曹旭東，薛大歡，何得平

（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京　102249）

基于TD-LTE的智慧油田測控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

曹旭東，薛大歡，何得平

（中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

對基于TD-LTE的智能測控系統(tǒng)的設(shè)計進行了研究，進行了軟硬件系統(tǒng)架構(gòu)及組網(wǎng)性能的分析，提出了下一代IPV6協(xié)議的電子標簽式設(shè)備管理模式；該智能測控系統(tǒng)以AT91SAM9263EK為微處理器，以Linux為操作系統(tǒng)平臺，為傳感器連接、電量監(jiān)測、示功儀測量等擴展了各種接口，實時獲取各個從站數(shù)據(jù)存儲到modbus對應(yīng)4個區(qū)地址內(nèi)，并動態(tài)映射到sqlite3數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)了位移、載荷和電流數(shù)據(jù)的同步，通過4 G網(wǎng)絡(luò)以MODBUS/TCP協(xié)議發(fā)送到數(shù)字中心；管理軟件輪詢采集各油井的各項參數(shù)，存儲到本地Oracle數(shù)據(jù)庫，為大數(shù)據(jù)挖掘分析作標準數(shù)據(jù)儲備，對設(shè)備的運行狀態(tài)、意外突發(fā)遠程啟停井等做全生命周期管理，實現(xiàn)了全油區(qū)油水井管理物聯(lián)化、數(shù)字化、自動化的新型管理體系的目標。

TD-LTE組網(wǎng)；嵌入式ARM；Linux；標準MODBUS協(xié)議；sqlite3

0　引言

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”概念的提出，傳感技術(shù)、現(xiàn)代測量技術(shù)、云存儲等技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)改造升級中不斷發(fā)展和革新，智能油田的研究是必然趨勢，而智能油田通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、組網(wǎng)、以及智能終端是重點研究的對象。結(jié)合我國油田勘探開采的現(xiàn)況及需求分析，薄弱環(huán)節(jié)在于通信接入層部分的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不標準和數(shù)據(jù)存儲方式的不統(tǒng)一，很難形成規(guī)模龐

大的系統(tǒng)體系，進而對油田管理、開采、預(yù)判等形成不利條件。采用新一代無線通信技術(shù)TD-LTE（time division long term evolution），又稱OFDM技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化，實現(xiàn)了全新的突破，傳輸速率更快，網(wǎng)絡(luò)性能更優(yōu)，已經(jīng)在商業(yè)中大范圍的推廣使用，能適應(yīng)業(yè)務(wù)承載量大的油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，克服了各種工業(yè)現(xiàn)場強烈干擾和不利因素，通信質(zhì)量和效率得到大大的提高。另外，自助研發(fā)了一套遠程測控系統(tǒng)，硬件資源上具有網(wǎng)口、RS485串行接口、USB接口等資源，軟件上實現(xiàn)了局域網(wǎng)廣播組網(wǎng)、唯一IP地址、多線程、標準MODBUS地址存儲、即時數(shù)據(jù)和歷史存儲數(shù)據(jù)并存的功能，可以有效地管理區(qū)分，進行組網(wǎng)監(jiān)測，標準化存儲，并且可以根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)分析采油機運行情況，實現(xiàn)少人化、智能化、信息化的目的，切實提高油田自動化管理水平。

1　TD-LTE系統(tǒng)架構(gòu)

1.1TD-LTE關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

TD-LTE系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)采用扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用上行同步技術(shù)即要求分配在同一時隙的來自不同距離、不同用戶終端的上行信號能夠同步地到達基站。通過合并時域、頻域的動態(tài)信道分配技術(shù)，TD-LTE能夠自動將系統(tǒng)自身的干擾最小化，從而取得最佳的頻譜效率、業(yè)務(wù)質(zhì)量。

