基于無線傳感網絡的柱塞氣舉排水采氣控制系統設計

2018-07-06 07:03:32李銳丁瑞姚成龍楊沙琦長江大學電子信息學院湖北荊州434023

長江大學學報(自科版) 2018年13期

李銳,丁瑞,姚成龍,楊沙琦(長江大學電子信息學院，湖北荊州 434023)

柱塞氣舉是一種用于氣井見水初期的排水采氣工藝，通過在氣井油管中投放柱塞，以柱塞作為氣液之間的機械界面，借助氣井自身能量，推動柱塞以一種循環方式在油管內上下運動，實現周期性舉液[1]。利用柱塞氣舉可有效防止液體滑脫和氣體上竄，提高間歇舉升效率。該技術被作為主體技術在哈薩克斯坦阿克糾賓油田廣泛應用，國內四川、吐哈等地油田也進行了一定數量的應用[2,3]。但柱塞氣舉控制系統都存在現場布線復雜、操作不夠靈活和成本高的問題，并且需要人員到現場進行制度調參，使得柱塞氣舉工作效率低下，操作和管理成本升高[4]。無線傳感網絡具有智能化程度高、信息時效強、覆蓋區域廣、支持多路傳感器數據同步采集、可擴展性好等特點，其在柱塞氣舉控制系統中有著廣闊的應用前景[5]。筆者以柱塞到達傳感器信號、油壓和套壓為監測目標，以氣井工作模式為控制目標，設計了基于無線傳感器網絡的柱塞氣舉控制系統。

1 系統總體結構

系統主要由井口中央節點、監測節點、控制節點、協調器、本地監控中心和遠程監測中心等組成，其結構如圖1所示。井口中央節點、監測節點和控制節點部署在監測區域內，通過自組織的方式組成無線網絡，以多跳的網絡方式將采集的數據發送至協調器，協調器負責接收和顯示網絡中所有節點信息。協調器和本地監測中心通過串口進行數據傳輸，監測中心接收到數據后進行處理、分析、保存、圖形化顯示與預警，實現柱塞氣舉工況的實時監測與控制[6]。協調器也可以通過GPRS模塊接入INTERNET網絡，將數據傳回遠程監測中心，便于對整個區塊柱塞氣舉井工況進行實時監控。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 井口中央節點

圖2 井口中央節點電路結構圖

圖3 監測節點電路結構圖

井口中央節點接受來自監測節點的信息，其中包括柱塞到達傳感器信號，油壓和套壓變化情況[7]。井口中央節點根據時間優化方法[1]分別計算與處理，向控制節點發送控制指令，達到控制電動閥實現開關井的目的。系統井口中央節點核心處理芯片選用CC2530,利用模塊化設計方法，主要包括單片機處理模塊、電源模塊、無線通信模塊、人機交互模塊和時鐘模塊等，具有實時采集柱塞氣舉井運行參數、計算開關井時間、下發開關井控制命令、設定系統參數等管理功能[8～10]。同時負責網絡啟動、網絡自組織、選擇參數等網絡功能，井口中央節點電路結構圖如圖2所示。

2.2 監測節點

監測節點完成柱塞是否到達井口的判斷，油套壓力的采集、處理與發送，同時在ZigBee網絡中向井口中央節點實現數據轉發。節點由電源模塊、控制器模塊、柱塞到達傳感器模塊、油壓檢測模塊、套壓檢測模塊等組成[11]，電路結構如圖3所示。監測節點電路中設計有2路電源，其中5V電源給柱塞到達傳感器、油壓傳感器、套壓傳感器供電，3.3V電源給控制器模塊供電，獨立的電源系統保證了信號監測與處理的穩定性。

油套壓傳感器電路將油壓和套壓值轉化為4～20mA的電流信號，經過信號調理電路轉變為1～5V的直流電壓信號，傳輸至監測節點的CC2530內部AD進行采集和處理；選用美國PCS公司新型3DSO柱塞到達傳感器，基于霍爾效應原理進行柱塞到達檢測，在柱塞氣舉井開井工作期間，當柱塞運行至井口時傳感器電路將發生電平翻轉，利用信號調理電路將柱塞到達傳感器信號轉化為單片機可處理的數字信號，傳輸至CC2530的I/O口。監測節點中的處理器CC2530根據監測到的柱塞到達信號，油壓和套壓值通過射頻模塊利用天線實現向井口中央節點的數據轉發。

