屈俐眉，趙小波

（延長油田勘探開發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安 716000）

目前，我國油田開發(fā)持續(xù)深入，困難也越來越突出，常規(guī)的油田開發(fā)方式已逐漸不能滿足石油企業(yè)的需求。數(shù)字化是石油業(yè)務(wù)的發(fā)展軸心，利用各種通信手段對油田建設(shè)活動進行遠程監(jiān)控是數(shù)字化油田建設(shè)的重要組成部分。油田設(shè)備的惡劣運行條件、通信線路的復(fù)雜性限制了新技術(shù)在油田開采作業(yè)中應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備比較老舊，大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)只能由現(xiàn)場人員通過現(xiàn)場設(shè)備查看的方式獲取，無法發(fā)送到控制平臺進行匯總。同時，我國部分油田相距較遠，并分布零散。在數(shù)字化油田建設(shè)中，仍有很多偏遠區(qū)塊的井無法接入自動化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，無法實現(xiàn)對產(chǎn)油量的遠程監(jiān)控。井口數(shù)據(jù)采集及其他設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸?shù)茸罨镜谋O(jiān)控任務(wù)都受到工作環(huán)境和地理環(huán)境的限制。而無線通信控制器可用于解決現(xiàn)有油田數(shù)字化設(shè)計中的數(shù)據(jù)采集、收發(fā)的問題。

1 GPRS無線通信控制器概述

1.1 工作方式

GPRS無線通信控制器基于現(xiàn)有的油田監(jiān)控接口和通訊協(xié)議與油田開采現(xiàn)場設(shè)備進行無線數(shù)據(jù)通訊。GPRS無線通信控制器工作方式如下：

（1）針對數(shù)字油田遠程監(jiān)控的需求，無線通信控制器將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行整合，為數(shù)據(jù)傳輸做好準備。

（2）無線通信控制器根據(jù)遠程管理平臺的數(shù)據(jù)傳輸速度、順序和協(xié)議要求，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合管理終端。

（3）根據(jù)綜合管理平臺的要求設(shè)置信息接收格式，對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析處理，接收綜合管理平臺下達的操作指令。

1.2 主要特點

GPRS無線通信控制器可以獨立于其他設(shè)備運行，人機界面比較簡單。采集的數(shù)據(jù)存儲在本地存儲空間，收到相應(yīng)的調(diào)用命令后可以及時調(diào)用。同時其抗干擾能力強，可以在復(fù)雜嚴苛的運行環(huán)境中工作，具有很強的適應(yīng)性和容錯性，非常適合油田開采監(jiān)控。

2 基于GPRS無線通信控制器的數(shù)字化油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

油田現(xiàn)場生產(chǎn)通?；谝唤M油井進行。每個油井都有幾個特殊的變壓器為開采設(shè)備供電。變壓器和井下電機之間也存在一對多的關(guān)系，本次研究以油井的單臺變壓器遠程監(jiān)控為例，如圖1所示，每口井都有一個控制裝置，即石油開采設(shè)備儀表，這些儀表由一個基于無線通信控制器的集中控制站進行集中控制，每臺變壓器均配備配電變壓器表，同樣通過集中控制站控制。

圖1 數(shù)字化油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對油井設(shè)備構(gòu)成，提出一種無線分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)可分為主體、終端兩部分。安裝在每個油井開采現(xiàn)場的無線通信控制器可通過RS485、無線電等方式與儀表通信。通過無線通信控制器和GPRS網(wǎng)絡(luò)，集中控制站可以對每個油井的儀表進行控制和數(shù)據(jù)采集。

2.2 石油開采設(shè)備儀表遠程通信方案

如圖1所示，各個油井生產(chǎn)組的分布比較分散，通信地域范圍廣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，這樣的工作環(huán)境可以體現(xiàn)GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。在油田開采中，一臺變壓器通?？刂贫嗫诰?，變壓器及其對應(yīng)的油井分布相對集中，傳輸距離通常為數(shù)公里，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此，可以通過無線電通信，既可以滿足通信要求，又可以節(jié)省成本。本次研究結(jié)合油田的分布結(jié)構(gòu)和特點，綜合考慮各種通信方式的優(yōu)缺點，提出一種GPRS和無線技術(shù)相結(jié)合的通信方式，即每個變壓器站配備一個無線通信控制器，每口井配備一個表計以及一臺無線電設(shè)備。無線通信控制器由GPRS模塊（用于與集中控制站通信）、無線電模塊（用于各井安裝的無線電設(shè)備的通信）以及其他硬件組成。

2.3 配電變壓器表遠程通信方案

石油開采設(shè)備儀表遠程通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合短距離無線通信的方案，但該方案無法滿足配電變壓器的遠程通信要求，主要是因為：