TD-LTE傳輸技術(shù)采用OFDM調(diào)制技術(shù)，將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個子信道上進行傳輸，并通過層二調(diào)度器對無線資源進行動態(tài)調(diào)度，特別適用于小數(shù)據(jù)包、高頻次、常在線業(yè)務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通信。另外，TD-LTE覆蓋目標業(yè)務(wù)為一定速率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，用戶占用的RB（resource block）數(shù)將影響覆蓋，多樣的調(diào)制編碼方式對覆蓋的影響更復(fù)雜，系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計支持更大更靈活的覆蓋。

1.2TD-LTE組網(wǎng)方案設(shè)計

在油田開采作業(yè)中，安全穩(wěn)定生產(chǎn)始終擺放在第一位。地質(zhì)勘探發(fā)現(xiàn)的油井，其分布往往沒有規(guī)律可循，對于自動化生產(chǎn)管理帶來了巨大挑戰(zhàn)。采用有線光纖互聯(lián)各個油井設(shè)備的方案既不科學(xué)又不經(jīng)濟，隨著無線通信技術(shù)的日益發(fā)展和成熟，在油田現(xiàn)場布署應(yīng)用顯得十分重要，基于4 GHz的TD-LTE機制的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)達到油田使用能力，搭建以TDLTE技術(shù)為核心的區(qū)域集群網(wǎng)絡(luò)，信號完全可以覆蓋到各個油水井，使得井場設(shè)備互聯(lián)互通，有效的解決油井分布不平衡的現(xiàn)狀。在油田現(xiàn)場，采用D頻段布署無線通信網(wǎng)絡(luò)，原則上采用20 MHZ同頻組網(wǎng)方式，預(yù)留一定的頻率隔離帶，以符合國家安全使用頻率要求，保證和其它頻段的系統(tǒng)共存。

考慮到油田油水井的數(shù)量很大，對于組網(wǎng)同時在線訪問連續(xù)調(diào)度能力提出了更高的要求。由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性，以及采用輪詢的方式采集各個油井的數(shù)據(jù)，因此不存在長時間通道阻塞的情況，在極端惡劣的情況下每10 ms可以調(diào)度54次，時間上完全滿足設(shè)備的反應(yīng)時間和輪詢時間。從控制信道和業(yè)務(wù)信道的承載能力使用來看，若5 ms上下行2：2配置下，20 M帶寬最多支持500個以上VoIP用戶。另外在油田生產(chǎn)現(xiàn)場，為每口油氣井配置的智能測控機柜內(nèi)安裝TD-LTE 4 G射頻模塊，每個井站點處于信號覆蓋區(qū)域，這樣數(shù)據(jù)中心PC客戶端、基站信號塔與前端智能采集控制系統(tǒng)可以組網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、局域網(wǎng)內(nèi)管理各油氣井的生產(chǎn)運行，保障油田高效的服務(wù)質(zhì)量。

2　測控系統(tǒng)總體設(shè)計方案

整個測控系統(tǒng)分為數(shù)字中心建設(shè)、通信網(wǎng)絡(luò)搭建、智能設(shè)備研制三部分［1］。數(shù)字中心建設(shè)包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、測控服務(wù)器和WEB服務(wù)器，由油田專用信息網(wǎng)互聯(lián)，測控服務(wù)器、WEB服務(wù)器都與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接，而數(shù)據(jù)的來源都是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過4 G通信網(wǎng)絡(luò)獲取井場智能測控設(shè)備采集的數(shù)據(jù)。

以4 G頻段的TD-LTE機制建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，在油田實現(xiàn)信號的全覆蓋，傳輸速率更快。智能設(shè)備集成網(wǎng)絡(luò)接口和串行總線，支持大容量標準化數(shù)據(jù)掉電不丟失存儲，可以掛載油井常用可編程傳感器設(shè)備、電量監(jiān)測設(shè)備、示功儀測量設(shè)備等模塊，系統(tǒng)統(tǒng)一分配設(shè)備的Modbus站號，其中各個井場的油氣井配置一套智能測控設(shè)備作為主站，將油氣井的若干傳感器、監(jiān)測設(shè)備連接作為從站，采取主站呼叫、從站應(yīng)答機制采集子站的數(shù)據(jù)，然后遠程測控設(shè)備分析處理后作為從站通過4 G模塊經(jīng)基站網(wǎng)絡(luò)上傳給數(shù)字中心，總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1　油氣井測控系統(tǒng)總體框圖

