王文珍

(中南民族大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)的基本功能是將一系列在空間上分散的傳感器單元通過自組織的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，從而將各自采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸匯總，以實(shí)現(xiàn)對空間分散范圍內(nèi)的物理或環(huán)境狀況的協(xié)作監(jiān)控，并根據(jù)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的分析和處理［1］。因具有成本低、范圍大、布設(shè)靈活、移動支持等特點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在工業(yè)監(jiān)控、智能電力、礦山安全、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測等行業(yè)的應(yīng)用一直廣受重視。

針對油田作業(yè)區(qū)的特點(diǎn)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)特性，開發(fā)了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集、通信傳輸、油田作業(yè)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控、調(diào)度指揮和無人值守作業(yè)等功能。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系研究

無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議分層以及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的集合，是對網(wǎng)絡(luò)及其部件所應(yīng)完成功能的定義和描述。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)由分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)以及應(yīng)用支撐技術(shù)三部分組成［2］，如圖1 所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 The architecture of wireless sensor network

分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于TCP/IP協(xié)議體系結(jié)構(gòu);傳感器網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)主要是對傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理;在分層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，支持傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐技術(shù)。

2 油田智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，分析和設(shè)計架構(gòu)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引入油田作業(yè)區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)油田作業(yè)區(qū)、井場的智能監(jiān)控與管理。

2.1 智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控中心等組成，通信部分采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。監(jiān)控中心一般設(shè)置在礦部、隊(duì)部或其他監(jiān)控調(diào)度部門，包括管理計算機(jī)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)。

采集系統(tǒng)由儀表和采集電路組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和組織、無線模塊的控制?，F(xiàn)場的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由各節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)或CDMA 網(wǎng)絡(luò)組成［3］。

井區(qū)聯(lián)合站或監(jiān)控中心通過無線網(wǎng)絡(luò)取得現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)并做數(shù)據(jù)記錄，形成歷史曲線和實(shí)時曲線;根據(jù)數(shù)據(jù)判斷各油井的生產(chǎn)狀態(tài)，對異常情況提出報警;為日常生產(chǎn)調(diào)度提供數(shù)據(jù)支持和圖表分析工具。井區(qū)聯(lián)合站的另外一個重要的功能是為其他生產(chǎn)組織部門提供數(shù)據(jù)來源，例如油田指揮中心和其他生產(chǎn)區(qū)辦公地點(diǎn)，可以通過油網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)(virtual private network，VPN)從井區(qū)聯(lián)合站處得到油井生產(chǎn)狀況的數(shù)據(jù)，還可以通過井區(qū)聯(lián)合站得到完整的歷史數(shù)據(jù)，作為生產(chǎn)計劃制定的重要依據(jù)。這一系統(tǒng)可以很好地與前期已經(jīng)完成的聯(lián)合站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)整合在一起。

其他生產(chǎn)組織部門通過以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)而不是通過無線網(wǎng)絡(luò)從現(xiàn)場讀取數(shù)據(jù)。這樣做有兩個好處:①減輕現(xiàn)場無線網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)，以便能更好地利用帶寬資源;②減少通信費(fèi)用和設(shè)備成本，更好地利用現(xiàn)有的油網(wǎng) VPN 資源［4］。

2.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接Fig.2 ZigBee network connections

由于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單，監(jiān)測現(xiàn)場不需要復(fù)雜的線路連接，可靠性高，特點(diǎn)突出，因此，采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將各井場的采集設(shè)備構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee無線組網(wǎng)。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，將收到的信息傳到遠(yuǎn)程終端裝置(remote terminal unit，RTU)設(shè)備，再通過GPRS或有線網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心通信［5］。

油井工作狀態(tài)傳感器主要有:示功圖傳感器、載荷傳感器、被監(jiān)控開關(guān)斷/合傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器、電壓過壓傳感器、井口套管壓力監(jiān)測、漏油/盜油監(jiān)測、油井實(shí)時故障報警、欠壓報警、電流過流報警、抽油機(jī)啟停報警、漏油/盜油報警及監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和打印。系統(tǒng)留有擴(kuò)展口，可根據(jù)油井情況和客戶需求增加監(jiān)測點(diǎn)。

這些傳感器將油井的工作狀態(tài)變換成對應(yīng)的電壓或電流值，通過ZigBee通信模塊送至遠(yuǎn)程智能無線數(shù)據(jù)采集控制器RTU。值班人員也可以通過組態(tài)軟件來實(shí)時監(jiān)測前端設(shè)備的運(yùn)行情況，也可對井場閥門的遠(yuǎn)程開關(guān)和抽油機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟停。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有三種類型的節(jié)點(diǎn):協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)［6］。終端節(jié)點(diǎn)上分別連接監(jiān)測區(qū)域的各種傳感器。終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過路由節(jié)點(diǎn)傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)到RTU，臨近協(xié)調(diào)器的終端節(jié)點(diǎn)也可直接與協(xié)調(diào)器通信。整個網(wǎng)絡(luò)通過唯一的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與RTU通信。路由節(jié)點(diǎn)也可以實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)的所有功能。

