中國石油華北油田采油工程研究院

阿爾油田單井自動化系統(tǒng)ZigBee與RFID的通信組合技術(shù)

劉金亮 吳義輝 孫丹丹 王宇蒙 張 姿 張文靜

中國石油華北油田采油工程研究院

針對阿爾油田惡劣氣候和無遮擋草原地理環(huán)境特點(diǎn)，確定“保障生產(chǎn)、減人增效、減小勞動強(qiáng)度”為自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。通過將ZigBee與RFID兩種無線通信技術(shù)創(chuàng)新組合，應(yīng)用該組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距井場數(shù)據(jù)傳輸接力，解決叢式井組、通訊盲點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)由1套ZigBee接收RTU箱管理10口單井井口設(shè)備，節(jié)省了通信建設(shè)投資，完成了內(nèi)蒙古阿爾油田的單井遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好效果。

油田生產(chǎn)自動化；ZigBee；RFID；阿爾油田

隨著油田建設(shè)自動化、數(shù)字化的快速發(fā)展，對與油田建設(shè)相配套的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)要求越來越高，特別是野外現(xiàn)場分散的油水井?dāng)?shù)據(jù)采集作為最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)來源，其數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定傳輸愈發(fā)重要。短程、低速、廉價(jià)的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)（短距離無線傳感器技術(shù)）是一種新的無線通信技術(shù)，特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備[1]?；赯igBee的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，華北油田采油工程研究院通過將ZigBee與RFID（射頻識別技術(shù)）兩種無線通信技術(shù)組合實(shí)現(xiàn)短距離井場數(shù)據(jù)傳輸接力，解決叢式井組、通訊盲點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)由1套ZigBee接收RTU箱管理10口單井井口設(shè)備，節(jié)省了通訊建設(shè)投資，完成了內(nèi)蒙古阿爾油田的單井遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，現(xiàn)場應(yīng)用取得了良好效果。這種新型無線通信組合技術(shù)在油田單井自動化監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域的成功應(yīng)用標(biāo)志著無線通信技術(shù)的新方向，這些先進(jìn)實(shí)用技術(shù)的推廣應(yīng)用為數(shù)字化油田建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。

1 阿爾油田自動化系統(tǒng)

阿爾油田所在區(qū)域氣候寒冷、干旱、風(fēng)沙大、雨少。春季冷空氣活動頻繁，易出現(xiàn)寒潮、暴風(fēng)雪等災(zāi)害性天氣；冬季冰封湖凍，寒冷漫長。在這樣一個(gè)高寒地區(qū)實(shí)施自動化建設(shè)，必須要考慮儀表設(shè)備在野外的寬溫性能，同時(shí)其無遮擋草原地理環(huán)境有利于無線數(shù)據(jù)的通信。阿爾油田的自動化監(jiān)控系統(tǒng)組成如圖1所示。其主要包括聯(lián)合站中控室單井監(jiān)控系統(tǒng)、圖像監(jiān)視系統(tǒng)、聯(lián)合站數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)和站外單井RTU。系統(tǒng)主要特點(diǎn)是集中管理、分散控制，具有很強(qiáng)的自主性、協(xié)調(diào)性、靈活性和可靠性。

圖1 自動化監(jiān)控系統(tǒng)組成

阿爾油田單井自動化監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向?yàn)椋翰捎枚叹嚯x無線RFID技術(shù)，將1口井的各類傳感器數(shù)據(jù)無線上傳到單井的RTU柜，再通過ZigBee技術(shù)將各單井的RTU柜數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳匯總至數(shù)據(jù)接收RTU箱。每個(gè)RTU箱最多管理10個(gè)井口設(shè)備，作為1組，其地址設(shè)置在單井監(jiān)控終端的配置文件中，McWill通信協(xié)議為TCP/IP，可設(shè)置固定的IP地址。在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中，管理人員可根據(jù)實(shí)際監(jiān)控的井?dāng)?shù)和位置進(jìn)行組合分配。最后，RTU箱通過油田McWill專用網(wǎng)絡(luò)上傳至中控室單井監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)油田單井的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位功能[2]。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)。

IEEE802.15.4在物理層(PHY)設(shè)計(jì)中面向低成本和更高層次的集成需求，采用的工作頻率分為2.4GHz、915MHz和868MHz三種。由于ZigBee使用的頻段是免費(fèi)開放的，故已有多種無線通信技術(shù)在使用。為避免被干擾，在各個(gè)頻段皆采用直接序列展頻(DSSS)技術(shù)，以化整為零方式將1個(gè)信號分為多個(gè)信號，再經(jīng)由編碼方式傳送信號以避免干擾。對大部分較低端用戶的來說，直接序列展頻技術(shù)的應(yīng)用可使模擬電路變得簡單，具有更高的容錯性能。