2.3 控制節點

圖4 控制節點電路結構圖

控制節點利用CC2530接收井口中央節點發出的電動閥控制信號，并將其轉化為對應的開關量信號，通過專用電機驅動芯片控制電動閥的啟停，從而達到控制氣動薄膜閥實現開井或關井操作?？刂乒濣c電路結構如圖4所示。

3 系統軟件設計

該系統借助IAR軟件開發平臺實現ZigBee 2007協議棧的移植開發，分別設計了井口中央節點、監測節點、控制節點軟件。系統以CC2530為核心處理器，采用C語言完成系統軟件二次開發，實現各節點間數據互傳和各節點應用層功能[12,13]。

3.1 井口中央節點

圖5 井口中央節點流程圖

井口中央節點軟件包括組網與數據傳輸以及優化控制模塊，前者完成ZigBee網絡組網與數據匯聚、節點添加等功能；后者通過對監測節點傳回數據進行分析、優化處理，給控制節點發送控制命令，流程圖如5所示。

井口中央節點上電后，初始化系統和組建ZigBee網絡。接收網絡中監測節點發送數據，由處理器運算處理后，發送控制指令到控制節點，達到根據設定時間自動控制柱塞氣舉井開關井工作制度的目的[14,15]。根據柱塞運行狀態，將系統工作階段分為3個時間段：等待到達時間t1、續流時間t2、關井時間t3。等待到達時間即從關井時刻開始到柱塞到達井口的時間，該時間段以排液為主；續流時間即柱塞到達井口進行采氣的時間；關井時間即停井等待井底能量恢復時間。設柱塞理論上行時間為t4，柱塞實際上行時間為t5，柱塞理論上升速度為250m/min,s為井深，t4=s/250。井口中央節點設置有時間調節比率的選項，調節比率分別為1∶1、2∶1、3∶1，以ad表示調節比率。井口中央節點根據柱塞理論上行時間和柱塞實際上升時間，由公式(1)和公式(2)進行時間調整。

如果t5>t4，判斷柱塞過緩到達，表明續流時間過長或關井時間過短，則t2、t3為：

(1)

如果t5

(2)

3.2 監測節點

圖6 監測節點軟件流程圖

監測節點軟件包括數據采集與數據傳輸2大模塊。前者采集柱塞到達時間、油壓和套壓值；后者實現采集監測節點與井口中央節點間的數據傳輸，主要完成柱塞到達時間和油、套壓數值的傳輸。監測節點流程圖如圖6所示。

4 試驗及結果分析

圖7 無障礙測試丟包率測試曲線

圖8 有障礙測試丟包率曲線

為了測試基于無線傳感網絡的柱塞氣舉排水采氣控制系統的數據傳輸距離，提高數據傳輸的準確性，進行了點對點的距離測試試驗，其中包括無障礙測試和有障礙測試。

在無障礙測試中，共測算了50組數據，通過查看并對比數據的收發次數計算出數據丟包率，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，測試距離小于80m時無丟包現象，通信穩定可靠，大于80m之后開始出現丟包，因此無障礙通信距離極限為80m。

在有障礙測試試驗中，通信節點之間隔一堵墻壁(墻壁厚度約0.3m)，共測算50組數據，結果如圖8所示。從圖8中可以看出，測試距離小于20m時，通信狀態良好，大于20m之后數據開始丟包。

試驗數據表明，ZigBee網絡受障礙與距離影響較大，為解決這一問題，控制系統一方面增設有功率加強模塊，以增加最遠通信距離；另一方面，根據以上測試結果，在按需求布放完各種測控節點后，控制系統按照區域環境有無障礙以及所需通信距離合理增設路由器節點，在保證數據傳輸距離的同時嚴格控制丟包率，良好的完成了整個無線傳感網絡的搭建。

在監測中心的服務器上，利用組態王軟件設計上位機軟件。系統所開發上位機界面友好，具有傳感器數值與圖形化顯示，并具有生成報表、歷史數據查詢等功能。圖9所示為組態王上位機工作界面。

5 結語

筆者設計的基于無線傳感網絡的柱塞氣舉排水采氣控制系統以CC2530為核心，設計了井口中央節點、監測節點、控制節點，利用ZigBee網絡實現監測節點與井口中央節點的數據傳輸，井口中央節點與控制節點間的控制命令傳輸，集成有柱塞到達時間、油壓值和套壓值采集方法、電磁閥精確控制算法等，實現柱塞氣舉井的實時、按需調控，保證了柱塞運行狀態的平衡，實現了產量的大幅提高，為柱塞氣舉技術遠程控制提供有力技術支撐。