許 萬，徐 誠，周 晶

（1湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北省機(jī)電研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430070）

在油氣田的開采過程中，鉆井作業(yè)是最為危險(xiǎn)的工程環(huán)節(jié)之一.在鉆井的過程中可能遇到如井漏、溢流和卡鉆等很多意想不到的問題，如果處理不及時(shí)或處理不當(dāng)都會造成嚴(yán)重的后果和不必要的損失［1－2］.因此，開展鉆井井場實(shí)時(shí)監(jiān)測，對保障石油天然氣開采的安全作業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.目前鉆井現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測一般采用各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過有線電纜將各傳感器采集的信號傳輸?shù)娇刂浦行奶幚?

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）以其自組織性好、靈活性強(qiáng)、體積小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在軍事、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療健康、空間探索、工農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等許多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景［3－7］.本文采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于Labview的虛擬儀器，為油氣田鉆井作業(yè)提供了一種新的信息獲取方法及統(tǒng)一的信息平臺.運(yùn)用這些信息，不但可對鉆井作業(yè)工況及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且通過后期信息處理還可及時(shí)預(yù)報(bào)可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況和鉆井事故，為工程技術(shù)人員的現(xiàn)場決策提供可靠的實(shí)時(shí)資料，提高了鉆井作業(yè)的安全性.

1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用無線節(jié)點(diǎn)對鉆井現(xiàn)場進(jìn)行監(jiān)控.根據(jù)系統(tǒng)功能需要，系統(tǒng)中模擬量傳感器有超聲波液位傳感器、立管壓力傳感器、大鉤負(fù)荷傳感器、出口流量傳感器和硫化氫濃度傳感器；數(shù)字量傳感器有絞車傳感器和泵沖次傳感器，輸出控制對象有聲光報(bào)警燈和灌漿電機(jī).節(jié)點(diǎn)布置如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)布置圖

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)由NI WSN－3202模擬量輸入測量節(jié)點(diǎn)、NI WSN－3212熱電偶測量節(jié)點(diǎn)、及基于IEEE 802.15.4協(xié)議的以太網(wǎng)關(guān)NI WSN－9791組成.

在軟件設(shè)計(jì)上，采用LabVIEW2010設(shè)計(jì)現(xiàn)場客戶端.利用MAX設(shè)置網(wǎng)關(guān)及節(jié)點(diǎn)，采集的數(shù)據(jù)由以太網(wǎng)傳到計(jì)算機(jī)，通過LabVIEW美觀的儀器界面和多樣的數(shù)據(jù)顯示方式把采集到的數(shù)據(jù)顯示到虛擬儀表和實(shí)時(shí)曲線，并運(yùn)用Labsql將采集數(shù)據(jù)保存到Access數(shù)據(jù)庫.軟件采用注冊用戶事件結(jié)構(gòu)對超限數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警.系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 以太網(wǎng)關(guān)及節(jié)點(diǎn)

硬件系統(tǒng)特點(diǎn)是運(yùn)用NI WSN系統(tǒng)，使得布線簡單，方便靈活，可靠性高，極其適合油田工程使用.NI WSN系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)就相當(dāng)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員，負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)認(rèn)證、消息緩沖，以及在IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)和有線以太網(wǎng)絡(luò)之間建立橋梁，在以太網(wǎng)絡(luò)中，可以使用各種NI軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、加工、分析和顯示.NI WSN－9791以太網(wǎng)關(guān)是一個(gè)傳遞設(shè)備，不提供板載存儲功能和編程功能，主要用以協(xié)調(diào)分布式測量節(jié)點(diǎn) WSN－32xx與主控制器之間的通信.該網(wǎng)關(guān)采用2.4GHz、IEEE 802.15.4協(xié)議從10／100Mb·s－1以太網(wǎng)端口獲取測量數(shù)據(jù)，可靈活連接Windows或LabVIEW實(shí)時(shí)主控制器（圖3）.

NI WSN測量節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是傳感器直連，通信可靠，工業(yè)評級標(biāo)準(zhǔn).測量節(jié)點(diǎn)可由5號電池供電，可以持續(xù)工作3a.通過使用 WSN設(shè)備的Lab－VIEW驅(qū)動(dòng)來添加網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)到測量系統(tǒng)，通過Lab－VIEW WSN模塊的圖形化編程環(huán)境定制節(jié)點(diǎn)的行為.NI WSN－3202模擬量輸入測量節(jié)點(diǎn)提供4路±10V模擬量輸入通道和4路雙向數(shù)字通道，設(shè)備提供的12V、20mA的電源輸出可以直接驅(qū)動(dòng)需要外部電源供電的傳感器.NI WSN－3212熱電偶測量節(jié)點(diǎn)提供4路24位熱電偶輸入通道和4路雙向數(shù)字通道，可以直接連接J、K、R、S等熱電偶.

