油田場站儀表無線化升級的解決方案

薛廣民，申洪源，關(guān)建聰，郭新偉，王與意

（1.海南福山油田勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，海口 571101；2.昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，北京 100043）

0 引言

油田場站中使用的儀表種類繁多，包括壓力表、溫度表、液位計(jì)等，這些儀表作為油田場站物聯(lián)網(wǎng)感知層的基礎(chǔ)，在油田場站的安全穩(wěn)定運(yùn)行方面起著十分重要的作用[1]。

目前油田的聯(lián)合站、轉(zhuǎn)接站、增壓站等場站建設(shè)多數(shù)基于現(xiàn)場總線技術(shù)，使用有線儀表采集壓力、溫度、液位、流量等參數(shù)，通過有線方式供電，以有線方式傳輸至PLC和SCADA系統(tǒng)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)各個參數(shù)的監(jiān)控功能，從而指導(dǎo)生產(chǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，新興的ZigBee、LoRa等無線通信技術(shù)逐步進(jìn)入油氣行業(yè)，促進(jìn)了油氣田生產(chǎn)信息和數(shù)據(jù)的數(shù)字化[2]。同時，油田現(xiàn)場用戶需求也在不斷提高，傳統(tǒng)有線通信儀表雖能基本滿足油田的功能需求，但其存在的缺點(diǎn)也逐漸顯現(xiàn)，具體表現(xiàn)為以下幾方面：

◇儀表安裝布線復(fù)雜，場站建設(shè)整體成本高。由于油田場站現(xiàn)場布設(shè)的監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量多，分布位置也比較分散，并且場站設(shè)備多，環(huán)境復(fù)雜，因而電纜敷設(shè)工程量很大，施工周期相應(yīng)延長，建設(shè)或改造成本很高[3]。

◇儀表無設(shè)備靜態(tài)信息，設(shè)備管理信息缺失。儀表設(shè)備的生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、儀表量程、精度等基本靜態(tài)信息未進(jìn)行采集，場站無法對儀表進(jìn)行完整管理。

◇維修更換儀表工序繁雜，維護(hù)時間長。儀表更換需要與原有接線方式一致，如需更換的儀表接線方式有變化，就必須重新布線，維護(hù)成本提高。

由此看出，儀表傳輸在統(tǒng)一配置管理的升級和優(yōu)化方面還有很大的發(fā)展空間。因此，各油田場站對無線數(shù)字化的需求越來越迫切，紛紛開始通過新的無線物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)和設(shè)備管理技術(shù)進(jìn)行場站儀表的無線數(shù)字化升級改造，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，節(jié)省人力成本，降低數(shù)字化儀表的維護(hù)成本[4]，提升場站的信息化和智能化水平，推動油氣田向現(xiàn)代化、數(shù)字化建設(shè)方向發(fā)展。

在此過程中，得益于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)功能強(qiáng)，不需要通信費(fèi)用，可維護(hù)性好，滿足生產(chǎn)需要的同時可大大節(jié)約成本等眾多優(yōu)點(diǎn)[5]，進(jìn)而ZigBee傳輸技術(shù)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的熱門技術(shù)，并逐漸成為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中短距離無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的主流趨勢。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田生產(chǎn)監(jiān)測和數(shù)字化領(lǐng)域應(yīng)用力度的不斷加大，油田無線通訊的軟硬件條件逐漸具備，未來場站油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸方式由有線向無線化發(fā)展的趨勢更加明顯[6]。

然而，部分油田場站的PLC設(shè)備由于購入年份較早或當(dāng)時成本預(yù)算不足等原因，不具備ZigBee無線通訊功能，無線儀表與PLC設(shè)備之間無法直接進(jìn)行通訊。即便一些PLC設(shè)備具備ZigBee無線通訊功能，又由于油田場站環(huán)境的特殊性，過程儀表密集，大型金屬油罐等設(shè)備多，管線復(fù)雜，部分場站占地面積大，儀表安裝位置與配電室距離過遠(yuǎn)，如果直接簡單采用ZigBee、LoRa等無線通信方式，會存在無線信號遮擋嚴(yán)重、信號弱，甚至完全無信號等問題，無法滿足現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需求。因此，無線通信技術(shù)要大量應(yīng)用于油田場站中，還是存在一定的阻礙[7]。

鑒于上述背景，下面基于ZigBee傳輸技術(shù)、低功耗技術(shù)、中繼采集傳輸技術(shù)、Modbus通訊、A11物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，提出油田場站儀表無線化升級改造的解決方案，實(shí)現(xiàn)油田場站儀表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離、可靠、低成本無線傳輸，有效延長傳感器數(shù)據(jù)傳輸距離，提升信號傳輸質(zhì)量，從而構(gòu)建出高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集體系，進(jìn)一步提升油田場站的信息化和智能化水平，適應(yīng)油田數(shù)字化建設(shè)需求。

1 ZigBee傳輸技術(shù)

1.1 ZigBee傳輸技術(shù)簡介

ZigBee介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間，它采用自己的無線電標(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)以實(shí)現(xiàn)通信。由于這些傳感器只需要很少的能量以接力的方式便可通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。

