基于無線傳感網絡油田智能監控系統的設計

王文珍

(中南民族大學電子與信息工程學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)的基本功能是將一系列在空間上分散的傳感器單元通過自組織的無線網絡進行連接，從而將各自采集的數據進行傳輸匯總，以實現對空間分散范圍內的物理或環境狀況的協作監控，并根據這些信息進行相應的分析和處理［1］。因具有成本低、范圍大、布設靈活、移動支持等特點，無線傳感器網絡(WSN)在工業監控、智能電力、礦山安全、醫療健康、環境監測等行業的應用一直廣受重視。

針對油田作業區的特點和無線傳感網絡系統特性，開發了基于無線傳感網絡的智能監控系統，實現了遠程數據采集、通信傳輸、油田作業區的遠程監控、調度指揮和無人值守作業等功能。

1 無線傳感網絡體系研究

無線傳感網絡體系結構是網絡的協議分層以及網絡協議的集合，是對網絡及其部件所應完成功能的定義和描述。

無線傳感網絡體系結構由分層的網絡通信協議、傳感器網絡管理技術以及應用支撐技術三部分組成［2］，如圖1 所示。

圖1 無線傳感網絡體系結構Fig.1 The architecture of wireless sensor network

分層的網絡通信協議結構類似于TCP/IP協議體系結構;傳感器網絡管理技術主要是對傳感器節點自身的管理以及用戶對傳感器網絡的管理;在分層協議和網絡管理技術的基礎上，支持傳感器網絡的應用支撐技術。

2 油田智能監控系統設計

基于無線傳感器網絡的特點，分析和設計架構，將無線傳感器網絡引入油田作業區的運行狀態監測系統中，實現油田作業區、井場的智能監控與管理。

2.1 智能監控系統結構

本系統主要由數據采集和監控中心等組成，通信部分采用ZigBee無線網絡傳輸。監控中心一般設置在礦部、隊部或其他監控調度部門，包括管理計算機、ZigBee網絡的中心節點。

采集系統由儀表和采集電路組成，負責現場生產數據的采集和組織、無線模塊的控制。現場的無線傳感網絡由各節點的無線通信模塊通過GPRS網絡或CDMA 網絡組成［3］。

井區聯合站或監控中心通過無線網絡取得現場生產數據并做數據記錄，形成歷史曲線和實時曲線;根據數據判斷各油井的生產狀態，對異常情況提出報警;為日常生產調度提供數據支持和圖表分析工具。井區聯合站的另外一個重要的功能是為其他生產組織部門提供數據來源，例如油田指揮中心和其他生產區辦公地點，可以通過油網虛擬專用網(virtual private network，VPN)從井區聯合站處得到油井生產狀況的數據，還可以通過井區聯合站得到完整的歷史數據，作為生產計劃制定的重要依據。這一系統可以很好地與前期已經完成的聯合站數據監控系統整合在一起。

其他生產組織部門通過以太網讀取數據而不是通過無線網絡從現場讀取數據。這樣做有兩個好處:①減輕現場無線網絡的通信負擔，以便能更好地利用帶寬資源;②減少通信費用和設備成本，更好地利用現有的油網 VPN 資源［4］。

2.2 無線傳感網絡設計

ZigBee網絡連接如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡連接Fig.2 ZigBee network connections

由于ZigBee的無線傳感器網絡架構簡單，監測現場不需要復雜的線路連接，可靠性高，特點突出，因此，采用ZigBee無線網絡將各井場的采集設備構成無線網絡，實現ZigBee無線組網。

ZigBee無線傳感器網絡通過ZigBee路由節點和協調器節點，將收到的信息傳到遠程終端裝置(remote terminal unit，RTU)設備，再通過GPRS或有線網絡與監控中心通信［5］。

油井工作狀態傳感器主要有:示功圖傳感器、載荷傳感器、被監控開關斷/合傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電壓過壓傳感器、井口套管壓力監測、漏油/盜油監測、油井實時故障報警、欠壓報警、電流過流報警、抽油機啟停報警、漏油/盜油報警及監測數據統計和打印。系統留有擴展口，可根據油井情況和客戶需求增加監測點。

這些傳感器將油井的工作狀態變換成對應的電壓或電流值，通過ZigBee通信模塊送至遠程智能無線數據采集控制器RTU。值班人員也可以通過組態軟件來實時監測前端設備的運行情況，也可對井場閥門的遠程開關和抽油機進行遠程啟停。

