Zigbee技術在高寒油田自動化監控系統中的應用

2018-04-26 05:40:27李云裴宗賢許建國陳宇強楊金惠梁昌晶

石油化工自動化 2018年2期

李云，裴宗賢，許建國，陳宇強，楊金惠,梁昌晶

(1. 中石油西南油氣田公司川中油氣礦輕烴廠，四川遂寧 629000；2. 河北華北石油港華勘察規劃設計有限公司,河北任丘 062552；3. 中國石油華北油田公司第一采油廠,河北任丘 062552；4. 河北華北石油路橋工程有限公司,河北任丘 062552)

隨著油田自動化的發展，傳統的光纖等有線傳輸方式由于造價高、不易維護等特點已經逐步被GPRS，邁高(Micwell)，數傳電臺等新興的無線傳輸方式所替代。針對某油田地處高寒地區、人煙稀少、氣候惡劣等不利條件，通過綜合對比，選擇一種既要保證有效傳輸距離和接收效果，又要滿足低成本、低運營的傳輸方式。結合紫蜂(Zigbee)的相關技術，建立以Zigbee和Micwell相結合的無線網絡集群，成功實現了遠距離、大規模井站油田自動化系統監控。

1 Zigbee無線通信技術

1.1 Zigbee無線通信技術簡介

Zigbee無線通信技術是基于IEEE 802.11.4標準發展出來的通信協議。Zigbee無線通信技術按照功能可分為中心節點(協調器)和終端兩種工作模式。操作人員可以簡單地通過X-CTU軟件選擇設備的型號、運行模式，對網絡地址、掃描周期、頻道、安全性、睡眠模式和I/O等進行相關的讀寫設置。X-CTU軟件界面如圖1所示。

圖1 X-CTU軟件界面示意

1.2 Zigbee無線通信技術特點

1) 數據傳輸速率低。10～250 Kbit/s，專門用于低傳輸應用。

2) 功耗低。在設定的時間內如果沒有發送和接受數據的任務，即進入睡眠狀態。

3) 有效傳輸距離短。以協調器為中心可以有效地覆蓋300 m以內的終端設備。

4) 工作頻段免費。國際規定的工作頻段有3個：全球標準2.4 GHz；歐洲標準868 MHz；美國標準915 MHz。

5) 安全性高。采用了國際上最先進的加密算法AES-128，保證了數據的安全可靠性。

6) 時延短。搜索設備的時延大概30 ms,休眠激活的時延15 ms,所以特別適用于實時的數據通信。

7) 供電方式簡單。采用油井遠程終端設備(RTU)中引出的12 V直流電源供電，有效地延長了使用壽命。

2 通信方式對比

目前油田常用的通信技術包括有線通信和無線通信兩種方式，其中有線通信包括光纜、同軸電纜、雙絞線等；無線通信方式包括無線數傳電臺，GPRS，Micwell，WiFi-Mesh等，由不同的通信介質構成的通信方式各有不同的適用性，各種傳輸方式技術指標對比見表1所列。

由于該油田地理條件較差，很多盲區無GPRS信號的覆蓋，所以光纖和GPRS等傳統的傳輸方式無論是從可行性還是從成本上來講都不宜采納。Zigbee無線通信技術相比其他傳輸方式，具有成本低廉、安裝維護簡單、組網結構靈活以及較寬的傳輸帶寬等特點，特別適合該油田油井多而集中、地理環境簡單且無建筑物阻隔的場合。同時Zigbee無線通信技術的公共頻段目前尚沒有使用費，一定程度上節約了后期的使用費。

3 系統設計

Zigbee無線通信技術的組網方式是以1個協調器為中心，對應終端多達10個。雖然每個終端傳輸距離在300 m以內，但各個模塊之間可實現傳輸接力，理論上能實現大規模的無線蜂窩式通信。同時Zigbee無線通信技術是多通道通信，當其中某個設備發生故障不能組網運行時，可繞過該設備自行尋找周圍其他設備進行數據傳遞，所以即使小區域設備發生問題，鏈路層也不會就此中斷。

油田自動化數據流向如圖2所示。油井RTU將示功儀、溫變、壓變等各類傳感器收集到的載荷、沖程、沖次、壓力、溫度、液位、流量、電流、電壓等生產數據參數，處理后經RS-232接口傳輸到Zigbee 終端，各個終端的數據再匯總到中心節點。

圖2 數據流向示意

為了保證整個通信信道的通暢，Zigbee無線通信技術僅負責每口單井與協調器之間點對點的通信，即油井之間近距離通信部分,不負責數據的處理和儲存。所有協調器的數據匯總后由另外一種遠距離傳輸方式——Micwell傳輸至中心控制室進行動態顯示，這樣可最大限度地保證數據通信的可靠性,防止單種通信方式的癱瘓，也有利于出現問題后及時地排查。整個生產系統的重要參數納入了自動化監控系統，實現了對數據的實時分析，可隨時對各井站的歷史數據及功圖進行查詢瀏覽。

軟件設計采用C語言或VB等高級語言編制。同時與上位機人機交互軟件Intouch9.5進行對接。整個程序包括系統初始、數據傳輸、校驗、接收等步驟。波特率設置為9 600 bit/s，將軟件編排好的數據幀頭、幀尾再加上經CRC校驗過的驗證碼后以字符串形式傳輸到協調器，經調制解調器重新還原，先檢驗幀頭、幀尾以及驗證碼是否一致，如果一致則該次數據有效，向終端發送成功信息，否則作為無效數據舍棄，等待下一個發送周期的數據。對于有效數據中字符串不全或中斷的情況，軟件全部將所缺信息補零，從而解釋了示功圖測量中偶爾會有一段載荷為零的直線出現的問題。