ZigBee技術(shù)用于傳感控制應(yīng)用，由IEEE 802.15工作組提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。ZigBee協(xié)議自下而上分為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等層，是一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。ZigBee的底層技術(shù)基于IEEE 802.15.4，也就是說其物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[8]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的基本操作是將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)來自發(fā)起節(jié)點(diǎn)上的輸入，被傳送到另一個可以解釋和使用這些數(shù)據(jù)的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

如果是在簡單的數(shù)據(jù)通信中，源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)，而如果源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離過遠(yuǎn)，或者這些節(jié)點(diǎn)處于比較復(fù)雜的環(huán)境中，那么它們可能無法直接進(jìn)行通訊。在這種情況下，可以使用一個或更多的中間節(jié)點(diǎn)作為中繼，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。源節(jié)點(diǎn)先將數(shù)據(jù)發(fā)送到無線電范圍內(nèi)的一個節(jié)點(diǎn)，然后再將其傳遞給另一個節(jié)點(diǎn)，照此方式一節(jié)一節(jié)傳遞，直至傳輸?shù)剿璧哪繕?biāo)節(jié)點(diǎn)。

1.2 ZigBee傳輸技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

ZigBee傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）低功耗

首先，在工作模式下，ZigBee技術(shù)的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間會很短；其次，在非工作模式情況下，ZigBee的節(jié)點(diǎn)則處于休眠狀態(tài)。由于工作時間較短，收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee節(jié)點(diǎn)非常省電。

2）低成本

ZigBee傳輸速率低，協(xié)議簡單，因此ZigBee模塊的初始成本較低，并且ZigBee協(xié)議沒有專利費(fèi)，所以大大降低了應(yīng)用成本。

3）低速率

ZigBee工作在20kbit/s～250kbit/s的較低速率，分別提供250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和20kbit/s（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，能夠滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用要求。

4）近距離

ZigBee設(shè)備點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸范圍一般介于10m～100m之間。在增加射頻發(fā)射功率后，傳輸范圍可增加到1km～3km，如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)，傳輸距離可以更遠(yuǎn)。

5）短時延

ZigBee響應(yīng)速度較快，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。

6）網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee支持自組網(wǎng)，一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納一個主設(shè)備和254個從設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活，再加上各個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以相互連接，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納65000個設(shè)備。

7）高安全

ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，并且采用AES-128加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

8）免執(zhí)照頻段

ZigBee設(shè)備物理層采用工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療（ISM）頻段，有2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行） 和915MHz（美國流行）3種靈活的工作頻段，均為全免費(fèi)、免申請的無線頻段。

9）數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee的MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。ZigBee采取了碰撞避免策略，還為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。同時，ZigBee自組織和自恢復(fù)能力強(qiáng)，通信十分可靠[9]。

2 解決方案

下面分體系架構(gòu)和方案描述兩個部分來詳細(xì)介紹油田場站儀表無線化升級的解決方案。

2.1 體系架構(gòu)

本解決方案主要由無線壓力表、無線溫度表、無線液位計(jì)、中繼器、網(wǎng)關(guān)、PLC及服務(wù)器等設(shè)備組成，基本延續(xù)了油田場站原有的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，工程建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)比較簡單，并且可以降低施工、設(shè)備購置和維護(hù)成本，其體系架構(gòu)示意如圖1。

圖1 體系架構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram

無線壓力表、無線溫度表及無線液位計(jì)作為感知層設(shè)備，負(fù)責(zé)采集并顯示油田場站各點(diǎn)位的實(shí)時數(shù)據(jù)。中繼設(shè)備作為“中轉(zhuǎn)器”，應(yīng)用于感知層設(shè)備和網(wǎng)關(guān)設(shè)備之間，負(fù)責(zé)接收與網(wǎng)關(guān)設(shè)備距離較遠(yuǎn)或信號遮擋較為嚴(yán)重的感知層設(shè)備的數(shù)據(jù)，并將其進(jìn)行中轉(zhuǎn)，通過通訊鏈路間接傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備，采用這種中繼的方式可以規(guī)避障礙，從而實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋區(qū)域的擴(kuò)大。網(wǎng)關(guān)設(shè)備的作用主要是進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)將感知層設(shè)備傳輸過來的無線信號轉(zhuǎn)換為有線信號，或者將通過中繼設(shè)備間接傳輸過來的無線信號轉(zhuǎn)換為有線信號，然后采用RS232或RS485通訊的方式傳輸?shù)絇LC設(shè)備。PLC設(shè)備對采集上來的感知層設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并可按需對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制操作。

2.2 方案描述

目前各油田場站在自動化解決方案中多使用的是大量有線儀表，因此進(jìn)行無線數(shù)字化改造的第一步就是將所有就地顯示的壓力、溫度、液位計(jì)等有線儀表改造為有ZigBee通訊功能的無線儀表，從而通過場站ZigBee無線模塊組建的無線通訊網(wǎng)絡(luò)，將無線儀表數(shù)據(jù)上傳至上層PLC設(shè)備。

