阿爾油田單井自動化系統ZigBee與RFID的通信組合技術

中國石油華北油田采油工程研究院

阿爾油田單井自動化系統ZigBee與RFID的通信組合技術

劉金亮 吳義輝 孫丹丹 王宇蒙 張 姿 張文靜

中國石油華北油田采油工程研究院

針對阿爾油田惡劣氣候和無遮擋草原地理環境特點，確定“保障生產、減人增效、減小勞動強度”為自控系統設計理念。通過將ZigBee與RFID兩種無線通信技術創新組合，應用該組合技術實現短距井場數據傳輸接力，解決叢式井組、通訊盲點的數據采集和控制，實現由1套ZigBee接收RTU箱管理10口單井井口設備，節省了通信建設投資，完成了內蒙古阿爾油田的單井遠程實時監控，現場應用取得了良好效果。

油田生產自動化；ZigBee；RFID；阿爾油田

隨著油田建設自動化、數字化的快速發展，對與油田建設相配套的網絡和通信技術要求越來越高，特別是野外現場分散的油水井數據采集作為最基礎的數據來源，其數據的安全穩定傳輸愈發重要。短程、低速、廉價的無線通信技術正成為關注的焦點。

ZigBee技術（短距離無線傳感器技術）是一種新的無線通信技術，特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備[1]。基于ZigBee的技術優點，華北油田采油工程研究院通過將ZigBee與RFID（射頻識別技術）兩種無線通信技術組合實現短距離井場數據傳輸接力，解決叢式井組、通訊盲點的數據采集和控制，實現由1套ZigBee接收RTU箱管理10口單井井口設備，節省了通訊建設投資，完成了內蒙古阿爾油田的單井遠程實時監控，現場應用取得了良好效果。這種新型無線通信組合技術在油田單井自動化監控系統領域的成功應用標志著無線通信技術的新方向，這些先進實用技術的推廣應用為數字化油田建設發揮了重要的作用。

1 阿爾油田自動化系統

阿爾油田所在區域氣候寒冷、干旱、風沙大、雨少。春季冷空氣活動頻繁，易出現寒潮、暴風雪等災害性天氣；冬季冰封湖凍，寒冷漫長。在這樣一個高寒地區實施自動化建設，必須要考慮儀表設備在野外的寬溫性能，同時其無遮擋草原地理環境有利于無線數據的通信。阿爾油田的自動化監控系統組成如圖1所示。其主要包括聯合站中控室單井監控系統、圖像監視系統、聯合站數據監控系統和站外單井RTU。系統主要特點是集中管理、分散控制，具有很強的自主性、協調性、靈活性和可靠性。

圖1 自動化監控系統組成

阿爾油田單井自動化監控系統數據流向為：采用短距離無線RFID技術，將1口井的各類傳感器數據無線上傳到單井的RTU柜，再通過ZigBee技術將各單井的RTU柜數據無線遠傳匯總至數據接收RTU箱。每個RTU箱最多管理10個井口設備，作為1組，其地址設置在單井監控終端的配置文件中，McWill通信協議為TCP/IP，可設置固定的IP地址。在現場實際應用中，管理人員可根據實際監控的井數和位置進行組合分配。最后，RTU箱通過油田McWill專用網絡上傳至中控室單井監控終端，實現油田單井的遠程實時監控。

2ZigBee技術

ZigBee技術是一種雙向無線通信技術或無線網絡技術，是一組基于IEEE批準的802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術，主要適合于承載數據流量較小的業務，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能[2]。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術。

IEEE802.15.4在物理層(PHY)設計中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為2.4GHz、915MHz和868MHz三種。由于ZigBee使用的頻段是免費開放的，故已有多種無線通信技術在使用。為避免被干擾，在各個頻段皆采用直接序列展頻(DSSS)技術，以化整為零方式將1個信號分為多個信號，再經由編碼方式傳送信號以避免干擾。對大部分較低端用戶的來說，直接序列展頻技術的應用可使模擬電路變得簡單，具有更高的容錯性能。