3　數(shù)據(jù)采集與傳輸硬件設(shè)計

油氣井智能測控系統(tǒng)設(shè)備采用AT91SAM9263EK［5］作為主控芯片，外擴網(wǎng)口和串口等接口，負責(zé)向下經(jīng)RS485總線與各個采集監(jiān)測設(shè)備連接通信，向上經(jīng)4 G無線射頻模塊同數(shù)字中心通信，相當于服務(wù)器中轉(zhuǎn)的作用。

為了實現(xiàn)與基站網(wǎng)絡(luò)通信，采用DM9161EB驅(qū)動芯片，與TD-LTE射頻模塊對接，實現(xiàn)以太網(wǎng)連接，與數(shù)字中心的服務(wù)器PC機通信；考慮到油井現(xiàn)場大多安裝無線傳感器，故添加ZigBee無線通信模塊，和有線可編程模塊相結(jié)合實現(xiàn)傳感器的采集傳輸任務(wù)，這樣可以簡單、方便地實現(xiàn)井場實時數(shù)據(jù)采集。

動力系統(tǒng)380 V電量監(jiān)測與示功儀收發(fā)模塊采用RS485總線與智能測控系統(tǒng)通信；系統(tǒng)機箱溫度由溫度傳感器TMP100獲得，并且采用繼電器控制溫度調(diào)節(jié)子系統(tǒng)來調(diào)節(jié)設(shè)備環(huán)境溫度，保持低溫極寒天氣下設(shè)備能夠正常運行；測控系統(tǒng)的初始配置信息采用腳本存儲到文件系統(tǒng)。另外，核心主板還包括電源隔離電路、RS485通信隔離電路、防雷擊電路、控制電路等幾個部分，其硬件電路資源如圖2所示。

圖2　遠程測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

4　系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

軟件架構(gòu)的設(shè)計好壞直接影響整個系統(tǒng)的運行狀況，根據(jù)掛載從設(shè)備個數(shù)任務(wù)的需求，創(chuàng)建了多個子線程，測控主系統(tǒng)對每個從設(shè)備并行的通信處理各自的任務(wù)，并將數(shù)據(jù)按照標準MODBUS格式處理存儲。系統(tǒng)對申請的內(nèi)存緩沖區(qū)利用完后及時的釋放掉，防止系統(tǒng)長期運行出現(xiàn)“內(nèi)存泄露”現(xiàn)象而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰性死亡。對于工業(yè)現(xiàn)場各種強電磁干擾因數(shù)的影響，尤其是光纖通信、串行通信因噪聲、干擾因素的存在，往往會使有效信號失調(diào)，影響數(shù)據(jù)的傳輸和命令的傳達，因此在系統(tǒng)設(shè)計中增加了各種干擾因素算法的預(yù)處理。對于標準MODBUS通信做了多種判斷，對于不完整的數(shù)據(jù)幀采取丟包的方式，排除因干擾而破壞數(shù)據(jù)的完整性和真實性。

4.1測控系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進行初始化操作，主要包括讀取RPC文件配置RPC通信參數(shù)、設(shè)置3路RS485串口參數(shù)、從站模塊環(huán)形內(nèi)存緩沖區(qū)申請、創(chuàng)建POSIX定時器、配置儀表參數(shù)等內(nèi)容。初始化成功后，系統(tǒng)創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)總線的Modbus/TCP［6］類通信子線程和基于串口總線的Modbus/RTU類通信子線程，當客戶端請求連接時，測控終端設(shè)備作為服務(wù)端，按照基于TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，并上傳到數(shù)字中心，實現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的組網(wǎng)、遠程網(wǎng)絡(luò)基本信息的配置以及通信功能。

