基于WSN网络的油井数据采集

青海油田采油二厂 郭利霞 马 文 杨世勇 李 斌

1 引言

随着国内物联网应用热度的不断升温，相应的物联网技术、产品得到了迅速的发展，物联网技术已经在各行各业中快速地得以推广应用。中石油作为国内石油行业的龙头企业，正在逐步实现油田的信息化建设，旨在建立具有国际先进水平的数字化油田。所谓数字油田是指通过信息化与传统油气生产工业相融合，对油田的油气勘探、评价、开发、生产等过程实现连续的、远程的和实时的全生命周期管理，优化油田资产，提高资产净现值。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）作为一种新兴技术，是随着无线技术（如RFID、Zigbee）、SOC(片上系统)、低功耗嵌入技术飞速发展孕育而生。其中以Zigbee技术组建的WSN网络以其低功耗、低成本、分布式和自组织等众多优点迅速得以广泛应用，本文将介绍利用Zigbee技术搭建的WSN网络在油田数字化井场中的应用。

2 项目概述

青海油田作为国内早期开发的油田之一，经过半个多世纪的勘探、开发，目前已经年产油气700万，是西部重要的能源基地。随着中石油集团公司数字油田A11项目在全国各大油田的大力推广，青海油田于2010年进行了油井数字化项目的先导性实验，2011年正式开始了数字油井的大量安装实施。本文介绍的就是WSN网络在青海油田数字化油井建设中的应用，其中无线传感器和无线RTU均选自北京安控科技股份有限公司基于国际最新的Zigbee无线技术而开发的数字化产品，包括无线压力传感器（SZ903）、无线功图传感器（SZ902N）、无线功率模块（SZ308）及无线网关模块（SZ932）。

3 系统方案及功能实现

3.1 Zigbee技术介绍

Zigbee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，Zigbee网络具有低功耗、低成本、高可靠、节点容量大、信息安全等特点，可广泛应用于各种自动控制领域。

ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术；ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点 ，省电、简单、成本又低的规格；同时ZigBee又增加了逻辑网络、网络安全和应用层，使得Zigbee技术相比IEEE 802.15.4具有了自动组网等功能。

ZigBee 无线可使用的频段有3个，分别是 2.4GHz 的ISM 频段、欧洲的 868MHz 频段及美国的 915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是 16 、1 、10 个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。ZigBee 和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近的应用；ZigBee 无线技术适合组建WSN网络，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。

3.2 硬件设备介绍

现场抽油机井场安装的设备主要有1套无线RTU控制器，2个无线压力变送器、1个无线载荷位移传感器和1个无线功率模块，由这些无线设备构成了井场无线传感器网络，实现了以RTU为中心的油井数据采集系统。

3.2.1无线网关SZ932

SZ932无线网关模块，是安控公司自主开发的无线设备，可以与安控科技的无线仪表通讯，组建成WSN，定时采集无线仪表的数据或者被动接受无线仪表上传的数据。同时SZ932还可作为协议转换器，进行Modbus RTU及自定义串口协议与Modbus TCP之间的转换。

3.2.2无线功图传感器SZ902N

SZ902N无线功图传感器安装于抽油机的井口，用于采集抽油井的载荷及位移数据，并绘制出抽油机示功图，然后通过无线方式上传至RTU。SZ902N采用电阳能电池板及电池供电。

3.2.3无线压力传感器SZ903

SZ903无线压力变送器，带就地液晶显示，用于测量抽油机井口油压和套压。它采用新型外壳及电路设计。

4 拓扑结构及工作原理

4.1 拓扑结构

整个油井SCADA系统分为三层网络结构，如图1所示一层是油井现场由无线仪表及无线RTU组成的Zigbee短距离WSN网络；二层是由电信运营商提供的CDMA 1X远距离无线通信网络；三层网络是由电信至油田数据中心连接的专用光纤网络。由以上三层网络构建的油井SCADA系统完成了对油井现场实时数据的采集及远程控制功能。

图1 三层网络结构图置

4.2 工作原理

针对以上整个油井SCADA网络的结构，下文将对其工作原理进行一下介绍，其中主要介绍的是油井Zigbee短距离无线网络的通讯原理及产品设置方法。

4.2.1 WSN网络结构

无线Zigbee芯片选用了美国Digi公司的XBEE-PRO系列产品，Zigbee网络中包含三类设备，一是网络协调器节点，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络；二是路由器节点，路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发；三是终端设备节点，终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作。由Zigbee无线产品组织的网络拓扑结构有星型、树型、网状型，其中该项目使用了星型的拓扑结构，如图2所示。

