造成單井耗能高的原因，還會縮短油井的壽命。隨著信息化、自動化的發展，改變現有的人工生產模式，實現自動化管理變得可行。自動化生產管理也能減少因故障造成的停井，降低油井能耗的同時也提高了生產效率。

油井的自動監控系統設計就是自動化生產管理的核心，這套系統應穩定可靠、開放性強且方便維護。因此在設計的過程中就需要同時考慮硬件和軟件平臺。對于油井的無線監控系統，一般有集群電臺、短信息SM和GPRS/CDMA模式三種方式，根據安塞油田的實際情況，采用GPRS模式在幻境和數據特點以及生命周期方面都有著一定的優勢，本系統采用GPRS為通信平臺，數據傳輸以IP報的形式進行。

1 方案選擇

油田數字化是基于工業網絡、無線通信技術以及Internet/Intranet技術實現的，對于油井的監控是采用無線的數字化解決方案。本方案采用的監控系統主要是由油井現場監控點、GPRS網絡、中心服務器以及外部數據網四個部分組成。這套系統為多級分布系統，油井的現場監控點是通過數據采集終端來對溫度、流量以及壓力等數據進行采集，采集點可根據實時數據自動報警，以避免事故的發生。GPRS網絡選用中國移動，通過此網絡來構成一套完整的SCADA監控系統。中心服務器則是對收集的數據進行處理分析以及監控發布，處于系統的控制級別。客戶機群可對數據進行監控，一般采用Web網站形式和桌面軟件等方式，可以做到遠程控制。整套系統的框架圖如圖1所示。

2 硬件平臺選用

油井的現場監控主要包括井口傳感器、采集控制器以及GPRS傳輸硬件模塊。井口傳感器主要有溫度傳感器、壓力傳感器、電量傳感器、載荷傳感器以及位移傳感器等組件。數據采集控制的部件主要有PLC、采集卡和RTU數據采集模塊等。PLC雖然價格較高，但是其穩定性和技術成熟度都很高。數據采集卡由于只能安裝在主板的擴展槽中，在成本方面很難做到且不容易實現管理。RTU模塊是具有數據采集功能的單片機控制模塊，數據采集是通過內置協議以及上位機通信來完成的。GPRS傳輸硬件模塊，是提供接入GPRS網絡的終端。

系統框架圖

本系統采用廈門靈旗通信公司生產的型號為LQ1200的GPRS傳輸終端，這種終端是通過RS 232/RS 485/TTL來實現與油井監控點數據采集之間的連接，接入中國移動的GPRS網絡，這個系統對油井監控點的接入地點、數量以及時間都沒有限制，可以根據需求進行增減，這樣就更滿足了偏遠地區和油井稀少的區域。

中心服務器主要是由PC機和上位軟件組成，主要的作用是對數據實現接收、存儲、顯示以及相關數據請求、曲線的顯示、輸出報表等信息，也可以通過監控中心來實現預警，使用客戶端軟件來對實時和歷史數據進行辯解訪問。

系統的網絡代理服務器可以與ADSL和LAN等Internet公共網絡進行連接，使用固定IP，在啟動GPRS數據終端后，根據每個預先設定的IP接入網絡代理服務器，以TCP/IP協議與監控中心建立鏈路。監控中心可以通過IP地址和ID號來對各個監控終端進行訪問服務，將命令下達到終端，然后接收終端響應后傳回的數據，完成了一個完整的應答式通信流程，同時也負責IP地址和ID號的維護工作。如果檢測點增加了，中心不需要另外的擴充就能滿足使用需求。

3 系統主要功能實現

可在線實時24 h連續的采集和記錄監測點位的電流、電壓、壓力、流量以及示功圖等數據，以數字、圖形和圖像等多種方式進行實時顯示和記錄存儲監測信息，監測點位可擴充多達上千個點。可設定各監控點位的溫度、壓力、流量等報警限值，當出現被監控點位數據異常時可自動發出報警信號，報警方式包括現場多媒體聲光報警、網絡客戶端報警、電話語音報警、手機短信息報警等。上傳報警信息并進行本地及遠程監測，系統可在不同的時刻通知不同的值班人員。通過將監測點采集的數據和油井的工作狀態在局域網進行數據共享，可以滿足多方面的遠程使用。該系統可以及時發現意外情況如停電、缺相、油管堵塞、盜油、液面過低、配重不平衡等異常情況。

4 系統軟件實現

油井監控系統的軟件主要是由油井數據監控系統和管理系統兩部分組成，現場監控系統通過對油井相關數據的采集和匯總，通過監控界面的曲線圖顯示，數據管理系統則負責數據的讀取、分析處理以 流程圖

5 系統的安全性能保證

油田監控系統需要有較高的安全性和穩定性。確保在收到系統內外的各種攻擊情況下保證信息的安全。對于網絡安全的防范措施主要包括對信道、信源進行加密，對登陸、接入、訪問進行防護，安裝防火墻等措施。此外還需要系統能保證7×24 h情況下穩定、不間斷工作，對于出現的硬件、軟件故障能及時解決，不影響系統的運行。本系統有著完善的數據備份功能，對用戶實施分級授權的管理模式，防火墻防御功能效果明顯，在對GPRS網絡的無線數控中心也有著安全的解決方案，其中包括如下幾種：

IP過濾：此監控系統為GPRS子網下的用戶提供服務，只有子網下的IP才能進行訪問，IP過濾技術是對所有接收到的數據包進行過濾篩選，剔除非法的IP數據包身份授權以及密碼認證：單純使用IP過濾對于使用IP偽裝技術的非法用戶是無效的，必須輔助以其他的方式。因為在油井的監控體系里，用戶都是可以提前確定的，這一特點就方便了身份授權和密碼認證體系的實施，系統中預先存儲所有合法用戶的MAC地址以及用戶名、密碼，對于通過IP過濾的數據包再進行身份和密碼認證。

數據安全加密通道：服務器與各個客戶端之間的數據通道以加密的方式進行，采用標準的SSL數據安全通信協議，能保證數據在傳輸過程中的安全性。通過在各應用層進行加密算法的植入，就能保證了數據在任何網絡的可靠性。為了防止數據被惡意篡改，輸出的數據采用MD5算法來對所有報文進行數字簽名。

追蹤訪問過程：用戶對系統的訪問都進行日志記錄，其中包括用戶的身份、IP、訪問時間、數字簽名以及相關操作，都作為詳細的操作證明以備用。

油井的工作環境一般較為惡劣，經常會碰到雷擊和人為破壞，采取人工管理對全部油井進行監控存在一定的難度。這就需要能對油井進行無線監控，而如果把監測到的數據有效的傳輸到監控中心是系統需要面對的一個難題。在過去的無線傳輸中使用過微波和數傳電臺等方式來進行數據的采集和傳輸，但在實際運用的過程中，都不能達到理想效果，首先是成本投入過大，其次是維護工作過于頻繁，使得使用單位都無法承受。而采用GPRS進行無線監控后，通過各個油井的傳感器對各項參數進行采集，然后傳輸到監控中心，管理人員就能對油井的壓力、電壓、溫度等參數有實時直觀的了解，保證了油井的正常生產運轉。依托GPRS網絡還可進行精細化、自動化的抄表，克服了人工抄表帶來的誤差，也節省人力，實現了有效的集中管理，也解決了生產的后顧之憂。同時對于用電情況的監控可以對整片區域的用電情況有及時的掌控，可以根據實際生產需求來分配生產用電情況，從而保證了油田生產的自動和高效。

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