基于WSN網絡的油井數據采集

青海油田采油二廠 郭利霞 馬 文 楊世勇 李 斌

1 引言

隨著國內物聯網應用熱度的不斷升溫，相應的物聯網技術、產品得到了迅速的發展，物聯網技術已經在各行各業中快速地得以推廣應用。中石油作為國內石油行業的龍頭企業，正在逐步實現油田的信息化建設，旨在建立具有國際先進水平的數字化油田。所謂數字油田是指通過信息化與傳統油氣生產工業相融合，對油田的油氣勘探、評價、開發、生產等過程實現連續的、遠程的和實時的全生命周期管理，優化油田資產，提高資產凈現值。

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）作為一種新興技術，是隨著無線技術（如RFID、Zigbee）、SOC(片上系統)、低功耗嵌入技術飛速發展孕育而生。其中以Zigbee技術組建的WSN網絡以其低功耗、低成本、分布式和自組織等眾多優點迅速得以廣泛應用，本文將介紹利用Zigbee技術搭建的WSN網絡在油田數字化井場中的應用。

2 項目概述

青海油田作為國內早期開發的油田之一，經過半個多世紀的勘探、開發，目前已經年產油氣700萬，是西部重要的能源基地。隨著中石油集團公司數字油田A11項目在全國各大油田的大力推廣，青海油田于2010年進行了油井數字化項目的先導性實驗，2011年正式開始了數字油井的大量安裝實施。本文介紹的就是WSN網絡在青海油田數字化油井建設中的應用，其中無線傳感器和無線RTU均選自北京安控科技股份有限公司基于國際最新的Zigbee無線技術而開發的數字化產品，包括無線壓力傳感器（SZ903）、無線功圖傳感器（SZ902N）、無線功率模塊（SZ308）及無線網關模塊（SZ932）。

3 系統方案及功能實現

3.1 Zigbee技術介紹

Zigbee技術是隨著工業自動化對于無線通信和數據傳輸的需求而產生的，Zigbee網絡具有低功耗、低成本、高可靠、節點容量大、信息安全等特點，可廣泛應用于各種自動控制領域。

ZigBee 是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術；ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4強有力的無線物理層所規定的全部優點 ，省電、簡單、成本又低的規格；同時ZigBee又增加了邏輯網絡、網絡安全和應用層，使得Zigbee技術相比IEEE 802.15.4具有了自動組網等功能。

ZigBee 無線可使用的頻段有3個，分別是 2.4GHz 的ISM 頻段、歐洲的 868MHz 頻段及美國的 915MHz 頻段，而不同頻段可使用的信道分別是 16 、1 、10 個，在中國采用2.4G頻段，是免申請和免使用費的頻率。ZigBee 和802.15.4標準都適合于低速率數據傳輸，最大速率為250K，與其他無線技術比較，適合傳輸距離相對較近的應用；ZigBee 無線技術適合組建WSN網絡，對于數據采集和控制信號的傳輸是非常合適的。

3.2 硬件設備介紹

現場抽油機井場安裝的設備主要有1套無線RTU控制器，2個無線壓力變送器、1個無線載荷位移傳感器和1個無線功率模塊，由這些無線設備構成了井場無線傳感器網絡，實現了以RTU為中心的油井數據采集系統。

3.2.1無線網關SZ932

SZ932無線網關模塊，是安控公司自主開發的無線設備，可以與安控科技的無線儀表通訊，組建成WSN，定時采集無線儀表的數據或者被動接受無線儀表上傳的數據。同時SZ932還可作為協議轉換器，進行Modbus RTU及自定義串口協議與Modbus TCP之間的轉換。

3.2.2無線功圖傳感器SZ902N

SZ902N無線功圖傳感器安裝于抽油機的井口，用于采集抽油井的載荷及位移數據，并繪制出抽油機示功圖，然后通過無線方式上傳至RTU。SZ902N采用電陽能電池板及電池供電。

3.2.3無線壓力傳感器SZ903

SZ903無線壓力變送器，帶就地液晶顯示，用于測量抽油機井口油壓和套壓。它采用新型外殼及電路設計。

4 拓撲結構及工作原理

4.1 拓撲結構

整個油井SCADA系統分為三層網絡結構，如圖1所示一層是油井現場由無線儀表及無線RTU組成的Zigbee短距離WSN網絡；二層是由電信運營商提供的CDMA 1X遠距離無線通信網絡；三層網絡是由電信至油田數據中心連接的專用光纖網絡。由以上三層網絡構建的油井SCADA系統完成了對油井現場實時數據的采集及遠程控制功能。