图2 拓扑结构

其中红色图标SZ930手操器在WSN网络中充当的是协调器节点；蓝色图标节点SZ932无线网关模块在WSN网络中充当的是路由节点；绿色图标SZ903无线压力变送器、S902无线载荷传感器、SZ308无线功率模块在WSN网络中充当的是终端节点。

4.2.2 参数设置

WSN网络中有3类设备需要进行无线参数设置，通过对各设备参数的设置，可以实现在油井井口组建不同的Zigbee网络，下面将对终端、路由、协调器的设置简要说明，步骤如下：

（1）对Zigbee模块进行功能划分，分别下载终端、路由及协调器固件程序。通过以上配置，可以将SZ930设置为协调器，SZ932网关设置为路由，SZ903、SZ932、SZ308设置为终端。参见图3、图4。

图3 参数设置

图4 参数设置

（2）用配置工具配置网络ID(PAN_ID)、通道号（SC）及操作ID(OI)，通过配置可以将整个油井内的设备包括RTU、功图传感器、压力传感器、功率模块协调至一个网络ID中，其中PAN_ID号为SZ932内Zigbee模块的64位地址，通道号SC设置为2，OI设置为PAN_ID的后四位。路由器和终端的配置过程如下：

①对终端设备进行标定，其中重要的一项参数设置就是在每一个终端设备中写入路由器RTU的64位地址，用于确定终端设备在数据上传时的最终目的设备，通过这样的设置后，在同一井场网络ID内的所有终端设备数据将上传至井场内设置为路由的RTU内部。

②通过以太网线连接至SZ932，通过RTU数据查看软件，可以产看到RTU内部已经上传的功图数据、压力数据以及电量数据。

图5 参数查看界面

通过以上对无线RTU及无线仪表进行相关的参数配置，就实现了井口以SZ932为路由器，SZ903、SZ932、SZ308为终端的油井WSN网络，实现了对油井示功图、压力、电量参数等数据的全面采集。所有无线仪表均采用了低功耗的休眠和主动上传机制，数据上传时采用了应答及重传模式，从而既保证了以电池供电的无线仪表可以长时间使用，又保证了数据可靠稳定上传。SZ932模块作为井场RTU，是整个井场WSN网络与电信CDMA 1X EVDO网络的网关模块，负责将油井数据通过CDMA 1X EVDO网络传输至数据中心的服务器，数以百计的井场RTU共同构成了青海油田数字油井的SCADA系统。

5 系统特点及优势

（1）所有无线仪表均使用了低功耗休眠机制及主动上传模式，有效保证了仪表电池的可用性，使用寿命可达2-3年。

（2）RTU数据上传至数据中心时具备数据补传功能，就是在CDMA网络中断时，现场数据保存在RTU的FLASH内部，当CDMA网络恢复时数据中心根据时间标签自动补采RTU内部的数据，从而很好的保证了数据中心历史数据的完整性。

（3）整个SCADA系统由短距离的井场Zigbee网络和远距离的CDMA网络组成，完全实现了无线数据采集及传输，突破了传统有线网络的局限性。

（4）实现了丛式井场一拖多功能，即一个丛式井场RTU可以同时采集4口油井的示功图、油压、套压、功率共16个无线仪表的数据，突破了传统项目中的单井模式，大大节约了RTU投资成本。

（5）无线仪表的使用相比以前有线仪表减少了电缆成本、敷设成本等，所以在初期投资上节约了大约10～15%的成本；因为无线仪表不像有线仪表在井口作业时容易断线、短路损坏等问题，所以后期维护成本节约大约20%。

6 结束语

青海油田在数字化建设中深入研究了国外领先技术，借鉴了兄弟油田的实施经验，选择了行业知名企业进行合作，对不同厂家的产品，在设计上采用了标准化，在硬件接口、通讯协议、数据格式进行了统一规范，最终在数字化油井SCADA建设中实现了不同厂家产品的互联互通互换，建设了具有青海油田特色的数字化油田，为油田进一步实现物联网奠定了基础并积累了经验。