另外，不管客戶端是否有連接，只要上電系統(tǒng)自啟動后就開始基于RS485接口的串行通信，將采集到的油溫、油壓等傳感器數(shù)據(jù)、電量監(jiān)測子系統(tǒng)的動力線參數(shù)、示功儀檢測子系統(tǒng)的沖程、沖次、載荷、位移等參數(shù)存儲到標準MODBUS對應(yīng)的4個區(qū)地址內(nèi)，并映射到Sqlite3數(shù)據(jù)庫內(nèi)，同時位移、載荷、電流每隔10 min采集一次，實現(xiàn)了三圖合一的功能。智能測控設(shè)備不論是主站還是從站，都可以遠程配置設(shè)備的基本信息，并具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的功能，主程序設(shè)計如圖3所示。

圖3　測控系統(tǒng)主程序流程圖

4.2管理軟件組網(wǎng)平臺設(shè)計

對各油井的組網(wǎng)監(jiān)測是測控系統(tǒng)的重點，管理軟件通過設(shè)備偵測掃描的方式，采UDP協(xié)議廣播的形式向局域網(wǎng)發(fā)放廣播包，各智能測控系統(tǒng)終端接收廣播包響應(yīng)，將唯一的設(shè)備編號、IP地址、MAC等基本信息上傳到管理軟件界面，實現(xiàn)不同區(qū)域內(nèi)的組網(wǎng)管理。

該軟件具有自動偵測各個油氣井的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，持續(xù)監(jiān)視、報告網(wǎng)絡(luò)的運行情況。通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各項運行參數(shù)，全面掌控網(wǎng)絡(luò)的異常和性能情況，發(fā)現(xiàn)異常及時告警。內(nèi)置設(shè)備合法性監(jiān)測引擎，自動監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)終端設(shè)備的基本屬性，自動比對資源表，告警非法終端設(shè)備。另外，管理軟件將數(shù)據(jù)處理匯總制作成統(tǒng)計報表，提供了性能、告警、狀態(tài)、資源多個角度的統(tǒng)計和分析報表，給后臺設(shè)備管理軟件和生產(chǎn)量化軟件提供標準化報表。

5　測試數(shù)據(jù)分析

5.1數(shù)據(jù)標準格式存儲

在工業(yè)生產(chǎn)中，運行著各個廠商的設(shè)備，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的格式極不統(tǒng)一，傳統(tǒng)設(shè)備的升級改造實現(xiàn)通信是一大難題。數(shù)據(jù)的標準化傳輸與存儲，解決了日益增多的設(shè)備互聯(lián)互通的難題，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理提供了標準的數(shù)據(jù)源頭。測控設(shè)備［7］將從各個子從站讀取的數(shù)據(jù)存儲到標準Modbus 4個地址存儲區(qū)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的標準化，從而可以組網(wǎng)構(gòu)建云平臺，管理小區(qū)域乃至大區(qū)域的統(tǒng)一平臺的建設(shè)，為大數(shù)據(jù)挖掘處理分析提供標準數(shù)據(jù)保障，為合理高效安全的生產(chǎn)做數(shù)據(jù)支持。

在軟件后臺設(shè)計中，提供了數(shù)據(jù)庫的連接信息和需要訪問的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)［8］。當用戶輸入合法的用戶名和密碼后，獲取權(quán)限后方可允許其訪問并共享數(shù)據(jù)庫。所以物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)時通過訪問定義的數(shù)據(jù)庫接口即可。定義數(shù)據(jù)訪問接口時，將異構(gòu)分布式數(shù)據(jù)庫看成普通的分布式數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)訪問層引入數(shù)據(jù)庫互聯(lián)規(guī)范（ODBC）［2］，實現(xiàn)系統(tǒng)間的透明訪問。