（1）需求不同。石油開采設(shè)備儀表主要用于監(jiān)測采油設(shè)備的運行狀態(tài)，功能相對簡單，數(shù)據(jù)量小，不需要存儲太多數(shù)據(jù)；而配電變壓器遠程控制系統(tǒng)的主要功能是分析變壓器容量數(shù)據(jù)進行分析，計算各種電能質(zhì)量參數(shù)，并存儲數(shù)據(jù)，以便用戶隨時使用。

（2）儀表操作模式不同?？刂剖烷_采設(shè)備儀表的無線通信控制器需始終連接集中控制站，以便用戶可以隨時看到生產(chǎn)情況，單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量往往只有幾百字節(jié)。而變壓器的功能多，僅靠自帶儀表即可完多項控制任務(wù)，用戶操作主要是抄表，數(shù)據(jù)傳輸間隔時間長，單次數(shù)據(jù)傳輸量可達MB級，傳輸時間長，因此，只有在需傳輸數(shù)據(jù)時控制器才會建立與集中控制站的通信連接。

（3）目標用戶不同。電機表遠程通信控制方案為現(xiàn)場檢查人員設(shè)計，讓他們足不出戶實時查看采油設(shè)備的運行參數(shù)，即時給出操作指令。變壓器表遠程通信控制方案主要針對油田用電統(tǒng)計人員，可根據(jù)使用情況分配電力。

因此，需要開發(fā)一種新的無線通信控制方案，由于每個電機表都配備了一個無線通信控制器，可進一步縮短數(shù)據(jù)傳輸時間，提高通信質(zhì)量，但也產(chǎn)生了一個問題。傳統(tǒng)的GPRS無線通信控制器啟動后與集中控制站建立連接，意味著 GPRS無線通信控制器會立即與主機建立Internet連接。在終端數(shù)量少的情況下這種方法的劣勢并不明顯，但在終端數(shù)量多的情況下（如每臺儀表都配備一個GPRS終端的情況），每個GPRS無線通信控制器都必須先與集中控制站通信，且該連接始終保持，這會對GPRS無線通信控制器的使用壽命產(chǎn)生一定影響。另外，多臺GPRS無線通信控制器同時連接到集中控制站會造成的巨大網(wǎng)絡(luò)資源浪費。也必然會產(chǎn)生很大的干擾，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

因此，本次設(shè)計結(jié)合GSM短信功能、GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用GSM短信+GPRS無線通信的混合通信方式。集中控制站采用GSM短信方式遠程喚醒GPRS無線通信控制器，一旦無線通信控制器連接成功就可實現(xiàn)終端命令和數(shù)據(jù)傳輸，集中控制站發(fā)起的通信事件結(jié)束后，通信雙方可以自動關(guān)閉連接，下次需要GPRS無線通信時，重復(fù)上述操作即可。

2.4 系統(tǒng)通信設(shè)計

2.4.1 通信協(xié)議

802.11協(xié)議是IEEE開發(fā)的第一個標準無線LAN協(xié)議。該協(xié)議可以在2 400MHz 頻帶中通信。采用擴頻技術(shù)，具有很強的抗干擾能力和安全性。Modbus協(xié)議是世界上第一個用于工業(yè)建筑工地的總線協(xié)議。目前已經(jīng)發(fā)展成為一種基本的通信協(xié)議，可廣泛用于Modbus串行、Modbus+和Modbus TCP。Modbus是一種電子控制器。

2.4.2 通信需求

該系統(tǒng)采用GPRS作為通信網(wǎng)絡(luò)，將多個設(shè)備儀表連接到一個集中控制站。集中控制站是服務(wù)器，是主動與無線通信控制器交換信息的設(shè)備。無線通信控制器采集各種設(shè)備的參數(shù)，并存儲在內(nèi)存中上傳。無線通信控制器需要在兩種情況下啟動通信過程。

（1）當集中控制站請求無線通信控制器數(shù)據(jù)時，無線通信控制器將采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳到集中控制站。如果設(shè)備發(fā)生故障，則將故障記錄上傳到集中控制站。

（2）當集中控制站向無線通信控制器發(fā)送運行控制命令時，無線通信控制器確認并執(zhí)行相應(yīng)的動作。無線通信控制器連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中控制站通信。要實現(xiàn)無線通信控制器的遙控和遙控功能，集中控制站必須與無線通信控制器進行如下通訊。①數(shù)據(jù)請求：向無線通信控制器請求實時數(shù)據(jù)，查詢無線通信控制器設(shè)備狀態(tài)，查詢無線通信控制器運行參數(shù)。②操作設(shè)置：設(shè)置無線通信控制器的運行參數(shù)，設(shè)置無線通信控制器的設(shè)備類型和時序等。③數(shù)據(jù)庫管理：集中控制站將無線通信控制器上傳的信息存儲在數(shù)據(jù)庫中，供用戶查看、打印和分析歷史數(shù)據(jù)。這樣，用戶就可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全可靠地對油田進行遠程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.3 通訊過程描述