無線傳感器網絡有三種類型的節點:協調器節點、路由節點和終端節點［6］。終端節點上分別連接監測區域的各種傳感器。終端節點采集到的數據通過路由節點傳到協調器節點，再由協調器轉到RTU，臨近協調器的終端節點也可直接與協調器通信。整個網絡通過唯一的協調器節點與RTU通信。路由節點也可以實現終端節點的所有功能。

節點在空閑時均處于休眠狀態或待機狀態，當要發送數據或有外部請求時自動喚醒。遠程控制中心可以通過公用電話網、GPRS等方式與RTU通信，以控制傳感器網絡的工作［7］。系統采用蓄電池為節點供電，利用太陽能電池板采集能量為蓄電池充電。

2.3 網絡拓撲設計

本文根據采油井場的現場特點，設計了一種分簇式鏈狀即層次型的無線傳感器網絡系統［8］，其結構如圖3所示。

圖3 井場傳感器系統網絡結構Fig.3 Network structure of well-site sensor system

對于采油井場應用而言，并不需要特別多的傳感器節點，大多節點只是簡單地接收協調器和路由器的命令并執行相應的操作，不需要移動且可重復利用;節點之間一般也不需要復雜的相互通信。因此，在進行網絡設計時，由于井場范圍小且節點數量少，網絡拓樸結構不需要太復雜。

層次型無線傳感器網絡根據節點距離協調器的遠近劃分成簇，每個簇由相互靠近的節點組成，簇內節點數量可以不同。其中，端節點構成網絡的基礎結構，主要負責對井場的環境參數進行監測。每一個簇首負責協調本簇中端節點的工作狀態，并收集來自這些端節點的數據。在收集完本簇內的數據后，每一個簇首會把這些數據通過它前面的簇首，以逐級轉發的方式傳送給網關。協調器和監控中心相連，網絡的骨干結構則由每一個簇的簇首和協調器組成［9］。

根據井場實際監測的需要，端節點和簇首節點可以靈活配置:簇的數量可以根據井場空間環境和需要監測的參數單元靈活地劃分確定，也可以根據需要隨時進行增減，從而實現對井場參數的無縫監測。該網絡具有拓撲控制機制和路由機制簡單、能量消耗低的優點［10－12］。

2.4 數據采集系統

現場儀表的功能模塊如圖4所示。

圖4 現場儀表的功能模塊Fig.4 The functional modules of the field instruments

現場采集模塊負責采集數據，并對數據進行簡單的處理和壓縮，以節省網絡帶寬，并在現場進行一些簡單的判斷和故障提示。現場儀表包括壓力計、流量計、溫度計、液位計和檢測抽油機工作狀態的位置、角度檢測儀表。

控制模塊可以控制抽油機的啟停，可遠程設置自動啟停和間開時間，并保存一定量的歷史數據。由于無線傳輸受多種因素影響，當網絡信號較弱時，可能會出現通信失敗的情況。在這種情況下，現場的歷史數據由現場采集模塊記錄，通信恢復后采集模塊操作通信模塊，將這一部分數據發出去。這就保證了數據的完整性，避免數據分析時因為數據缺失而造成一些情況無法正常分析。

2.5 監視控制軟件

監視控制軟件是實現基于無線傳感網絡智能控制與管理的平臺。它運用組態技術、通信技術和計算機技術等，對所采集的傳感信息和數據進行處理和分析。在此，監視控制軟件應該能夠通過接口平臺、數據交換、圖形技術等，將數據進行統一建庫、統一處理、關聯分析和多方展示。

3 結束語

本系統實現了現場生產管理由傳統的靠經驗管理、人工巡檢、大海撈針、守株待兔的被動模式，轉變為智能管理、電子巡井、“精確制導”的主動方式，實現了生產管理的數字化、智能化，推動了油田向管理現代化轉型。

系統通過生產數據的自動采集、預警管理、遠程控制等功能，實現了井場無人值守，有效節約了人工成本;視頻監控、視頻行為分析、語音提示等功能加強了現場安全管理，強化了安防水平;抽油機實現了遠程啟停，井口油壓實現了在線監測，減少了員工巡井頻次，降低了油田工人的勞動強度。

此外，系統實現了生產現場實時監控、自動化控制和生產數據實時傳輸;井場安裝有自動投球裝置，實現了油井不間斷投球作業，提高了工作效率。因此，實行井站一體化管理，減少工作環節，生產組織將更加快捷、高效。

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