任燕，劉嬌月

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473009）

油田井場(chǎng)工況監(jiān)測(cè)中的ZigBee數(shù)據(jù)通信技術(shù)應(yīng)用＊

任燕，劉嬌月

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473009）

摘要：設(shè)計(jì)了基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與通信系統(tǒng)，進(jìn)行了傳感器接口、電源電路及無(wú)線通信等模塊的硬件設(shè)計(jì)與選型，開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)軟件。構(gòu)建了現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)及廣域網(wǎng)兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用證明井場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸簡(jiǎn)便、可靠、高效，設(shè)備功耗降低，實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)低成本運(yùn)行。關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；井場(chǎng)工況檢測(cè)；數(shù)據(jù)通信

1　引言

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)油田井場(chǎng)工況主要監(jiān)測(cè)手段仍然是人工定期巡檢的方法，在生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中人為因素使得測(cè)量數(shù)據(jù)誤差明顯、操作流程繁瑣。在已經(jīng)采取數(shù)字化井場(chǎng)管理的油田中，主要采用GPRS技術(shù)用于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，由于GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)充性、可移植性等方面具有較大局限，設(shè)備投入和使用費(fèi)用較高，不利于油田井場(chǎng)管理的數(shù)字化升級(jí)和推廣應(yīng)用。個(gè)別井場(chǎng)使用微波與數(shù)傳電臺(tái)的方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接口技術(shù)復(fù)雜，可靠性不高，整體使用效果不理想，使得現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集與通信手段在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都不符合未來(lái)智慧油田的發(fā)展大趨勢(shì)。

ZigBee是一種低速率、近距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能耗低、通信效率高。符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)。在環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的區(qū)域參數(shù)采集方面，應(yīng)用日益廣泛。針對(duì)油田井場(chǎng)自動(dòng)化平臺(tái)，本文采用ZigBee技術(shù)方案，設(shè)計(jì)了油田井場(chǎng)工況監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井場(chǎng)內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，促進(jìn)了油田信息化、數(shù)字化監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展［1］。

2　監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由三部分組成：現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)中心節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)。其中現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)是采集井場(chǎng)工況參數(shù)數(shù)據(jù)的核心設(shè)備，采用ZigBee技術(shù)，由ZigBee組成網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。終端設(shè)備可以通過(guò)軟件協(xié)調(diào)分時(shí)連接至多個(gè)路由設(shè)備從而與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，傳感器節(jié)點(diǎn)具有本地?cái)?shù)據(jù)采集傳輸和路由功能，其目的是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和接收到的其他傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合，再轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的中心是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，它具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、網(wǎng)關(guān)功能，主要負(fù)責(zé)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)并允許傳感器節(jié)點(diǎn)的加入，連接外部的通信設(shè)備，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通常連接到PC機(jī)或者使用其他方式（如Internet、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星等）與外界通信。

系統(tǒng)可應(yīng)用于井場(chǎng)內(nèi)距離在ZigBee傳輸范圍內(nèi)的多個(gè)機(jī)井，通過(guò)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，增加網(wǎng)絡(luò)中路由節(jié)點(diǎn)，使單井?dāng)?shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)發(fā)即可。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建模式層面清晰，易于維護(hù)管理，減少了線路布設(shè)，降低了線纜鋪設(shè)費(fèi)用，也降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝工序的復(fù)雜程度，避免了工作狀態(tài)下線纜損壞而帶來(lái)的設(shè)備故障。GPRS通信終端數(shù)目的減少有效降低了設(shè)備運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的通信費(fèi)用。自組織性能大大提高了數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)可移植性及可擴(kuò)充性增強(qiáng)［2］。

圖2　數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖1　油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)終端采集節(jié)點(diǎn)功能簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，采用蓄電池供電，應(yīng)用CC2430內(nèi)部定時(shí)時(shí)鐘產(chǎn)生中斷對(duì)其予以喚醒，多數(shù)時(shí)間終端節(jié)點(diǎn)處于睡眠模式，這種工作模式能夠最大程度節(jié)約電能。終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖3所示。

圖3　終端節(jié)點(diǎn)硬件框圖

該器件對(duì)電源敏感性要求相對(duì)不高，故電源模塊選用蓄電池為節(jié)點(diǎn)供電，以達(dá)到方便、便攜的目的。系統(tǒng)主要有兩個(gè)電源電路，一路5V電源為傳感器供電，一路3．3V電源為無(wú)線模塊供電。5V電源模塊選用一款1．25A的大電流、高精度、低壓差的LM2940芯片，工作時(shí)靜態(tài)電流低至240μA。

3．2節(jié)點(diǎn)傳感器模塊

現(xiàn)場(chǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)被安裝在被監(jiān)控對(duì)象上，采集抽油機(jī)井的載荷、位移等參量，為實(shí)現(xiàn)載荷、位移及電參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并與控制器及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊和實(shí)時(shí)傳輸。節(jié)點(diǎn)傳感器模塊主要包括：主電機(jī)參數(shù)檢測(cè)；減速器參數(shù)檢測(cè)與故障判斷；游梁位移傳感器檢測(cè)；曲柄角速度檢測(cè)；抽油機(jī)載荷檢測(cè)。

3．3網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能包括建立網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)匯總網(wǎng)關(guān)包含ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，即網(wǎng)絡(luò)的建立者，主要負(fù)責(zé)ZigBee和GPRS的雙向數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換協(xié)議，其原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)原理結(jié)構(gòu)圖