無線通信控制器與集中控制站的通訊過程如下：

（1）無通訊任務(wù)狀態(tài)，集中控制站與無線通信控制器無通訊。

（2）集中控制站用戶發(fā)送控制請求，要求無線通信控制器執(zhí)行某種動作，此時集中控制站等待無線通信控制器回復(fù)確認幀，若無線通信控制器回應(yīng)超時，集中控制站重發(fā)。

（3）若集中控制站連續(xù)三次重發(fā)，無線通信控制器均無回應(yīng)，集中控制站將進入無線通信控制器故障處理流程。

（4）集中控制站用戶發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請求，要求無線通信控制器執(zhí)行相應(yīng)動作，此時集中控制站等待無線通信控制器回復(fù)數(shù)據(jù)幀，如果無線通信控制器回應(yīng)超時，集中控制站重發(fā)。

（5）若集中控制站連續(xù)三次重發(fā)，無線通信控制器均無回應(yīng)，集中控制站將進入對無線通信控制器的故障處理過程。

（7）集中控制站向無線通信控制器發(fā)送詢問幀，等待無線通信控制器的確認應(yīng)答，如果無線通信控制器回應(yīng)超時，集中控制站重發(fā)。

（8）如果集中控制站連續(xù)三次重發(fā)請求數(shù)據(jù)傳輸命令，無線通信控制器均無回應(yīng)，集中控制站進入對無線通信控制器的故障處理過程。

2.5 GPRS無線通信控制器硬件設(shè)計

無線通信控制器的作用是傳輸命令和數(shù)據(jù)，不需要進行復(fù)雜計算，也不需要具備很強的數(shù)據(jù)處理能力。因此，該系統(tǒng)以采用AT89C55WD作為控制核心，系統(tǒng)啟動后，AT89C55WD開始從內(nèi)部20K字節(jié)閃存中讀取指令。使用GMl6C550擴展串口連接GPRS調(diào)制解調(diào)器，圖2為系統(tǒng)硬件硬件框圖。

圖2 GPRS無線通信控制器硬件框圖

如圖2所示，系統(tǒng)包括以AT89C55WD為中心的幾個小模塊，用于實現(xiàn)各種功能，各個模塊的基本功能如下：

（1）系統(tǒng)復(fù)位模塊采用IMP705芯片，該芯片具有看門狗和電源電壓監(jiān)測功能，可為系統(tǒng)提供復(fù)位信號。

（2）選擇12MHz無源晶振為AT89C55WD系統(tǒng)時鐘提供時鐘信號

（3）電源模塊：為系統(tǒng)提供電能。

（4）無線電模塊：選用D21DL無線數(shù)傳模塊，可與各油井設(shè)備配備的無線電模塊進行小批量短距離數(shù)據(jù)傳輸。

（5）為系統(tǒng)提供大量內(nèi)存用于臨時存儲數(shù)據(jù)的靜態(tài) RAM 模塊。

（6）撥通GPRS模塊、HTS08 GPRS調(diào)制解調(diào)器模塊，通過GPRS 10-fl連接建立終端與主控站的連接，進行撥號、連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2.6 GPRS無線通信控制器軟件設(shè)計

在該系統(tǒng)中，無線通信控制器軟件功能模塊主要包括主應(yīng)用處理模塊、集中控制站通訊模塊、設(shè)備儀表通訊模塊。其中主應(yīng)用處理模塊是系統(tǒng)軟件的核心，其下設(shè)串口擴展模塊、GPRS鏈路模塊，串口擴展模塊采用16C550芯片，提供通用串口擴展。GPRS鏈路模塊的作用是通過宏天HT808 GPRS模塊指令與集中控制站建立通信連接。與各設(shè)備儀表通信模塊主要實現(xiàn)與設(shè)備儀表進行通信，通過D21D無線數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。

3 結(jié)論

GPRS無線通信控制器具有高度的安全性和實用性，配備多種設(shè)備接口，可以實現(xiàn)多種形式的組網(wǎng)互聯(lián)互通，有效降低數(shù)字油田的生產(chǎn)運營成本，節(jié)約資金，簡化整個油田的監(jiān)控流程。本課題根據(jù)數(shù)字化油田的需求，通過引入GPRS無線通信技術(shù)可以有效滿足數(shù)字化油田的生產(chǎn)需求，設(shè)計并實現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的油田遠程通信控制系統(tǒng)。主要工作是油田設(shè)備儀表的遠程控制方法的設(shè)計與實現(xiàn)，以及適用于油田系統(tǒng)的通信協(xié)議的設(shè)計。