任偉建，程仁杰，康朝海

(東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

國內(nèi)傳統(tǒng)的石油管線、設(shè)備巡檢、落實(shí)現(xiàn)場生產(chǎn)情況、采集生產(chǎn)現(xiàn)場相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)，采用的是人工巡視、手工紙質(zhì)記錄的工作方式， 存在設(shè)備臺(tái)數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，紙質(zhì)巡檢信息必須錄入電腦，其過程不僅耗時(shí)耗力，而且還可能存在數(shù)據(jù)丟失等問題，制約了決策工作的開展[1]。另一方面，盡管采取翻牌、簽到等輔助措施，制訂巡檢管理辦法，但巡檢人員是否定時(shí)定點(diǎn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視仍然無法有效掌控[2]。隨著油水井建設(shè)與日俱增，其維護(hù)任務(wù)也越來越繁重，人工巡線方式急需改進(jìn)，迫切需要引入一種智能的基于射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)的油水井?dāng)?shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)[3]。近幾年來，隨著RFID技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用范圍遍及制造、物流、醫(yī)療、運(yùn)輸、零售、國防等領(lǐng)域[4]。高德納咨詢公司(Gartner Group)認(rèn)為，RFID是建議企業(yè)可考慮引入的十大策略技術(shù)之一[5]。然而到目前為止，并沒有一種比較先進(jìn)的巡檢系統(tǒng)應(yīng)用到油田油水井的巡檢工作上，因而筆者設(shè)計(jì)了一種基于當(dāng)前先進(jìn)的RFID技術(shù)，結(jié)合分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)，GIS及基于TCP/IP的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)的油水井?dāng)?shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)記錄了人員到位信息并對(duì)油水井?dāng)?shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，可以將巡檢數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至中心服務(wù)器， 也可以把數(shù)據(jù)暫存到個(gè)人數(shù)字處理(PDA)中，使用數(shù)據(jù)線連接PDA與上位機(jī)，通過數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件將采集到的油水井?dāng)?shù)據(jù)保存到上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中。操作人員在PC終端，通過不同的訪問權(quán)限，可以查詢巡檢的各種結(jié)果。該系統(tǒng)有效地解決了人員到位困難和巡檢數(shù)據(jù)不及時(shí)等問題，并能對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理，使調(diào)度人員對(duì)油水井設(shè)備的運(yùn)行情況一目了然，實(shí)現(xiàn)了巡檢管理的信息化和規(guī)范化。

1 射頻識(shí)別技術(shù)

RFID是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[6-10]。通過射頻信號(hào)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，作為條形碼的無線版本，RFID技術(shù)具有條形碼所不具備的防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量大、存儲(chǔ)信息更改自如等優(yōu)點(diǎn)[11-15]。基本的RFID系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 RFID技術(shù)的硬件系統(tǒng)組成示意

RFID工作原理： 應(yīng)用一定的識(shí)別裝置，通過被識(shí)別對(duì)象與識(shí)別裝置之間的互動(dòng)，自動(dòng)獲得被識(shí)別對(duì)象的相關(guān)信息[16-17]。具體過程： 閱讀器發(fā)射特定頻率的無線電波給應(yīng)答器(電子標(biāo)簽)，應(yīng)答器電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送給閱讀器，閱讀器接收解讀后將數(shù)據(jù)送給應(yīng)用程序進(jìn)行相關(guān)的處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油水井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)包括三部分： 1) 生產(chǎn)參數(shù)采集模塊，對(duì)油水井生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；2) GPRS通信管理模塊，該模塊包括發(fā)送和接收兩部分，當(dāng)上位機(jī)軟件發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，還要負(fù)責(zé)握手和建立通信鏈路；3) 智能監(jiān)測(cè)模塊。監(jiān)測(cè)中心主站系統(tǒng)為用戶提供可視化的監(jiān)測(cè)界面，讓用戶直觀、方便、快捷地了解油水井的運(yùn)行狀態(tài)和巡檢的動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)，用戶通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)出系統(tǒng)參數(shù)的歷史運(yùn)行狀態(tài)曲線，為油田生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 生產(chǎn)參數(shù)采集模塊