節(jié)點(diǎn)在空閑時均處于休眠狀態(tài)或待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)或有外部請求時自動喚醒。遠(yuǎn)程控制中心可以通過公用電話網(wǎng)、GPRS等方式與RTU通信，以控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作［7］。系統(tǒng)采用蓄電池為節(jié)點(diǎn)供電，利用太陽能電池板采集能量為蓄電池充電。

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計

本文根據(jù)采油井場的現(xiàn)場特點(diǎn)，設(shè)計了一種分簇式鏈狀即層次型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［8］，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井場傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of well-site sensor system

對于采油井場應(yīng)用而言，并不需要特別多的傳感器節(jié)點(diǎn)，大多節(jié)點(diǎn)只是簡單地接收協(xié)調(diào)器和路由器的命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，不需要移動且可重復(fù)利用;節(jié)點(diǎn)之間一般也不需要復(fù)雜的相互通信。因此，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，由于井場范圍小且節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)不需要太復(fù)雜。

層次型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)節(jié)點(diǎn)距離協(xié)調(diào)器的遠(yuǎn)近劃分成簇，每個簇由相互靠近的節(jié)點(diǎn)組成，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量可以不同。其中，端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)對井場的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。每一個簇首負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)本簇中端節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并收集來自這些端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。在收集完本簇內(nèi)的數(shù)據(jù)后，每一個簇首會把這些數(shù)據(jù)通過它前面的簇首，以逐級轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送給網(wǎng)關(guān)。協(xié)調(diào)器和監(jiān)控中心相連，網(wǎng)絡(luò)的骨干結(jié)構(gòu)則由每一個簇的簇首和協(xié)調(diào)器組成［9］。

根據(jù)井場實(shí)際監(jiān)測的需要，端節(jié)點(diǎn)和簇首節(jié)點(diǎn)可以靈活配置:簇的數(shù)量可以根據(jù)井場空間環(huán)境和需要監(jiān)測的參數(shù)單元靈活地劃分確定，也可以根據(jù)需要隨時進(jìn)行增減，從而實(shí)現(xiàn)對井場參數(shù)的無縫監(jiān)測。該網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)淇刂茩C(jī)制和路由機(jī)制簡單、能量消耗低的優(yōu)點(diǎn)［10－12］。

2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

現(xiàn)場儀表的功能模塊如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場儀表的功能模塊Fig.4 The functional modules of the field instruments

現(xiàn)場采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理和壓縮，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，并在現(xiàn)場進(jìn)行一些簡單的判斷和故障提示?，F(xiàn)場儀表包括壓力計、流量計、溫度計、液位計和檢測抽油機(jī)工作狀態(tài)的位置、角度檢測儀表。

控制模塊可以控制抽油機(jī)的啟停，可遠(yuǎn)程設(shè)置自動啟停和間開時間，并保存一定量的歷史數(shù)據(jù)。由于無線傳輸受多種因素影響，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)信號較弱時，可能會出現(xiàn)通信失敗的情況。在這種情況下，現(xiàn)場的歷史數(shù)據(jù)由現(xiàn)場采集模塊記錄，通信恢復(fù)后采集模塊操作通信模塊，將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)出去。這就保證了數(shù)據(jù)的完整性，避免數(shù)據(jù)分析時因?yàn)閿?shù)據(jù)缺失而造成一些情況無法正常分析。

2.5 監(jiān)視控制軟件

監(jiān)視控制軟件是實(shí)現(xiàn)基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)智能控制與管理的平臺。它運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等，對所采集的傳感信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。在此，監(jiān)視控制軟件應(yīng)該能夠通過接口平臺、數(shù)據(jù)交換、圖形技術(shù)等，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一建庫、統(tǒng)一處理、關(guān)聯(lián)分析和多方展示。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗(yàn)管理、人工巡檢、大海撈針、守株待兔的被動模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾?、電子巡井、“精確制導(dǎo)”的主動方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化，推動了油田向管理現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

系統(tǒng)通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、預(yù)警管理、遠(yuǎn)程控制等功能，實(shí)現(xiàn)了井場無人值守，有效節(jié)約了人工成本;視頻監(jiān)控、視頻行為分析、語音提示等功能加強(qiáng)了現(xiàn)場安全管理，強(qiáng)化了安防水平;抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程啟停，井口油壓實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測，減少了員工巡井頻次，降低了油田工人的勞動強(qiáng)度。

此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控、自動化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸;井場安裝有自動投球裝置，實(shí)現(xiàn)了油井不間斷投球作業(yè)，提高了工作效率。因此，實(shí)行井站一體化管理，減少工作環(huán)節(jié)，生產(chǎn)組織將更加快捷、高效。

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