圖3 NI WSN系統(tǒng)

2.2 WSN網(wǎng)絡(luò)配置

通過 Measurement ＆ Automation（MAX）進(jìn)行NI WSN系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置.配置過程如下：

運(yùn)行MAX，刷新遠(yuǎn)程系統(tǒng)，找到無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)NI－WSN9791－0148AA02系統(tǒng)設(shè)置，進(jìn)行系統(tǒng)常規(guī)設(shè)置，可以設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)名稱等，一般不作修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，配置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的IP，網(wǎng)關(guān)等，以便通過以太網(wǎng)與PC機(jī)通信WSN Nodes，用來添加和刪除無線子節(jié)點(diǎn)，需要輸入節(jié)點(diǎn)的類型和ID.也可以更新內(nèi)部固件來設(shè)置節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)或路由節(jié)點(diǎn)Gateway Firmware，用來更新無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)內(nèi)部固件配置完成在WSN Nodes點(diǎn)擊刷新就能看到配置好的無線節(jié)點(diǎn).

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件是基于LabVIEW2010設(shè)計(jì)的.系統(tǒng)充分利用的LabVIEW的靈活多樣的數(shù)據(jù)表達(dá)形式對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了直觀的顯示，同時(shí)也利用了Access數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲.軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 用戶管理

用戶管理模塊包括添加用戶、查看用戶、修改用戶和刪除用戶.它的主要優(yōu)點(diǎn)是有效保護(hù)私有數(shù)據(jù)和保護(hù)程序本身［8］.用戶管理模塊采用Access數(shù)據(jù)庫保存用戶權(quán)限，最后登錄時(shí)間，用戶名稱及用戶密碼（圖5）.該模塊的特點(diǎn)在于增加了用戶權(quán)限和最后登錄時(shí)間.只有管理員能添加用戶，并能查看所用用戶信息，普通用戶只能查看本用戶信息；管理員能修改用戶的權(quán)限，普通用戶只能修改本用戶的密碼；管理員能刪除其他用戶，普通用戶只能刪除本身.在未登錄時(shí)，選項(xiàng)卡標(biāo)簽隱藏，選項(xiàng)卡和其他按鈕都處于禁用狀態(tài).

圖5 用戶管理數(shù)據(jù)表

3.2 無線節(jié)點(diǎn)I／O數(shù)據(jù)獲取

無線節(jié)點(diǎn)配置完成之后，在工程里面可以看到配置好的節(jié)點(diǎn).本系統(tǒng)采用的NI WSN3202有15個(gè)IO，要想獲得其中任何一個(gè)IO的數(shù)據(jù)只需要將工程里節(jié)點(diǎn)下面的IO變量直接拖到VI里面，數(shù)據(jù)獲取框圖見圖6.

圖6 無線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)獲取

3.3 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示及保存

根據(jù)需要將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)繪制成波形圖，并且保存數(shù)據(jù)到Access數(shù)據(jù)庫.該模塊類似波形記錄儀，可以實(shí)時(shí)反映模擬量的變化趨勢，還具有數(shù)據(jù)存盤功能.在波形顯示中，要想做到實(shí)時(shí)流動(dòng)顯示模擬量波形，采用波形圖表控件，在波形圖表屬性里設(shè)置其刷新模式為示波器圖表.設(shè)置X軸的標(biāo)尺為系統(tǒng)格式的絕對時(shí)間［9］，并在波形圖表的屬性節(jié)點(diǎn)中設(shè)置X標(biāo)尺偏移量（XScale.offset）為當(dāng)前時(shí)間，這樣X軸便與當(dāng)前時(shí)間同步，波形圖表實(shí)時(shí)刷新顯示當(dāng)前采集數(shù)據(jù)的波形（圖7）.而當(dāng)系統(tǒng)停止并重新啟動(dòng)時(shí)，需要擦除上次運(yùn)行的數(shù)據(jù)波形，這樣就需要對波形圖表進(jìn)行初始化，即把波形圖表的屬性節(jié)點(diǎn)中的歷史數(shù)據(jù)用空數(shù)組初始化.