油田場站由于內(nèi)部設(shè)備較多，線路也比較復(fù)雜，并且大型金屬油罐和管線的存在嚴(yán)重遮擋了無線信號，傳統(tǒng)的無線通訊無法直接應(yīng)用到油田場站的無線數(shù)字化改造中，因此考慮引入中繼器，通過增加中繼的方式，綜合應(yīng)用ZigBee傳輸技術(shù)、低功耗技術(shù)、中繼采集傳輸技術(shù)、Modbus通訊、A11物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議等解決無線儀表數(shù)據(jù)傳輸，提出油田場站的無線數(shù)字化改造解決方案，提升ZigBee傳輸信號質(zhì)量，擴(kuò)大場站區(qū)域的ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋范圍。

中繼器類似于無線網(wǎng)橋，通過中繼的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，或通過多跳規(guī)避障礙。無線HART網(wǎng)絡(luò)中的儀器設(shè)備均具有網(wǎng)橋的功能，這大大簡化了無線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)。

大型油田場站包含多種類型，以長慶油田為例，其場站主要有聯(lián)合站、轉(zhuǎn)接站和增壓站3種類型，根據(jù)各類型場站的實(shí)際特點(diǎn)，應(yīng)分別制定不同的詳細(xì)方案。

油田增壓站環(huán)境一般較為簡單，占地面積比較小，儀表安裝位置與配電室距離也比較近，兩者之間也基本沒有大型遮擋物，因此可直接建立傳輸鏈路。在配電室安裝無線網(wǎng)關(guān)，使用高增益、高靈敏度天線伸至配電室外的合適位置，確保無線傳輸信號的穩(wěn)定可靠，從而實(shí)現(xiàn)無線儀表數(shù)據(jù)的正常采集和傳輸。

油田聯(lián)合站和轉(zhuǎn)接站規(guī)模一般比較大，尤其是聯(lián)合站，管線十分復(fù)雜，大型金屬油罐等設(shè)備繁多，壓力、溫度、液位計(jì)等儀表被大型設(shè)備遮擋較為嚴(yán)重，即使是在短距離內(nèi)，無線儀表信號也很難直接傳輸至配電室內(nèi)的相關(guān)設(shè)備，因此在傳輸鏈路中的適當(dāng)位置考慮增加防爆中繼設(shè)備。

根據(jù)場站內(nèi)的實(shí)際布局，選擇合適位置樹立中繼桿，將中繼設(shè)備安裝到中繼桿上，并可以適當(dāng)利用場站內(nèi)現(xiàn)有的監(jiān)控桿，從而簡化施工，進(jìn)一步降低采購和施工成本。選擇的中繼設(shè)備安裝位置必須確保被遮擋的儀表數(shù)據(jù)能被正常采集及傳輸，同時能保證無線信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，構(gòu)建出一個無線網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋區(qū)域，形成整個無線數(shù)據(jù)點(diǎn)全覆蓋的場站儀表網(wǎng)絡(luò)。在這樣的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，被遮擋儀表的數(shù)據(jù)傳輸至中繼設(shè)備，由中繼設(shè)備經(jīng)終端鏈路傳輸?shù)浇K端網(wǎng)關(guān)設(shè)備，再通過RS232或RS485通訊方式將數(shù)據(jù)匯總到站內(nèi)PLC設(shè)備，從而與原系統(tǒng)數(shù)據(jù)相融合。

3 結(jié)語

在油氣田建設(shè)和生產(chǎn)中，無線監(jiān)測儀表的應(yīng)用具有穩(wěn)定性好、系統(tǒng)可拓展性強(qiáng)、組網(wǎng)方式靈活、調(diào)試簡單、項(xiàng)目周期短、成本低等優(yōu)勢，而且安全可靠[10]。

本解決方案通過將物聯(lián)網(wǎng)ZigBee通訊技術(shù)與儀表產(chǎn)品的結(jié)合，將儀表傳輸方式升級為無線通訊，可以成功將無線儀表應(yīng)用于油田場站建設(shè)中，并可有效解決無線儀表數(shù)據(jù)傳輸信號質(zhì)量不好、有效覆蓋區(qū)域小的問題，有效提升油田數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆€(wěn)定性，還可以通過與物聯(lián)設(shè)備遠(yuǎn)程管理及遠(yuǎn)程診斷技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管理，從而構(gòu)建出更加精準(zhǔn)、更加穩(wěn)定、更加高效的數(shù)據(jù)采集體系，助力油田場站數(shù)字化發(fā)展。

此外，本解決方案基本延續(xù)了油田場站原有的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在不改變傳輸層和監(jiān)控層架構(gòu)的條件下即可幫助油田場站實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場感知設(shè)備的無線化升級改造，不會對油田場站的正常運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，工程建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)比較簡單，并且可以降低施工、設(shè)備購置和維護(hù)成本，適用于油田新場站的建設(shè)和老場站的改造，能夠有力地促進(jìn)油氣田企業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展進(jìn)程。