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(duì)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(dòng)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(cè)等行業(yè)的應(yīng)用一直廣受重視。

針對(duì)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(duì)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(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)自身的管理以及用戶對(duì)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(jì)

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，分析和設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)油田作業(yè)區(qū)、井場(chǎng)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(jì)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(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和組織、無線模塊的控制?，F(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(shí)曲線;根據(jù)數(shù)據(jù)判斷各油井的生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)異常情況提出報(bào)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(gè)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(jì)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(chǎng)讀取數(shù)據(jù)。這樣做有兩個(gè)好處:①減輕現(xiàn)場(chǎng)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(jì)

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(jiǎn)單，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(cè)、漏油/盜油監(jiān)測(cè)、油井實(shí)時(shí)故障報(bào)警、欠壓報(bào)警、電流過流報(bào)警、抽油機(jī)啟停報(bào)警、漏油/盜油報(bào)警及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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(cè)點(diǎn)。

這些傳感器將油井的工作狀態(tài)變換成對(duì)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(shí)監(jiān)測(cè)前端設(shè)備的運(yùn)行情況，也可對(duì)井場(chǎng)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(cè)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(gè)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(shí)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(qǐng)求時(shí)自動(dòng)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(yáng)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(jì)

本文根據(jù)采油井場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(chǎng)傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 Network structure of well-site sensor system

對(duì)于采油井場(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)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(jì)時(shí)，由于井場(chǎng)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(gè)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(duì)井場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每一個(gè)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(gè)簇首會(huì)把這些數(shù)據(jù)通過它前面的簇首，以逐級(jí)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(gè)簇的簇首和協(xié)調(diào)器組成［9］。

根據(jù)井場(chǎng)實(shí)際監(jiān)測(cè)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(chǎng)空間環(huán)境和需要監(jiān)測(cè)的參數(shù)單元靈活地劃分確定，也可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行增減，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井場(chǎng)參數(shù)的無縫監(jiān)測(cè)。該網(wǎng)絡(luò)具有拓?fù)淇刂茩C(jī)制和路由機(jī)制簡(jiǎn)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(chǎng)儀表的功能模塊如圖4所示。

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

現(xiàn)場(chǎng)采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理和壓縮，以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的判斷和故障提示?，F(xiàn)場(chǎng)儀表包括壓力計(jì)、流量計(jì)、溫度計(jì)、液位計(jì)和檢測(cè)抽油機(jī)工作狀態(tài)的位置、角度檢測(cè)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(dòng)啟停和間開時(shí)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(hào)較弱時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)通信失敗的情況。在這種情況下，現(xiàn)場(chǎng)的歷史數(shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(tái)。它運(yùn)用組態(tài)技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，對(duì)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(tái)、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(kù)、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(chǎng)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(dòng)模式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾?、電子巡井、“精確制導(dǎo)”的主動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化，推動(dòng)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(dòng)采集、預(yù)警管理、遠(yuǎn)程控制等功能，實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)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(chǎng)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(cè)，減少了員工巡井頻次，降低了油田工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

此外，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)化控制和生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸;井場(chǎng)安裝有自動(dòng)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。

［1］馬祖長(zhǎng)，孫怡寧，梅淘.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.通信學(xué)報(bào)，2004，25(4):114 －124.

［2］ZigBee Aliance.ZigBee specification 2007［S］.2008.

［3］袁洪芳，齊鶴，柯細(xì)勇，等.ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)在機(jī)泵智能監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011，32(2):535 －538.

［4］顧霞萍，趙偉，王宜懷，等.無線傳感網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)無縫結(jié)合的應(yīng)用研究［J］.微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2011(6):79－83.

［5］王久鵬，尚春陽(yáng).ZigBee和GPRS技術(shù)在無線監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電訊技術(shù)，2008，48(4):331 －332.

［6］戴曉華，王智，蔣鵬，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能信息處理研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19(1):1 －7.

［7］盧瑛，吳國(guó)忠.智能型高壓電氣設(shè)備溫度監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)［J］.中國(guó)電力，2010，43(3):55 －58.

［8］李蒙，武新.基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)瓦斯傳感器調(diào)校技術(shù)研究［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011(1):240－242.

［9］Pei Zhongmin，Deng Zhidong.Application-oriented wireless sensor network communication protocols and hardware platforms:a survey［C］//IEEE International Conference on Industrial Technology，Chengdu，2008:1 －6.

［10］杜孟超，谷立臣.基于ZigBee技術(shù)的塔機(jī)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀表，2011，31(7):34 －37.

［11］李皓明，周悅.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在塔式起重機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2012(7):69－71.

［12］鄭夕健，宋爭(zhēng)艷，謝正義，等.基于ZigBee的塔機(jī)群控?zé)o線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010(5):1－3.