數(shù)據(jù)的保存運(yùn)用的是Labsql工具包對Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)插入和數(shù)據(jù)修改操作.保存的數(shù)據(jù)包括序號、時(shí)間、液位、硫化氫濃度等.用SQL語句INSERT將采集的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，在保存數(shù)據(jù)的同時(shí)考慮到有效利用PC機(jī)的存儲空間，本系統(tǒng)只保存最新48h的數(shù)據(jù).當(dāng)數(shù)據(jù)超過容量，用DELETE刪除第一條數(shù)據(jù)和UPDATE更新最后一條數(shù)據(jù).

圖7 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)波形

3.4 數(shù)據(jù)查詢

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)查詢采用時(shí)間查詢，查詢的數(shù)據(jù)顯示到表格并且繪制歷史數(shù)據(jù)曲線.點(diǎn)擊數(shù)據(jù)查詢按鈕彈出對話框，提示按一定格式輸入查詢時(shí)間（圖8）.由于數(shù)據(jù)庫中時(shí)間的存儲格式為 2011－04－22 00：49：00，為了方便用戶使用簡單的輸入時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，涉及時(shí)間格式的轉(zhuǎn)換.

圖8 時(shí)間格式轉(zhuǎn)換

3.5 數(shù)據(jù)報(bào)警

報(bào)警子系統(tǒng)是各種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測監(jiān)控、虛擬儀器系統(tǒng)的重要組成部分，功能完善的報(bào)警子系統(tǒng)有利于用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障、及時(shí)分析處理［10］.報(bào)警子系統(tǒng)運(yùn)用注冊事件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，一旦采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的上下限就產(chǎn)生用戶事件，然后數(shù)據(jù)報(bào)警燈開始閃爍.報(bào)警燈閃爍實(shí)際上是布爾顯示控件的閃爍前景與TURE顏色的切換，在工具—選項(xiàng)—環(huán)境中修改閃爍前景為紅色.在工具—選項(xiàng)—前面板中修改閃爍延遲為100ms， 這樣報(bào)警燈在出現(xiàn)超限數(shù)據(jù)時(shí)就以100ms的頻率閃爍.點(diǎn)擊閃爍的報(bào)警燈就能看到報(bào)警數(shù)據(jù)記錄表格，表格中記錄超限數(shù)據(jù)以及超限數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間.點(diǎn)擊清除報(bào)警數(shù)據(jù)，報(bào)警記錄表格清空.系統(tǒng)運(yùn)行界面由圖9所示.

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行界面

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)針對油田現(xiàn)場鉆井工程的特殊環(huán)境，采用基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于Labview的虛擬儀器，實(shí)現(xiàn)鉆井工程數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測.測試表明，系統(tǒng)以1次／s的速率保存數(shù)據(jù)，最多可以保存172 800條數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)查詢可以查詢最近48h內(nèi)任何時(shí)間段的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)報(bào)警能及時(shí)報(bào)警并記錄超限數(shù)據(jù).本系統(tǒng)可滿足鉆井隊(duì)在作業(yè)現(xiàn)場復(fù)雜、頻繁移動(dòng)的狀態(tài)下對鉆井工程參數(shù)的無線數(shù)據(jù)采集及傳輸?shù)囊?，保障鉆井作業(yè)安全.

［1］張耀明，程德祥.塔里木油田歷年井噴事故匯編［Z］.塔里木油田公司，2007.

［2］蔣希文.鉆井事故與復(fù)雜問題（第二版）［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2006.

［3］于海斌，曾 鵬.智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［4］任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò).［J］.軟件學(xué)報(bào)，2003，14（7）：1 282－1 291.

［5］XUE G，HASSANEIN H.On current areas of interest in wireless sensor networks designs［J］.Computer Communication，2006，29（4）：409－412.

［6］Akyildiz F，Su W Y.Sankarasubramaniam，and E.Cayirci.Wireless sensor networks：A survey［J］.Computer Networks Journal，2002，38（4）：393－422.

［7］Gehrke J，Liu L.Sensor－network applications［J］.IEEE Internet Computing，2006，10（2）：－.

［8］王魯濤，羅馬吉.LabVIEW 用戶登錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.軟件導(dǎo)刊，2009（6）：86－87.

［9］魏 利.實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)繪圖及多種數(shù)據(jù)保存方式程序設(shè)計(jì)［J］.電子測試，2008（5）：46－48.

［10］秦永平，孫 慶，李 哲.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集報(bào)警子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，2009（9）：7 674－7 675.