在油水井?dāng)?shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)中，亟待解決的是如何把油水井的數(shù)據(jù)快捷方便地讀取出來。傳統(tǒng)的方法是小隊(duì)巡檢人員自帶檢測(cè)儀表，到達(dá)巡檢地點(diǎn)時(shí)，把檢測(cè)儀表安裝到油水井上，讀取油水井?dāng)?shù)據(jù)，然后手工記錄油水井?dāng)?shù)據(jù)，回到調(diào)度中心把數(shù)據(jù)手動(dòng)錄入Excel表格中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還有可能出現(xiàn)漏點(diǎn)或編造數(shù)據(jù)的可能性。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究，筆者研發(fā)了一種基于無線射頻傳感器的檢測(cè)儀表，該儀表主要包括2個(gè)模塊： 傳感器模塊(如壓力傳感器)；RFID數(shù)據(jù)寫入模塊和RFID射頻卡。傳感器采集油水井?dāng)?shù)據(jù)(模擬信號(hào))后經(jīng)過分壓電阻傳送給RFID讀寫模塊，其中模擬電壓的采集在0～3.3V，分辨率為10位；RFID寫入模塊右端輸入3.3V或5V的直流電壓作為電源，把RFID射頻卡固定在RFID寫入模塊的正下方，RFID寫入模塊上自帶單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器，把傳感器采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)給RFID寫入模塊通電后，RFID寫入模塊向RFID射頻卡中寫入傳感器采集到的油水井?dāng)?shù)據(jù)，指示燈長亮2s表示采集成功，從而把油水井?dāng)?shù)據(jù)直接存入到RFID射頻卡中，經(jīng)過封裝，從而形成了新型的檢測(cè)儀表。手持器終端系統(tǒng)裝有無線射頻讀取模塊，在巡檢的過程中能夠直接把檢測(cè)儀表的油水井?dāng)?shù)據(jù)通過無線射頻的方式采集出來，再通過GPRS通信管理模塊傳到智能檢測(cè)系統(tǒng)，從而解決了油水井?dāng)?shù)據(jù)快捷讀取，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的規(guī)范化操作。

2.2 GPRS通信管理模塊

2.2.1公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+動(dòng)態(tài)域名解析傳輸方式

在油水井?dāng)?shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)中，要求數(shù)據(jù)傳送及時(shí)，由于油水井網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)目眾多、分布范圍廣、距離遠(yuǎn)，若采用有線通信，則存在鋪設(shè)復(fù)雜、維護(hù)困難、成本較高等缺點(diǎn)[18-20]。所以該系統(tǒng)采用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。如圖2所示，該方案的后臺(tái)管理中心采用動(dòng)態(tài)IP+動(dòng)態(tài)域名解析的方式，嵌入式終端通過GSM基站接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，由GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN(Gateway GPRS Support Node)網(wǎng)關(guān)匯集后，經(jīng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的防火墻、路由器，連接后臺(tái)管理中心。后臺(tái)管理中心通過撥號(hào)或ADSL等接入Internet，由于接入所獲得的IP地址不是固定的，因而要經(jīng)過動(dòng)態(tài)域名解析的過程。首先采油廠通過DNS服務(wù)商開通域名，終端則采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到監(jiān)控中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，然后通過“花生殼”軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)域名綁定，建立鏈接。

2.2.2后臺(tái)管理中心的設(shè)置

后臺(tái)管理中心通過ADSL連接到Internet，并配置Web服務(wù)器，操作系統(tǒng)可以采用Windows 2003 Server，數(shù)據(jù)庫可以選用Oracle11g，在建立好Web服務(wù)器之后，采用“花生殼”動(dòng)態(tài)域名解析系統(tǒng)，首先申請(qǐng)賬號(hào)，并注冊(cè)域名，然后下載安裝配置“花生殼客戶端2008”。聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行客戶端，就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析，從而使PDA手持設(shè)備連接到后臺(tái)管理中心網(wǎng)站。