IEEE802.15.4在媒體存取控制層(MAC)方面，主要是沿用無線局域網(WLAN)中IEEE802.11系列標準的CSMA/CA方式，以提高系統兼容性。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先檢查信道是否有數據傳輸，若信道無數據傳輸，則開始進行數據傳輸動作；若產生碰撞，則稍后重新再傳。這種MAC層的設計，不但使多種拓撲結構網絡的應用變得簡單，還可實現非常有效的低功耗管理。

在阿爾油田單井自動化監控系統中采用的工作頻率為915MHz，故實際工作中最多每10口單井可作為1組，ZigBee技術的低功耗和低成本是采用其技術的主要原因之一。

3 ZigBee與RFID結合的創新通信技術

3.1 應用RFID技術的井口組成

RFID是一項利用射頻信號，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實現無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達到識別目的的技術。

阿爾油田自動化監控系統在井口采用短距離無線技術作為傳感器與RTU之間的通信方法，將傳感器、MCU控制器及無線收發模塊組合在一起，構成一體化的微功耗無線傳感器，實現現場生產參數的無線采集。

為了保證設備在正常情況下能工作2～3年，在硬件設計上采用低功耗元器件；在軟件設計上，除電源管理芯片外，其他芯片都處于休眠狀態，每隔幾秒微處理器中斷喚醒來處理事件，工作完畢后繼續休眠，從而使靜態功耗控制在μA級。

3.2 應用ZigBee技術完成井口RTU數據的遠傳接力

由于短距離無線傳感器的有效傳輸距離只有100m左右，不具備進一步遠傳的能力，而ZigBee技術的有效識別距離可達1500m，特別適合油田井網的組合，并且在實際應用中可靈活任意選擇井群進行配置。將兩種技術的優點組合構成了阿爾油田單井自動化監控系統獨特的數據傳輸方式，為進一步研究高寒草原環境的油田數據通信模式提供了一個參考。

4 系統應用效果

新型無線組合網絡系統自2011年8月投入使用至今，運行穩定可靠，維護操作簡便，其經濟效益和社會效益明顯。

（1）單井設備集中實時監控，生產狀況一目了然，滿足油田安全生產的需要。該系統成功投運后，實現了計算機每5min自動輪回巡檢，并做到發生故障隨時報警，關鍵生產參數超限報警處理，確保了油田安全生產。

（2）油井生產運行參數自動診斷、管理優化。該系統集數據采集管理、生產設備監控為一體，特別是單井自動化的平穩運行實現了井口連續計量的優化建產模式，為數字化油田的建設奠定了基礎。

（3）自組單井網絡靈活、可靠。

（4）提高生產效率。遠程監控使得值班人員可以了解油井實時生產情況，可隨時根據井況的變化采取相應措施，對現場生產異常情況及時處理。

5 結語

針對阿爾油田惡劣氣候和無遮擋草原地理環境特點，確定“保障生產、減人增效、減小勞動強度”為自控系統設計理念。在技術上，采用Zig Bee與RFID結合的創新通信技術，實現了井站定時巡查、運行遠程監控、數據隨時查詢、功圖實時生成、超限及時報警、故障人工排除功能，為阿爾油田產能建設的正常運行提供了技術和安全保障。在管理上，以調度中控室為中心，聯合站、單井為兩翼，實現油氣生產的扁平化管理；建成了適用于阿爾油田自動化示范區，實現遠程數據實時監控的生產數據管理平臺。

[1]王歡，郭亮．ZigBee技術在安塞油田數字化井場中的應用[J]．油氣田地面工程，2012，31（1）：51-52．

[2]張少軒，劉甜．ZigBee技術在油田遠程監控系統的應用[J]．油氣田地面工程，2014，33（4）：46-47．

（欄目主持關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.017