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        Zigbee技術(shù)在高寒油田自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

        2018-04-26 05:40:27李云裴宗賢許建國(guó)陳宇強(qiáng)楊金惠梁昌晶
        石油化工自動(dòng)化 2018年2期

        李云,裴宗賢,許建國(guó),陳宇強(qiáng),楊金惠,梁昌晶

        (1. 中石油西南油氣田公司 川中油氣礦輕烴廠,四川 遂寧 629000;2. 河北華北石油港華勘察規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河北 任丘 062552;3. 中國(guó)石油華北油田公司 第一采油廠,河北 任丘 062552;4. 河北華北石油路橋工程有限公司,河北 任丘 062552)

        隨著油田自動(dòng)化的發(fā)展,傳統(tǒng)的光纖等有線傳輸方式由于造價(jià)高、不易維護(hù)等特點(diǎn)已經(jīng)逐步被GPRS,邁高(Micwell),數(shù)傳電臺(tái)等新興的無(wú)線傳輸方式所替代。針對(duì)某油田地處高寒地區(qū)、人煙稀少、氣候惡劣等不利條件,通過(guò)綜合對(duì)比,選擇一種既要保證有效傳輸距離和接收效果,又要滿足低成本、低運(yùn)營(yíng)的傳輸方式。結(jié)合紫蜂(Zigbee)的相關(guān)技術(shù),建立以Zigbee和Micwell相結(jié)合的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)集群,成功實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大規(guī)模井站油田自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控。

        1 Zigbee無(wú)線通信技術(shù)

        1.1 Zigbee無(wú)線通信技術(shù)簡(jiǎn)介

        Zigbee無(wú)線通信技術(shù)是基于IEEE 802.11.4標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展出來(lái)的通信協(xié)議。Zigbee無(wú)線通信技術(shù)按照功能可分為中心節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)和終端兩種工作模式。操作人員可以簡(jiǎn)單地通過(guò)X-CTU軟件選擇設(shè)備的型號(hào)、運(yùn)行模式,對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址、掃描周期、頻道、安全性、睡眠模式和I/O等進(jìn)行相關(guān)的讀寫(xiě)設(shè)置。X-CTU軟件界面如圖1所示。

        圖1 X-CTU軟件界面示意

        1.2 Zigbee無(wú)線通信技術(shù)特點(diǎn)

        1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低。10~250 Kbit/s,專門用于低傳輸應(yīng)用。

        2) 功耗低。在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)如果沒(méi)有發(fā)送和接受數(shù)據(jù)的任務(wù),即進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

        3) 有效傳輸距離短。以協(xié)調(diào)器為中心可以有效地覆蓋300 m以內(nèi)的終端設(shè)備。

        4) 工作頻段免費(fèi)。國(guó)際規(guī)定的工作頻段有3個(gè): 全球標(biāo)準(zhǔn)2.4 GHz;歐洲標(biāo)準(zhǔn)868 MHz;美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)915 MHz。

        5) 安全性高。采用了國(guó)際上最先進(jìn)的加密算法AES-128,保證了數(shù)據(jù)的安全可靠性。

        6) 時(shí)延短。搜索設(shè)備的時(shí)延大概30 ms,休眠激活的時(shí)延15 ms,所以特別適用于實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)通信。

        7) 供電方式簡(jiǎn)單。采用油井遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)中引出的12 V直流電源供電,有效地延長(zhǎng)了使用壽命。

        2 通信方式對(duì)比

        目前油田常用的通信技術(shù)包括有線通信和無(wú)線通信兩種方式,其中有線通信包括光纜、同軸電纜、雙絞線等;無(wú)線通信方式包括無(wú)線數(shù)傳電臺(tái),GPRS,Micwell,WiFi-Mesh等,由不同的通信介質(zhì)構(gòu)成的通信方式各有不同的適用性,各種傳輸方式技術(shù)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表1所列。

        由于該油田地理?xiàng)l件較差,很多盲區(qū)無(wú)GPRS信號(hào)的覆蓋,所以光纖和GPRS等傳統(tǒng)的傳輸方式無(wú)論是從可行性還是從成本上來(lái)講都不宜采納。Zigbee無(wú)線通信技術(shù)相比其他傳輸方式,具有成本低廉、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活以及較寬的傳輸帶寬等特點(diǎn),特別適合該油田油井多而集中、地理環(huán)境簡(jiǎn)單且無(wú)建筑物阻隔的場(chǎng)合。同時(shí)Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的公共頻段目前尚沒(méi)有使用費(fèi),一定程度上節(jié)約了后期的使用費(fèi)。