2.3 智能監(jiān)測(cè)模塊

油水井智能監(jiān)測(cè)模塊包括RFID巡檢、系統(tǒng)管理兩部分，如圖3所示。

圖3 智能監(jiān)測(cè)模塊流程示意

1) RFID巡檢包括巡檢井號(hào)對(duì)應(yīng)列表、數(shù)據(jù)可視化分析、GIS地圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面。

a) 巡檢井號(hào)對(duì)應(yīng)列表。每一個(gè)RFID標(biāo)簽號(hào)唯一對(duì)應(yīng)一個(gè)油水井的井號(hào)，所以需要一個(gè)界面對(duì)它進(jìn)行管理，當(dāng)RFID標(biāo)簽出現(xiàn)損壞進(jìn)行更換時(shí)，能夠及時(shí)地更新對(duì)應(yīng)信息，以便正確地讀取油水井的數(shù)據(jù)，防止出現(xiàn)誤讀、錯(cuò)讀現(xiàn)象。

b) 數(shù)據(jù)可視化分析。把通過PDA手持設(shè)備采集到的油水井?dāng)?shù)據(jù)可視化，以便分析油水井當(dāng)月的油壓、套壓、電流變化趨勢(shì)圖，使工作人員更加清晰地去了解當(dāng)月或當(dāng)年的油水井?dāng)?shù)據(jù)變化。

c) GIS地圖實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過無線通信技術(shù)與地理信息系統(tǒng)相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)巡檢人員當(dāng)前的位置，如果巡檢人員出現(xiàn)漏點(diǎn)等錯(cuò)誤，能夠及時(shí)地進(jìn)行通知改正。當(dāng)巡檢人員開始巡檢某油水井時(shí)，包括井號(hào)的油水井?dāng)?shù)據(jù)信息通過GPRS遠(yuǎn)傳回上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫中，GIS檢測(cè)到有井號(hào)傳進(jìn)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行定位并且在地圖上顯示標(biāo)識(shí)，并且在巡檢過的每口井之間進(jìn)行連線，表示巡檢人員走過的路線，當(dāng)巡檢人員完成巡檢任務(wù)時(shí)，監(jiān)測(cè)中心軟件分析形成GIS巡檢路線圖，并進(jìn)行保存，監(jiān)管人員可以查閱近期的GIS巡檢路線圖，實(shí)現(xiàn)了巡檢線路回放功能。同時(shí)單擊每口油水井時(shí)，會(huì)出現(xiàn)該油水井的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息。

d) 數(shù)據(jù)導(dǎo)入界面。由于一些客觀原因，數(shù)據(jù)無法及時(shí)地回傳給上位機(jī)，因而可把油水井的數(shù)據(jù)信息暫時(shí)存儲(chǔ)到PDA中，回到管理中心通過局域網(wǎng)Wifi或USB將數(shù)據(jù)成功地導(dǎo)入到上位機(jī)的Oracl數(shù)據(jù)庫中。

2) 系統(tǒng)管理包括部門信息管理和人員信息管理兩部分。部門信息管理是對(duì)油水井各個(gè)部門進(jìn)行管理；人員信息管理主要是對(duì)企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)、巡檢人員、管理人員進(jìn)行管理，不同的人員所看到的界面和權(quán)限是不一樣的，這樣方便人員進(jìn)行操作。

3 結(jié)束語

筆者研發(fā)的油水井?dāng)?shù)據(jù)采集巡檢系統(tǒng)，是在射頻傳感器、GPRS網(wǎng)絡(luò)、PDA上結(jié)合油田作業(yè)區(qū)需求開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)。通過分析油水井巡檢和數(shù)據(jù)采集流程等，在PDA中結(jié)合WINCE嵌入式開發(fā)技術(shù)、無線通信技術(shù)、無線射頻技術(shù)，在手持器上實(shí)現(xiàn)了油水井巡檢、油水井?dāng)?shù)據(jù)采集、語音提示、巡檢油水井?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能；上位機(jī)的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合GIS利用.NET服務(wù)器技術(shù)、AJAX異步通信技術(shù)、TCP/IP的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信技術(shù)等，讓用戶直觀、方便、快捷地了解油水井的運(yùn)行狀態(tài)和巡檢的動(dòng)態(tài)信息。同時(shí)，用戶通過查詢歷史數(shù)據(jù)庫，可以調(diào)出系統(tǒng)參數(shù)的歷史運(yùn)行狀態(tài)曲線，可以為油田生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。使用單位通過使用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象數(shù)字化、可視化、實(shí)時(shí)化管理，切實(shí)地提高了緊急故障處理的能力和協(xié)調(diào)水平，保障了油田作業(yè)區(qū)域設(shè)備的安全可靠運(yùn)行。

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