基于ZigBee的油井载荷监测系统设计

孙耀杰+马晓峥+左兆辉

摘 要： 阐明了在油井作业过程中油杆载荷测量的必要性，并针对一般油田地区环境的特殊性，提出了采用基于ZigBee技术的无线监控系统，既解决了复杂的现场布线、地理环境干扰、组网困难、扩展性差等问题，又实现了低功耗、低成本的远程无线监控，这对油井抽油杆的故障判断和油田的高效生产管理有着重要意义。

关键词： 油井； 载荷监测； ZigBee； 无线监控

中图分类号： TN911?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0094?03

Design of the ZigBee?based load monitoring system for oil well

SUN Yao?jie， MA Xiao?zheng， ZUO Zhao?hui

（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： The necessity of load measurements of the sucker rod in the operating process of oil wells is expounded. A wireless monitoring system based on ZigBee technology is designed for the particular environment of the general oilfield region. The system solved many problems， such as complex field wiring， geographical environment interference， difficult networking and poor scalability. It also can realize the remote wireless monitoring with low power consumption and low cost， which has important significance to the judgment of the sucker rod failure and efficient production management of oilfield.

Keywords： oil well； load measurement； ZigBee； wireless monitoring system

0 引 言

在抽油机采油过程中，抽油杆要承受液柱的重力、惯性载荷、摩擦力等沿轴向的拉伸或拉压交变载荷[1]，如果这些载荷超出抽油杆的承受范围，油杆很容易脱断失效，这将大大增加油井的生产难度，进而影响生产进度。因此对油井抽油杆载荷数据进行采集并分析，能够做到有备无患。并且到油田开发中后期，油井产能降低，产出液含水量或杂质量较高，这时根据采集的载荷数据绘成的示功图将能够直观反映出这些问题。这对油井的安全、高效生产有重要意义。

ZigBee技术[2]目标是让低成本终端能够通过免费频段进行低数据率数据通信和无线网络组建。其性能优势主要有：采用AES?128加密算法，三级安全模式保障数据通信安全；采用碰撞避免机制，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，通信稳定性高；网络容量大，一个 ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个网络，组网灵活，扩展性好。

1 系统方案

本系统采用CC2530F256作为核心处理器来实现大范围油井载荷数据的采集和传输。系统结构框图如图1所示，其中，从安装有ZigBee终端节点的油井处采集载荷数据，通过ZigBee路由节点和协调器节点中转传输数据，最终将数据汇报到监控中心。然后PC对接收到的数据进行处理，以直观简洁的方式让工作人员来判断油井的工作状况。同样的，监控中心可以发送控制指令，通过协调器路由节点判断终端路径，最终控制对应终端抽油机的启停。这样既能提高油田的生产效率，节约能源，又能保证现场的生产安全，有效减少事故的发生。

在ZigBee无线传感网络中，根据节点所具有的网络功能，ZigBee节点可分为协调器节点、路由器节点和终端节点三种。协调器节点是整个网络的中心节点，在整个网络中必须惟一，负责新建网络的发起、参数设定、存储节点信息、管理其他节点等工作；路由器节点需要一直处于活动状态，受协调器节点控制，在自己区域范围内它可充当协调器，主要完成路由发现、消息转发、通过其他节点扩展网络覆盖范围等功能；终端节点没有特定的维持网络结构的责任，可以通过路由器或协调器节点加入网络，负责收集终端采集的数据，可以处于睡眠或者唤醒状态。

图1 油井系统结构框图

2 系统硬件设计

系统的终端设备由传感器模块、处理器模块、无线传输模块、电源模块等组成，如图2所示。

图2 终端模块框图

当油井的抽油机工作时，负荷传感器供电工作，输出0～12 mV的差分电压，将其接入A/D转换器，增益128倍后转换成数字信号，再与处理器的通用I/O口相连接，信息经过处理后，最终通过无线射频传送到路由或协调器。

负荷传感器采用的是宇航的YHYT?DZ型油田负荷传感器，只需将其安装在抽油机的平衡铁上，方便简单，不存在安全问题。传感器的原理为桥式电路，故输出为差分电压。A/D转换电路芯片采用的HX711。HX711[3] 是一款专为高精度负载传感器而设计的24位A/D转换器芯片。它集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点，并且它与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由管脚驱动，无需对芯片内部的寄存器进行编程。

目前，无线传感器节点处理器模块中一般采用TI公司的CC2430/CC2530系列芯片。由于第1代CC2430存在通信距离短、可靠性不强等缺点，所以采用第2代片上系统CC2530，它比第l代CC2430改进了射频RF收发器的性能，集成了一个8051微处理器，能够很好地匹配RF前端。CC2530F256结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z?Stack（TM）），具有256 KB的闪存，提供了一个强大完整的ZigBee解决方案。相比之前的协议栈，它具有更好的互操作性、节点密度管理和数据负荷管理等优点，并且支持网状拓扑结构，具有低功耗的特点，这使得CC2530芯片设计的传感节点通信距离更远，网络更加稳定可靠。

无线传感节点配置了电池插槽，可由2节1.5 V干电池供电，也可由外部供电，通过电压转换电路将外部输入5 V电压转换为MCU工作电压3.3 V。面板上安装有LED指示灯，在上面设置开关，只在调试过程中使用，在应用中即断开开关，以节省能耗。系统还通过一系列继电器作为抽油机开关，当协调器接收到监控中心发送的控制命令时，会根据命令内容将控制信号发送到相应的终端，用以控制油井抽油机的启停。