        3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的組網(wǎng)方式是以1個(gè)協(xié)調(diào)器為中心,對(duì)應(yīng)終端多達(dá)10個(gè)。雖然每個(gè)終端傳輸距離在300 m以內(nèi),但各個(gè)模塊之間可實(shí)現(xiàn)傳輸接力,理論上能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的無(wú)線蜂窩式通信。同時(shí)Zigbee無(wú)線通信技術(shù)是多通道通信,當(dāng)其中某個(gè)設(shè)備發(fā)生故障不能組網(wǎng)運(yùn)行時(shí),可繞過(guò)該設(shè)備自行尋找周圍其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞,所以即使小區(qū)域設(shè)備發(fā)生問(wèn)題,鏈路層也不會(huì)就此中斷。

        油田自動(dòng)化數(shù)據(jù)流向如圖2所示。油井RTU將示功儀、溫變、壓變等各類傳感器收集到的載荷、沖程、沖次、壓力、溫度、液位、流量、電流、電壓等生產(chǎn)數(shù)據(jù)參數(shù),處理后經(jīng)RS-232接口傳輸?shù)絑igbee 終端,各個(gè)終端的數(shù)據(jù)再匯總到中心節(jié)點(diǎn)。

        圖2 數(shù)據(jù)流向示意

        為了保證整個(gè)通信信道的通暢,Zigbee無(wú)線通信技術(shù)僅負(fù)責(zé)每口單井與協(xié)調(diào)器之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信,即油井之間近距離通信部分,不負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理和儲(chǔ)存。所有協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)匯總后由另外一種遠(yuǎn)距離傳輸方式——Micwell傳輸至中心控制室進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示,這樣可最大限度地保證數(shù)據(jù)通信的可靠性,防止單種通信方式的癱瘓,也有利于出現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)地排查。整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的重要參數(shù)納入了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析,可隨時(shí)對(duì)各井站的歷史數(shù)據(jù)及功圖進(jìn)行查詢?yōu)g覽。

        軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言或VB等高級(jí)語(yǔ)言編制。同時(shí)與上位機(jī)人機(jī)交互軟件Intouch9.5進(jìn)行對(duì)接。整個(gè)程序包括系統(tǒng)初始、數(shù)據(jù)傳輸、校驗(yàn)、接收等步驟。波特率設(shè)置為9 600 bit/s,將軟件編排好的數(shù)據(jù)幀頭、幀尾再加上經(jīng)CRC校驗(yàn)過(guò)的驗(yàn)證碼后以字符串形式傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器,經(jīng)調(diào)制解調(diào)器重新還原,先檢驗(yàn)幀頭、幀尾以及驗(yàn)證碼是否一致,如果一致則該次數(shù)據(jù)有效,向終端發(fā)送成功信息,否則作為無(wú)效數(shù)據(jù)舍棄,等待下一個(gè)發(fā)送周期的數(shù)據(jù)。對(duì)于有效數(shù)據(jù)中字符串不全或中斷的情況,軟件全部將所缺信息補(bǔ)零,從而解釋了示功圖測(cè)量中偶爾會(huì)有一段載荷為零的直線出現(xiàn)的問(wèn)題。

        表1 多種傳輸方式的技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

        4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

        應(yīng)用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)后,筆者選擇了該油田的3號(hào)井和3-12號(hào)井進(jìn)行了連續(xù)5 d現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,通信成功率見(jiàn)表2所列。

        測(cè)試結(jié)果表明: 通信成功率總體在96%以上,在允許的誤差范圍之內(nèi)。

        表2 Zigbee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用測(cè)試成功率數(shù)據(jù) %

        5 結(jié)束語(yǔ)

        文中采用Zigbee與Micwell技術(shù)相結(jié)合的無(wú)線傳輸方式的設(shè)計(jì)思想是可行的、正確的,但是該種方法也存在一定的難點(diǎn)和缺點(diǎn):

        1) 要求通信節(jié)點(diǎn)之間可視,盡量不要有障礙物遮擋,因而僅適用于地處邊遠(yuǎn)、地理?xiàng)l件簡(jiǎn)單的油田,對(duì)華北油田冀中地區(qū)采油廠就不適應(yīng)??梢酝ㄟ^(guò)加高協(xié)調(diào)器或者加大協(xié)調(diào)器的功率加以彌補(bǔ)。

        2) 高寒油田冬夏兩季晝夜溫差大,要求設(shè)備有較強(qiáng)的寬溫性,同時(shí)對(duì)供電的電線電纜在低溫下抗老化也要求較高。

        3) 目前,Zigbee的網(wǎng)段尚屬于公共網(wǎng)段,不需要多余的費(fèi)用,但尚需與地方政府無(wú)線電委員會(huì)或相關(guān)管理部門進(jìn)行溝通協(xié)調(diào),防止出現(xiàn)與其他軍用或民用網(wǎng)段串頻的現(xiàn)象。

        參考文獻(xiàn):

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