無線通信技術在油田自動化中的應用

周成龍，常文偉

（山東勝利通海集團東營天藍節(jié)能科技有限公司，山東 東營 257200）

0 引 言

油田自動化表現(xiàn)出綜合性特點，將控制理論作為指導理念，將各類儀表儀器作為硬件支撐，將轉油站和計量間等作為自動化控制操作對象，將增加原油產量和原油品質作為關鍵，利用了先進的計算機信息技術等，避免了開采操作形成的巨大損耗，降低了安全事故發(fā)生率。為更好地推進油田生產和管理工作，需合理應用無線通信技術。

1 應用的必要性

1.1 無線通信技術基本原理

無線通信技術憑借發(fā)射設備和接收設備等，穩(wěn)定傳遞無線信號，有效突破了空間約束。無線通信波譜涉及若干頻段，符合多樣化通信應用需求。解析結構可知，無線通信技術表現(xiàn)出顯著的層次特點。基于IP網絡的支撐，各終端可快速傳遞和交互信息數(shù)據(jù)。對應用戶可結合本身需要，科學選擇技術類型。任何通信模式，都需利用電磁波透過空氣傳輸無線信號，并合理運用各種傳輸協(xié)議。為提升傳輸速率和及時傳遞各路徑信號，應客觀應用天線結構，結合天線合理調整輸出功率、信號頻率及輻射范圍[1]。

1.2 技術發(fā)展趨勢

在油田中，可合理應用可編程控制系統(tǒng)、計算控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如，開發(fā)油田過程中，為提升管理水平和生產水平，應用了集成化控制和安全管理系統(tǒng)，即ICSS系統(tǒng)，從而智能化控制油田井口和集中處理中心。隨著科學技術的發(fā)展，特別是計算機技術的快速發(fā)展，油田自動化發(fā)展突顯了集成化和高效化特性。油田自動化發(fā)展極大地依賴無線通信技術，可實現(xiàn)信息的傳輸和交互，強化各技術環(huán)節(jié)的互動。

2 無線通信技術的應用原則

在油田中應用無線通信技術需遵循以下原則。

第一，科學原則。只有基于科學層面考慮，綜合分析有關自動化內容，定位無線通信技術及有關操作職能，才可充分確保油田自動化運行中合理應用無線通信技術。只有借助科學方法和理念，才可通過現(xiàn)有技術操作內容強化技術應用效果[2]。

第二，實用原則。油田自動化牽涉較多操作領域，產生不同工作內容和大量信息數(shù)據(jù)，應盡量增加維護應用無線通信技術的兼容性方案，減少復雜環(huán)節(jié)影響無線通信技術的維護工作。此外，需簡化處置無線通信技術和對應運用技術程序，減輕操作難度，以保證油田自動化工作的順利推進。

3 無線網橋應用

3.1 無線網橋運行

無線網橋具體包括2.4 GHz和5.8 GHz兩種通信頻段，我國通常選擇5.8 GHz頻段運用無線通信技術，布置過程中無需申請執(zhí)照。同時無線網橋已具備一般線網橋的特點，提高了便捷性。無線網橋架設時，可選擇點對點、中繼及點對多點等方式。部署方式不同應用范圍也不同，實際應用中應根據(jù)自動化通信要求和距離進行科學選擇。一般結合終端遠近距離設置無線網橋，點對點方式和點對多點方式的應用在較遠距離和較近距離的終端時，分別產生對應效果；若同時出現(xiàn)上述情況，則應通過中繼方式建立無線網橋，從而提升通信水平。

3.2 應用優(yōu)勢

自動化通信中應用無線網橋優(yōu)勢明顯，無線網橋移動特點顯著。具體是通過室內外接收裝置和發(fā)射裝置達到無線通信應用目標，在不借助物理電纜的情況下合理布置，并應用能移動的終端設備，結合通信需求合理調整位置。油田中，計量站是關鍵內容，通常都是多個并存，中央控制器能憑借移動網絡及時收集各種運作數(shù)據(jù)，從而更好地管理和調度工作。點對多點方式是架設無線網橋的最合理方式，但通過將計量站設置在油田內部，可為全部計量站提供統(tǒng)一的終端，從而更好地進行無線通信。

4 無線傳感器網絡

具體包括在監(jiān)測區(qū)域布置的大量廉價微信傳感器節(jié)點，憑借無線通信方式產生一個多跳的自組織網絡系統(tǒng)。一般牽涉?zhèn)鞲衅鞴?jié)點、匯聚節(jié)點及管理節(jié)點。在監(jiān)測區(qū)域內部或周圍隨機布置很多傳感器節(jié)點，憑借自組織方式產生網絡，根據(jù)其他傳感器節(jié)點逐步傳遞傳感器節(jié)點獲得的數(shù)據(jù)。這一過程中極有可能通過若干節(jié)點統(tǒng)一處理監(jiān)測數(shù)據(jù)，多跳處理后向節(jié)點匯聚，最終憑借工控網絡等順利進入管理節(jié)點。用戶由此合理搭配傳感器網絡，對外公布監(jiān)測工作，并接受相關數(shù)據(jù)[3]。當前油田利用各種不同類型的無線傳感器，包含壓力傳感器、溫度傳感器及載荷傳感器等。具體在密集布置儀表控制線和復雜的施工場地內應用。

