孫耀杰+馬曉崢+左兆輝

摘 要： 闡明了在油井作業(yè)過程中油桿載荷測量的必要性，并針對一般油田地區(qū)環(huán)境的特殊性，提出了采用基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)控系統(tǒng)，既解決了復(fù)雜的現(xiàn)場布線、地理環(huán)境干擾、組網(wǎng)困難、擴展性差等問題，又實現(xiàn)了低功耗、低成本的遠程無線監(jiān)控，這對油井抽油桿的故障判斷和油田的高效生產(chǎn)管理有著重要意義。

關(guān)鍵詞： 油井； 載荷監(jiān)測； ZigBee； 無線監(jiān)控

中圖分類號： TN911?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0094?03

Design of the ZigBee?based load monitoring system for oil well

SUN Yao?jie， MA Xiao?zheng， ZUO Zhao?hui

（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： The necessity of load measurements of the sucker rod in the operating process of oil wells is expounded. A wireless monitoring system based on ZigBee technology is designed for the particular environment of the general oilfield region. The system solved many problems， such as complex field wiring， geographical environment interference， difficult networking and poor scalability. It also can realize the remote wireless monitoring with low power consumption and low cost， which has important significance to the judgment of the sucker rod failure and efficient production management of oilfield.

Keywords： oil well； load measurement； ZigBee； wireless monitoring system

0 引 言

在抽油機采油過程中，抽油桿要承受液柱的重力、慣性載荷、摩擦力等沿軸向的拉伸或拉壓交變載荷[1]，如果這些載荷超出抽油桿的承受范圍，油桿很容易脫斷失效，這將大大增加油井的生產(chǎn)難度，進而影響生產(chǎn)進度。因此對油井抽油桿載荷數(shù)據(jù)進行采集并分析，能夠做到有備無患。并且到油田開發(fā)中后期，油井產(chǎn)能降低，產(chǎn)出液含水量或雜質(zhì)量較高，這時根據(jù)采集的載荷數(shù)據(jù)繪成的示功圖將能夠直觀反映出這些問題。這對油井的安全、高效生產(chǎn)有重要意義。

ZigBee技術(shù)[2]目標是讓低成本終端能夠通過免費頻段進行低數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)通信和無線網(wǎng)絡(luò)組建。其性能優(yōu)勢主要有：采用AES?128加密算法，三級安全模式保障數(shù)據(jù)通信安全；采用碰撞避免機制，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)時的競爭和沖突，通信穩(wěn)定性高；網(wǎng)絡(luò)容量大，一個 ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)靈活，擴展性好。

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)采用CC2530F256作為核心處理器來實現(xiàn)大范圍油井載荷數(shù)據(jù)的采集和傳輸。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中，從安裝有ZigBee終端節(jié)點的油井處采集載荷數(shù)據(jù)，通過ZigBee路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點中轉(zhuǎn)傳輸數(shù)據(jù)，最終將數(shù)據(jù)匯報到監(jiān)控中心。然后PC對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，以直觀簡潔的方式讓工作人員來判斷油井的工作狀況。同樣的，監(jiān)控中心可以發(fā)送控制指令，通過協(xié)調(diào)器路由節(jié)點判斷終端路徑，最終控制對應(yīng)終端抽油機的啟停。這樣既能提高油田的生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，又能保證現(xiàn)場的生產(chǎn)安全，有效減少事故的發(fā)生。

在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)節(jié)點所具有的網(wǎng)絡(luò)功能，ZigBee節(jié)點可分為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點三種。協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，在整個網(wǎng)絡(luò)中必須惟一，負責(zé)新建網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)設(shè)定、存儲節(jié)點信息、管理其他節(jié)點等工作；路由器節(jié)點需要一直處于活動狀態(tài)，受協(xié)調(diào)器節(jié)點控制，在自己區(qū)域范圍內(nèi)它可充當(dāng)協(xié)調(diào)器，主要完成路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、通過其他節(jié)點擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等功能；終端節(jié)點沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，可以通過路由器或協(xié)調(diào)器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，負責(zé)收集終端采集的數(shù)據(jù)，可以處于睡眠或者喚醒狀態(tài)。

圖1 油井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的終端設(shè)備由傳感器模塊、處理器模塊、無線傳輸模塊、電源模塊等組成，如圖2所示。

圖2 終端模塊框圖

當(dāng)油井的抽油機工作時，負荷傳感器供電工作，輸出0～12 mV的差分電壓，將其接入A/D轉(zhuǎn)換器，增益128倍后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再與處理器的通用I/O口相連接，信息經(jīng)過處理后，最終通過無線射頻傳送到路由或協(xié)調(diào)器。

負荷傳感器采用的是宇航的YHYT?DZ型油田負荷傳感器，只需將其安裝在抽油機的平衡鐵上，方便簡單，不存在安全問題。傳感器的原理為橋式電路，故輸出為差分電壓。A/D轉(zhuǎn)換電路芯片采用的HX711。HX711[3] 是一款專為高精度負載傳感器而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片。它集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強等優(yōu)點，并且它與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器進行編程。

目前，無線傳感器節(jié)點處理器模塊中一般采用TI公司的CC2430/CC2530系列芯片。由于第1代CC2430存在通信距離短、可靠性不強等缺點，所以采用第2代片上系統(tǒng)CC2530，它比第l代CC2430改進了射頻RF收發(fā)器的性能，集成了一個8051微處理器，能夠很好地匹配RF前端。CC2530F256結(jié)合了德州儀器的業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧（Z?Stack（TM）），具有256 KB的閃存，提供了一個強大完整的ZigBee解決方案。相比之前的協(xié)議棧，它具有更好的互操作性、節(jié)點密度管理和數(shù)據(jù)負荷管理等優(yōu)點，并且支持網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，具有低功耗的特點，這使得CC2530芯片設(shè)計的傳感節(jié)點通信距離更遠，網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定可靠。