IEEE802.15.4在媒體存取控制層(MAC)方面，主要是沿用無線局域網(wǎng)(WLAN)中IEEE802.11系列標(biāo)準(zhǔn)的CSMA/CA方式，以提高系統(tǒng)兼容性。所謂的CSMA/CA是在傳輸之前，先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸，若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸動作；若產(chǎn)生碰撞，則稍后重新再傳。這種MAC層的設(shè)計(jì)，不但使多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單，還可實(shí)現(xiàn)非常有效的低功耗管理。

在阿爾油田單井自動化監(jiān)控系統(tǒng)中采用的工作頻率為915MHz，故實(shí)際工作中最多每10口單井可作為1組，ZigBee技術(shù)的低功耗和低成本是采用其技術(shù)的主要原因之一。

3 ZigBee與RFID結(jié)合的創(chuàng)新通信技術(shù)

3.1 應(yīng)用RFID技術(shù)的井口組成

RFID是一項(xiàng)利用射頻信號，通過空間耦合（交變磁場或電磁場）實(shí)現(xiàn)無接觸信息傳遞，并通過所傳遞的信息達(dá)到識別目的的技術(shù)。

阿爾油田自動化監(jiān)控系統(tǒng)在井口采用短距離無線技術(shù)作為傳感器與RTU之間的通信方法，將傳感器、MCU控制器及無線收發(fā)模塊組合在一起，構(gòu)成一體化的微功耗無線傳感器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)的無線采集。

為了保證設(shè)備在正常情況下能工作2～3年，在硬件設(shè)計(jì)上采用低功耗元器件；在軟件設(shè)計(jì)上，除電源管理芯片外，其他芯片都處于休眠狀態(tài)，每隔幾秒微處理器中斷喚醒來處理事件，工作完畢后繼續(xù)休眠，從而使靜態(tài)功耗控制在μA級。

3.2 應(yīng)用ZigBee技術(shù)完成井口RTU數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳接力

由于短距離無線傳感器的有效傳輸距離只有100m左右，不具備進(jìn)一步遠(yuǎn)傳的能力，而ZigBee技術(shù)的有效識別距離可達(dá)1500m，特別適合油田井網(wǎng)的組合，并且在實(shí)際應(yīng)用中可靈活任意選擇井群進(jìn)行配置。將兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)組合構(gòu)成了阿爾油田單井自動化監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)特的數(shù)據(jù)傳輸方式，為進(jìn)一步研究高寒草原環(huán)境的油田數(shù)據(jù)通信模式提供了一個(gè)參考。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果

新型無線組合網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自2011年8月投入使用至今，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，維護(hù)操作簡便，其經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。

（1）單井設(shè)備集中實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)狀況一目了然，滿足油田安全生產(chǎn)的需要。該系統(tǒng)成功投運(yùn)后，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)每5min自動輪回巡檢，并做到發(fā)生故障隨時(shí)報(bào)警，關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)超限報(bào)警處理，確保了油田安全生產(chǎn)。

（2）油井生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)自動診斷、管理優(yōu)化。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集管理、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控為一體，特別是單井自動化的平穩(wěn)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)了井口連續(xù)計(jì)量的優(yōu)化建產(chǎn)模式，為數(shù)字化油田的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

（3）自組單井網(wǎng)絡(luò)靈活、可靠。

（4）提高生產(chǎn)效率。遠(yuǎn)程監(jiān)控使得值班人員可以了解油井實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況，可隨時(shí)根據(jù)井況的變化采取相應(yīng)措施，對現(xiàn)場生產(chǎn)異常情況及時(shí)處理。

5 結(jié)語

針對阿爾油田惡劣氣候和無遮擋草原地理環(huán)境特點(diǎn)，確定“保障生產(chǎn)、減人增效、減小勞動強(qiáng)度”為自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。在技術(shù)上，采用Zig Bee與RFID結(jié)合的創(chuàng)新通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了井站定時(shí)巡查、運(yùn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)隨時(shí)查詢、功圖實(shí)時(shí)生成、超限及時(shí)報(bào)警、故障人工排除功能，為阿爾油田產(chǎn)能建設(shè)的正常運(yùn)行提供了技術(shù)和安全保障。在管理上，以調(diào)度中控室為中心，聯(lián)合站、單井為兩翼，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)的扁平化管理；建成了適用于阿爾油田自動化示范區(qū)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理平臺。

[1]王歡，郭亮．ZigBee技術(shù)在安塞油田數(shù)字化井場中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2012，31（1）：51-52．

[2]張少軒，劉甜．ZigBee技術(shù)在油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2014，33（4）：46-47．

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.017