5.2設(shè)備全生命周期閉環(huán)管理

對于設(shè)備運行穩(wěn)態(tài)的管理是至關(guān)重要的，可以實時查詢設(shè)備的運行是否良好，若出現(xiàn)故障則可以及時搶修。軟件界圖標識了各個智能測控設(shè)備的狀態(tài)，即設(shè)備的通信狀態(tài)以及設(shè)備供電的電源狀態(tài)，后臺實時將監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)表導(dǎo)入設(shè)備管理軟件，經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理后人機界面顯示各種設(shè)備的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候?qū)崟r監(jiān)控。當設(shè)備的狀態(tài)出現(xiàn)異常時，界面會彈出警報窗口，并記錄此次異常信息，等待修復(fù)，當現(xiàn)場設(shè)備維修好正常運行后，那么會自動顯示設(shè)備運行正常，使其大大增強了靈活性可靠性，從而形成設(shè)備全生命周期閉環(huán)管理模式。

6　結(jié)束語

本文采用最新的4 GHz頻段TD-LTE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，搭建設(shè)備通信基站，達到了全油區(qū)油氣井信號全覆蓋的目標。從軟硬件進行分析設(shè)計，采用可編程ARM9微控制器，擴展網(wǎng)口、串口等接口設(shè)備，攻克了油氣井遠程測控系統(tǒng)與基于IPV6協(xié)議棧的TD-LTE機制的通信網(wǎng)互聯(lián)互通的難題。支持遠程配置設(shè)備的唯一IP地址等基本網(wǎng)絡(luò)信息，實現(xiàn)了遠程油氣井電子標簽式的管理。另外，智能測控系統(tǒng)設(shè)備與各個從站設(shè)備接口兼容協(xié)議保持一致的Modbus協(xié)議通信，在軟件處理中做了各種因油田現(xiàn)場電磁干擾等因素的算法處理，使得油氣井的各種有線無線傳感器、動力線380 V供電的電量監(jiān)測、以及示功儀的同步數(shù)據(jù)的獲取能及時上傳給測控設(shè)備，還支持遠程啟停井，達到快速響應(yīng)的目的。經(jīng)過長時間的低溫環(huán)境下的測試，對軟件架構(gòu)的不斷優(yōu)化、內(nèi)存泄露的修復(fù)，解決了長時間運行系統(tǒng)內(nèi)存溢出的問題，并已經(jīng)在二連高寒地區(qū)智慧油田示范區(qū)部署與實施，達到了油氣井生產(chǎn)高效、實時的數(shù)據(jù)采集與分析，生產(chǎn)問題全面快捷的診斷與處理的監(jiān)控管理一體化系統(tǒng)設(shè)計的目標。

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Research and Implementation of Oil Field Measurement and Control System Based on TD-LTE

Cao Xudong，Xue Dahuan，He Deping
（Geophysics and Information Engineering College，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

The design of the intelligent measurement and control system based on td-scdma LTE was studied，the hardware and software system architecture and network performance was analyzed，to put forward the next generation of IPV6 protocol electronic tag type equipment management mode，AT91SAM9263EK microprocessor is as the core of the intelligent measurement and control system，with Linux as the operating system platform，for the sensor connection，power monitoring，indicator instrument measuring expanded a variety of interfaces，in an attempt to real-time access to the data from the stations to storage the Modbus correspondence address within four area，and dynamic map to sqlite3 database，and dynamically mapped to sqlite3 database to achieve a synchronous displacement，load and current data，which is sent in Modbus/TCP protocol to the digital center through 4 G network.Management software polling to collect the various parameters of the well and stored into a local Oracle database，to prepare standard data for big data mining analysis of reserves，running status of equipment and unforeseen remote start-stop well do full life cycle management，which has realized the target of oil and water Wells in all the oil is instrumented digital and automation of the new management system.

TD-LTE network；embedded ARM；Linux；standard Modbus protocol；sqlite3

1671-4598（2016）05-0117-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.034

TP274

B

2015-11-17；

2015-12-24。

曹旭東（1968-）男，遼寧省黑山縣人，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事DSP、FPGA、ARM等嵌入式微處理器的應(yīng)用技術(shù)、計算機軟件系統(tǒng)設(shè)計方向的研究。