3 系统软件设计

3.1 ZigBee网络拓扑结构

ZigBee网络主要支持三种网络拓扑结构[4?5]，星型、树型、网状结构。对于油田应用而言，大多传感器节点只是简单地跟协调器和路由器进行通信，发送或接收命令并执行相应的操作，一般不需要移动。因此，在进行网络设计时，网络拓扑结构不需要太复杂，这里采用树状拓扑结构。树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通信外，其他只能通过树状路由完成消息传输。ZigBee执行用于AODV 专用网络的路由协议，使网络有能力解决移动节点连接失败和数据包丢失等问题。

3.2 ZigBee 终端节点

本系统终端节点采用TI公司的Z?STACK协议栈，使用专业嵌入式开发工具IAR Embedded Workbench进行软件程序开发，使用C语言进行数据采集、数据传输、网络加入、系统休眠等功能的开发。在调试过程中，当终端节点成功加入网络后，设置LED灯会快速闪烁；数据发送成功或者终端接收到数据时，LED灯亦会闪烁。

ZigBee终端节点不执行任何路由功能。终端节点要向任何一个设备传送数据包，它只需简单的将数据向上发送给它的父节点，由它的父节点以它自己的名义执行路由；同样的，任何一个设备要给终端节点发送数据，发起路由寻找，终端节点的父节点都以它的名义来回应。本系统设定当协调器接收到监控中心发送的查询或控制命令时，会根据命令内容将消息发送到相应的终端，终端最后做出回应，以实现监控中心实时获取现场数据或者控制油井抽油机启停的功能。在没有收到指令的情况下，终端设备每隔30 min向监控中心发送一组油杆运动一周期的载荷数据，在监控中心存储，以备数据查询和发现、解决问题，其余时间终端处于休眠状态，减少能量的消耗。终端节点工作流程如图3所示。

图3 终端节点流程图

对于距离比较远的油井，可以与CC2591配合，因协调器和路由器节点中间没有其他网络，不需路由节点进行路由选择，因此采用大功率中继完成数据包的透传，提高输出功率，增加接收器灵敏度。加大中继发射功率后，传输距离可达 2 km，满足油田的应用要求。

3.3 远程监控中心

监控中心PC机通过串口与协调器进行通信，通过轮询各 ZigBee 网络内的节点获取各油井的数据，并通过向协调器发送控制命令实现对各油井电机的控制。当监控中心想要调取实时的现场数据时，可以给协调器发送指令，唤醒对应的处于睡眠状态的终端节点，然后将采集数据回传到监控中心。

现场监控平台采用微软Visual Studio 2005集成开发环境和 SQL 数据库管理软件[6]编写，当ZigBee 局域网的数据汇集到协调器，通过串口连接到PC上后，PC通过服务器和数据库系统对数据进行分析处理并存储，以示功图[7?8]的形式展示给管理人员，使他们可以随时了解各油井的工作状况。

4 结 语

本系统设计可行性较高，实现了信号可控增益调整的功能，提高了载荷测量精度，达到了油井示功图的要求，具有很高的可靠性。同时有效解决了有线监测网络存在的连线繁琐、故障高、可扩展性差等问题，具有通信灵活、组网快、功耗低、投资成本少等优点。系统设计了远程控制抽油机启停的功能，井口油压实现了在线监测，由传统的靠经验和人工查巡的被动模式转变为智能管理、电子巡井、自动控制的主动方式，实现了生产管理的数字化、智能化，推动了油田向现代化管理转型。

在本设计的基础上还可以进一步建立抽油系统井下工况诊断的物元模型[9]，对示功图图形所反映的井下的不同故障工况进行定量的解释与定性的分析，如出现异常则可自行报警，深化油田监控的智能化管理。

参考文献

[1] 付洪涛.抽油杆断脱机理剖析及防治措施探讨[J].中国石油和化工标准与质量，2013（5）：265?266.

[2] 郭渊博.ZigBee技术与应用[M].北京：国防工业出版社，2010.

[3] 汪显卫.基于HX711自动计价数显电子秤设计[J].硅谷，2012（5）：68?69.

[4] ZigBee Alliance. ZigBee architecture overview [EB/OL]. [2006?[04?07].]http：//www.zigbee.org/zigbee/en/events/documents/April 2006_ESC_Presentations/043120r11ZB_TAG?ZigBeeV1?0Architecture%5B1%5D.pdf.

[5] HEILE B. Wireless control that simply works [EB/OL]. [2007?[06?18]. http：//www.zigbee.org/zigbee/en/events/documents/May?][2007_Open_House_Presentations/01C_Overview_of_the_Allian?][ce_Heile.pdf.]

[6] 赵松涛，陈小龙.Visual Studio 2005+SQL Server 2005数据库应用系统开发[M].北京：电子工业出版社，2007.

[7] 刘益江，张学臣.抽油井示功图综合解释[J].油气田地面工程，2007（8）：3?5.

[8] 吴飞鹏，陈德春.抽油机井示功图量化分析与应用[J].广西大学学报：自然科学版，2008（6）：173?175.

[9] 李琨.有杆泵抽油系统井下工况诊断的物元分析方法[J].东北大学学报，2013（5）：613?617.