4.1 優(yōu) 點

第一，迅速建立網絡，并產生較強的移動性。無線傳感器網絡可忽略物理線路，利用無線網橋達到連接目的。網絡建立時僅需將無線傳感器安裝在接口，并合理設計信道和地質，從而順利建立網絡，非常便捷。同時由于缺少物理線路，表現(xiàn)出強大的流動性。第二，良好的擴展性。網絡基礎設備建成后，若需拓展相應網絡，則僅需設置無線傳感器，并調整有關參數(shù)。

4.2 不 足

第一，實時性不足。油田監(jiān)測數(shù)據(jù)接收過程中，合理應用無線傳感器網絡，具體是地址順序、輪詢模式及對非實時數(shù)據(jù)的采集，表現(xiàn)出較強的滯后性，難以連鎖控制主要設備。第二，供電性不佳。無線傳感器供電方式為電池，電量有限。雖然傳感器節(jié)能性較好，但依然需要每隔3～6個月對電池進行更換，不能可持續(xù)應用。

5 ZigBee與WIA-PA應用

油水井監(jiān)控系統(tǒng)表現(xiàn)出分散的特點，并且作業(yè)頻繁，而無線通信方式便捷和靈活，相應降低了成本。

按照工業(yè)自動化環(huán)境要求，不斷創(chuàng)新有關無線通信協(xié)議。初期的ZigBee通信協(xié)議，由于擁有豐富資源和公開協(xié)議等特性，應用范圍廣泛。但考慮到特殊的工業(yè)應用情況，國內企業(yè)開始研究WSN工作，設計了WIA-PA標準。

5.1 二者對比

ZigBee的特點是自行組網、擴展輕松及功耗較小等，可大規(guī)模運用于智能家居和交通控制等。WIA是中國對工業(yè)自動化定制設計的標準，其中在自動化流程中應用的系統(tǒng)結構和通信規(guī)范共同形成WIA-PA，體現(xiàn)出高實時、高穩(wěn)定的優(yōu)點。

5.2 應用ZigBee情況

具體應用在油田井場監(jiān)控系統(tǒng)，并在各測控設備和RTU之間實現(xiàn)通信，但基本上不能應用ZigBee標準順利建立WSN，關鍵原因包括以下方面。

第一，短距離通信。ZigBee利用的頻段是2.4 GHz，不具備較好的穿透性和繞射功能，當存在障礙物時難以順利通信。同時，終端節(jié)點節(jié)省了大量功耗，降低了無線發(fā)射工具的能力，一定程度上縮短了通信距離。

第二，抗干擾性能不佳。網絡節(jié)點只能在相同信道上達到通信目的，無法為跳頻和重傳制度提供支撐。若發(fā)生影響信道的問題，則可能嚴重丟失數(shù)據(jù)。

第三，布置路由困難。由于通信距離不長，為使相同區(qū)塊內的監(jiān)控設備構成對應網絡，需將大量路由器布置在井場范圍，具體部署時可參考通信距離和環(huán)境特性。

第四，難以有效解決路由器供電問題。ZigBee低功耗僅是針對終端節(jié)點，其可在休眠情況下開展工作，而網關節(jié)點和路由節(jié)點需在具體活動環(huán)境中開展對應操作，不能降低功耗，通常難以憑借電池達到供電目標。

5.3 WIA-PA技術適應性

第一，可靠的數(shù)據(jù)通信。一般利用多信道通信制度，達到自行跳頻和重傳作用，以避免油田在惡劣環(huán)境下受到影響，減輕了信道衰減程度，提升了穩(wěn)定傳遞數(shù)據(jù)的能力。

第二，較高的數(shù)據(jù)安全性。在網絡層和應用層通過WIA-PA規(guī)定了安全和應用標準，數(shù)據(jù)產生了極高的安全性。

6 結 論

油田在生產過程中表現(xiàn)出線長和面寬等特性，所在環(huán)境復雜，信號被嚴重遮蔽，不能整體實現(xiàn)無線網絡的覆蓋，不利于順利采集生產數(shù)據(jù)和監(jiān)測工作。無線通信技術具有繞射功能較強、功耗偏低及信號穩(wěn)定等特點，可在復雜環(huán)境中傳遞數(shù)據(jù)，最大程度地保證了油田開展數(shù)字化建設。