圖1 三層網絡結構圖置

4.2 工作原理

針對以上整個油井SCADA網絡的結構，下文將對其工作原理進行一下介紹，其中主要介紹的是油井Zigbee短距離無線網絡的通訊原理及產品設置方法。

4.2.1 WSN網絡結構

無線Zigbee芯片選用了美國Digi公司的XBEE-PRO系列產品，Zigbee網絡中包含三類設備，一是網絡協調器節點，協調器節點負責發起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網絡；二是路由器節點，路由器節點支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發；三是終端設備節點，終端節點是網絡的感知者和執行者，負責數據采集和可執行的網絡動作。由Zigbee無線產品組織的網絡拓撲結構有星型、樹型、網狀型，其中該項目使用了星型的拓撲結構，如圖2所示。

圖2 拓撲結構

其中紅色圖標SZ930手操器在WSN網絡中充當的是協調器節點；藍色圖標節點SZ932無線網關模塊在WSN網絡中充當的是路由節點；綠色圖標SZ903無線壓力變送器、S902無線載荷傳感器、SZ308無線功率模塊在WSN網絡中充當的是終端節點。

4.2.2 參數設置

WSN網絡中有3類設備需要進行無線參數設置，通過對各設備參數的設置，可以實現在油井井口組建不同的Zigbee網絡，下面將對終端、路由、協調器的設置簡要說明，步驟如下：

（1）對Zigbee模塊進行功能劃分，分別下載終端、路由及協調器固件程序。通過以上配置，可以將SZ930設置為協調器，SZ932網關設置為路由，SZ903、SZ932、SZ308設置為終端。參見圖3、圖4。

圖3 參數設置

圖4 參數設置

（2）用配置工具配置網絡ID(PAN_ID)、通道號（SC）及操作ID(OI)，通過配置可以將整個油井內的設備包括RTU、功圖傳感器、壓力傳感器、功率模塊協調至一個網絡ID中，其中PAN_ID號為SZ932內Zigbee模塊的64位地址，通道號SC設置為2，OI設置為PAN_ID的后四位。路由器和終端的配置過程如下：

①對終端設備進行標定，其中重要的一項參數設置就是在每一個終端設備中寫入路由器RTU的64位地址，用于確定終端設備在數據上傳時的最終目的設備，通過這樣的設置后，在同一井場網絡ID內的所有終端設備數據將上傳至井場內設置為路由的RTU內部。

②通過以太網線連接至SZ932，通過RTU數據查看軟件，可以產看到RTU內部已經上傳的功圖數據、壓力數據以及電量數據。

圖5 參數查看界面

通過以上對無線RTU及無線儀表進行相關的參數配置，就實現了井口以SZ932為路由器，SZ903、SZ932、SZ308為終端的油井WSN網絡，實現了對油井示功圖、壓力、電量參數等數據的全面采集。所有無線儀表均采用了低功耗的休眠和主動上傳機制，數據上傳時采用了應答及重傳模式，從而既保證了以電池供電的無線儀表可以長時間使用，又保證了數據可靠穩定上傳。SZ932模塊作為井場RTU，是整個井場WSN網絡與電信CDMA 1X EVDO網絡的網關模塊，負責將油井數據通過CDMA 1X EVDO網絡傳輸至數據中心的服務器，數以百計的井場RTU共同構成了青海油田數字油井的SCADA系統。

5 系統特點及優勢

（1）所有無線儀表均使用了低功耗休眠機制及主動上傳模式，有效保證了儀表電池的可用性，使用壽命可達2-3年。

（2）RTU數據上傳至數據中心時具備數據補傳功能，就是在CDMA網絡中斷時，現場數據保存在RTU的FLASH內部，當CDMA網絡恢復時數據中心根據時間標簽自動補采RTU內部的數據，從而很好的保證了數據中心歷史數據的完整性。

（3）整個SCADA系統由短距離的井場Zigbee網絡和遠距離的CDMA網絡組成，完全實現了無線數據采集及傳輸，突破了傳統有線網絡的局限性。

（4）實現了叢式井場一拖多功能，即一個叢式井場RTU可以同時采集4口油井的示功圖、油壓、套壓、功率共16個無線儀表的數據，突破了傳統項目中的單井模式，大大節約了RTU投資成本。

（5）無線儀表的使用相比以前有線儀表減少了電纜成本、敷設成本等，所以在初期投資上節約了大約10～15%的成本；因為無線儀表不像有線儀表在井口作業時容易斷線、短路損壞等問題，所以后期維護成本節約大約20%。

6 結束語

青海油田在數字化建設中深入研究了國外領先技術，借鑒了兄弟油田的實施經驗，選擇了行業知名企業進行合作，對不同廠家的產品，在設計上采用了標準化，在硬件接口、通訊協議、數據格式進行了統一規范，最終在數字化油井SCADA建設中實現了不同廠家產品的互聯互通互換，建設了具有青海油田特色的數字化油田，為油田進一步實現物聯網奠定了基礎并積累了經驗。