無線傳感節(jié)點配置了電池插槽，可由2節(jié)1.5 V干電池供電，也可由外部供電，通過電壓轉(zhuǎn)換電路將外部輸入5 V電壓轉(zhuǎn)換為MCU工作電壓3.3 V。面板上安裝有LED指示燈，在上面設(shè)置開關(guān)，只在調(diào)試過程中使用，在應(yīng)用中即斷開開關(guān)，以節(jié)省能耗。系統(tǒng)還通過一系列繼電器作為抽油機開關(guān)，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到監(jiān)控中心發(fā)送的控制命令時，會根據(jù)命令內(nèi)容將控制信號發(fā)送到相應(yīng)的終端，用以控制油井抽油機的啟停。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要支持三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[4?5]，星型、樹型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。對于油田應(yīng)用而言，大多傳感器節(jié)點只是簡單地跟協(xié)調(diào)器和路由器進行通信，發(fā)送或接收命令并執(zhí)行相應(yīng)的操作，一般不需要移動。因此，在進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)不需要太復(fù)雜，這里采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)。樹狀網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。ZigBee執(zhí)行用于AODV 專用網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，使網(wǎng)絡(luò)有能力解決移動節(jié)點連接失敗和數(shù)據(jù)包丟失等問題。

3.2 ZigBee 終端節(jié)點

本系統(tǒng)終端節(jié)點采用TI公司的Z?STACK協(xié)議棧，使用專業(yè)嵌入式開發(fā)工具IAR Embedded Workbench進行軟件程序開發(fā)，使用C語言進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、網(wǎng)絡(luò)加入、系統(tǒng)休眠等功能的開發(fā)。在調(diào)試過程中，當(dāng)終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)置LED燈會快速閃爍；數(shù)據(jù)發(fā)送成功或者終端接收到數(shù)據(jù)時，LED燈亦會閃爍。

ZigBee終端節(jié)點不執(zhí)行任何路由功能。終端節(jié)點要向任何一個設(shè)備傳送數(shù)據(jù)包，它只需簡單的將數(shù)據(jù)向上發(fā)送給它的父節(jié)點，由它的父節(jié)點以它自己的名義執(zhí)行路由；同樣的，任何一個設(shè)備要給終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)起路由尋找，終端節(jié)點的父節(jié)點都以它的名義來回應(yīng)。本系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到監(jiān)控中心發(fā)送的查詢或控制命令時，會根據(jù)命令內(nèi)容將消息發(fā)送到相應(yīng)的終端，終端最后做出回應(yīng)，以實現(xiàn)監(jiān)控中心實時獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)或者控制油井抽油機啟停的功能。在沒有收到指令的情況下，終端設(shè)備每隔30 min向監(jiān)控中心發(fā)送一組油桿運動一周期的載荷數(shù)據(jù)，在監(jiān)控中心存儲，以備數(shù)據(jù)查詢和發(fā)現(xiàn)、解決問題，其余時間終端處于休眠狀態(tài)，減少能量的消耗。終端節(jié)點工作流程如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點流程圖

對于距離比較遠的油井，可以與CC2591配合，因協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點中間沒有其他網(wǎng)絡(luò)，不需路由節(jié)點進行路由選擇，因此采用大功率中繼完成數(shù)據(jù)包的透傳，提高輸出功率，增加接收器靈敏度。加大中繼發(fā)射功率后，傳輸距離可達 2 km，滿足油田的應(yīng)用要求。

3.3 遠程監(jiān)控中心

監(jiān)控中心PC機通過串口與協(xié)調(diào)器進行通信，通過輪詢各 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點獲取各油井的數(shù)據(jù)，并通過向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令實現(xiàn)對各油井電機的控制。當(dāng)監(jiān)控中心想要調(diào)取實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，可以給協(xié)調(diào)器發(fā)送指令，喚醒對應(yīng)的處于睡眠狀態(tài)的終端節(jié)點，然后將采集數(shù)據(jù)回傳到監(jiān)控中心。

現(xiàn)場監(jiān)控平臺采用微軟Visual Studio 2005集成開發(fā)環(huán)境和 SQL 數(shù)據(jù)庫管理軟件[6]編寫，當(dāng)ZigBee 局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器，通過串口連接到PC上后，PC通過服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析處理并存儲，以示功圖[7?8]的形式展示給管理人員，使他們可以隨時了解各油井的工作狀況。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)設(shè)計可行性較高，實現(xiàn)了信號可控增益調(diào)整的功能，提高了載荷測量精度，達到了油井示功圖的要求，具有很高的可靠性。同時有效解決了有線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)存在的連線繁瑣、故障高、可擴展性差等問題，具有通信靈活、組網(wǎng)快、功耗低、投資成本少等優(yōu)點。系統(tǒng)設(shè)計了遠程控制抽油機啟停的功能，井口油壓實現(xiàn)了在線監(jiān)測，由傳統(tǒng)的靠經(jīng)驗和人工查巡的被動模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄芾怼㈦娮友簿?、自動控制的主動方式，實現(xiàn)了生產(chǎn)管理的數(shù)字化、智能化，推動了油田向現(xiàn)代化管理轉(zhuǎn)型。

在本設(shè)計的基礎(chǔ)上還可以進一步建立抽油系統(tǒng)井下工況診斷的物元模型[9]，對示功圖圖形所反映的井下的不同故障工況進行定量的解釋與定性的分析，如出現(xiàn)異常則可自行報警，深化油田監(jiān)控的智能化管理。

參考文獻

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