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）一直保持工作狀態(tài)，偵聽(tīng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行各協(xié)議層的任務(wù)，隨時(shí)處理采集終端節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、解關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送、接收請(qǐng)求等。各終端采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器與GPRS網(wǎng)絡(luò)校對(duì)時(shí)，使得網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步。通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機(jī)監(jiān)控室。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器與GPRS模塊之間通過(guò)串口連接，協(xié)調(diào)器將從終端子節(jié)點(diǎn)傳感器采集的數(shù)據(jù)匯聚后再傳至GPRS模塊內(nèi)，通過(guò)內(nèi)部的TCP／IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包封裝后發(fā)送至SGSN進(jìn)而與GGSN溝通后，井場(chǎng)SGSN將數(shù)據(jù)包傳送到上位機(jī)監(jiān)控中心。網(wǎng)關(guān)經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)周期性采集抽油機(jī)井工況數(shù)據(jù)，再通過(guò)GPRS模塊實(shí)時(shí)地傳送至監(jiān)測(cè)室中，監(jiān)測(cè)中心接收到現(xiàn)場(chǎng)上傳來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)Intranet與管理終端實(shí)現(xiàn)共享。

3．4遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心是一個(gè)服務(wù)器，服務(wù)器上運(yùn)行著上位機(jī)軟件，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心接受到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)后，該軟件可圖形化顯示遠(yuǎn)程油田上的數(shù)據(jù)。

4　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是在IAR、Packet Sniffer、SmartRF04、Flash Programmer等軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的聯(lián)合使用過(guò)程中進(jìn)行的，主要是完成節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)、各工礦數(shù)據(jù)的采集處理、采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ?。傳感器通過(guò)ZigBee把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。每一個(gè)單獨(dú)節(jié)點(diǎn)上裝載有載荷傳感器和角位移傳感器，傳感器節(jié)點(diǎn)采用命令工作的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集［3］。

4．1數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

采集時(shí)刻到來(lái)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)首先要打開(kāi)傳感器開(kāi)關(guān)，待傳感器工作穩(wěn)定以后，系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)采集流程圖采集得到的模擬電壓值將會(huì)被送入到AD口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本系統(tǒng)使用的是CC2530內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器，此AD轉(zhuǎn)換器支持14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有多達(dá)12位的ENOB，包括一個(gè)模擬多路轉(zhuǎn)換器，8個(gè)各自可配置的通道，可接受單端或者差分信號(hào)，以及擁有一個(gè)參考電壓發(fā)生器。

ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD轉(zhuǎn)換控制寄存器2）、ADCCON3（單通道AD轉(zhuǎn)換控制器2）、ADCL（ADC數(shù)據(jù)低位）、ADCH（ADC數(shù)據(jù)高位）。

4．2數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，該過(guò)程中傳感器節(jié)點(diǎn)一直處于休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)完成后，開(kāi)始發(fā)送廣播幀通知覆蓋所有傳感器節(jié)點(diǎn)，組建網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器接收到傳感器的入網(wǎng)命令后，要將此傳感器節(jié)點(diǎn)的IEEE地址保存下來(lái)，并立即向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)幀，允許此傳感器節(jié)點(diǎn)

圖5　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖

加入該網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將一直進(jìn)行組網(wǎng)操作，直至整個(gè)超幀完結(jié)［1，3］。

4．3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主控器將采集的工況數(shù)據(jù)通過(guò)RS－232串口傳送GPRS模塊，GPRS模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議會(huì)將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至SGSN，進(jìn)而與GGSN通信溝通后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，經(jīng)SGSN發(fā)送至監(jiān)測(cè)中心。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖5所示。

5　結(jié)論

在單井區(qū)范圍局域內(nèi)內(nèi)引入ZigBee技術(shù)，由終端節(jié)點(diǎn)傳感器采集監(jiān)測(cè)抽油機(jī)工作情況的各個(gè)參量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸，廣域上采用GPRS的兩層傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，數(shù)據(jù)包經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一遠(yuǎn)程傳輸至Internet，很大程度上能提高數(shù)據(jù)的集中化管理和互通。該設(shè)計(jì)融合了兩種無(wú)線傳輸手段的優(yōu)勢(shì)，搭建的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有傳輸可靠性高、抗干擾性能強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了等優(yōu)點(diǎn)，可以自動(dòng)管理、組網(wǎng)靈活、具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，經(jīng)濟(jì)性能高，在油田井場(chǎng)抽油機(jī)工況實(shí)時(shí)監(jiān)控方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

［1］曲鵬．基于ZigBee游梁式抽油機(jī)工況監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究［D］．大慶：東北石油大學(xué)，2013．

［2］何建中．抽油機(jī)在線監(jiān)測(cè)及自動(dòng)控制技術(shù)研究與應(yīng)用［J］．石油機(jī)械，2012，40（2）：51－53．

［3］陳兆安，任曉峰，譚濱等．油田井場(chǎng)數(shù)字化集成監(jiān)控裝置的研制［J］．油氣田地面工程，2013，（11）．

中圖分類(lèi)號(hào)：TE933

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：＊河南省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（142142214251）

文章編號(hào)：1005—7277（2015）03—0042—03

收稿日期：2014－11－20

Application of ZigBee data communication technology in the working condition monitoring of oilfield well site

REN Yan，LIU Jiao－yue
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473009，China）

Abstract：The data acquisition and communication system of oilfield well site based on ZigBee wireless sensor network technology is designed．The module hardware design and type selection of sensor interface，power supply circuit and wireless communication are carried out，and the system software is also developed．The two－level network communication structure of LAN and WAN is built．The actual application proves that the data acquisition and transmission on well site is simple，reliable and efficient，as well as the power consumption of equipment is greatly reduced．The low cost operation of condition monitoring system in well site can be realized．

Key words：wireless sensor network；well site working condition testing；data communication