无线传感技术在油气生产物联网中的应用与发展

2015-06-08滕卫卫哈丽扎提铁木尔张新政

中国管理信息化 2015年18期

吴军，滕卫卫，哈丽扎提·铁木尔，张新政，杨磊

（新疆油田公司采油二厂，新疆克拉玛依 834008）

随着传感器技术、通信技术、电子器件技术的发展，低成本、低功耗、多功能的无线传感设备的大规模开发和广泛运用成为可能。无线传感器网络将众多同类传感设备节点布置在一个特定区域内，通过特定协议高效、稳定地自组织起来，协同工作完成某项应用任务。

目前，物联网技术不断发展，无线传感技术在物联网中应用也不断发展，中石油“十二五信息规划”提出的油气生产物联网系统建设正是基于物联网技术的应用，通过物联网技术，实现油气田井区、计量间、集输站、联合站、处理厂生产数据、设备状态信息在采油采气厂生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制的系统。因此，无线传感技术和其产品设备在油气生产物联网领域也得到广泛的应用与发展。

1 无线传感关键技术

1.1 无线传感网络组成

无线传感由数据获取、数据分布网络和后台管理控制三部分组成。其中最重要的网络节点集成了各种信号的传感器、数据处理控制单元、通信模块、电源模块；广泛分布的传感设备通过网络协议组成一个有效的网络系统，将各种需求数据通过无线通信模块传送到后台的管理控制系统。无线传感设备的电源是其面对的重要问题，一般都采用电池供电，电量有限，相关器件如无线收发模块、微处理器等能耗要尽量小。同时，为了节能，其还应具有节能模式如休眠、等待等，以便系统在没有任务的情况下保持低能耗。这些功能由操作系统集成，现在常采用嵌入式操作系统，特点是功能简单、内核小、占用的资源少；采用模块化结构，可配置、裁剪，大大降低系统功耗。无线传感网络及设备架构如图1所示。

图1 无线传感网络及设备构成

1.2 通讯和网络协议

无线传感网络中各个传感设备要进行信息传输，通常采用无线射频的方式进行连接。无线传感网络的堆栈结构和常见的TCP/IP网络的体系结构大体相同，分为五层，依次是物理层、数据链路层、网络层、传输层和运用层。由于无线传感网络的特点，每一层面都在开展各种研究，为简化协议层次，提高系统工作效率，研究人员利用跨层的方式进行网络协议设计，把MAC层的控制和底层信号控制相结合，来提高系统的效率，降低能耗。网络协议栈的结构如图2所示。

图2 无线传感网络的分层结构

2 无线传感技术研究与应用

2.1 油气生产物联网技术框架

以新疆油田采油二厂油气生产物联网系统建设为例，介绍无线传感技术和其产品的研究与应用。系统功能设计要满足采油厂日常生产高效、稳定运行，生产过程管理、监控，以及设备管理等要求。针对系统功能要求，以及物联网三层架构，油气生产物联网系统总体架构也分为三层系统：数据采集与控制子系统（感知层）、数据传输子系统（网络层）、生产管理子系统（应用层）。

无线传感设备主要应用于数据采集与控制子系统，通过传感器、射频识别、RTU等设备实现生产对象的实时数据采集、存储、处理，以及生产过程自动监测和控制。采集对象主要包括单井、计量间。油气生产物联网系统体系架构及采集参数如图3所示。

图3 油气生产物联网系统架构及采集参数设备

2.2 无线传感设备技术与性能对比

采油二厂油气生产物联网系统建设主要以井、计量间为主，有3000个点左右，点多面广、分布不均。从施工难易度、周期、安装成本、后期运维等多方面综合考虑，现场主要采用无线传感器设备，有效降低设备安装成本，安装和维护方便、操作灵活、工作效率显著提高。

为了从数据不同采集模式、传输方式及采集设备安装模式等方面，进行无线和有线传感设备的技术和实际应用效果对比，选取少部分油井，采用有线传感器设备。经过几个月测试运行，不同类型的传感器设备具有不同优缺点，具体性能对比如表1所示。

表1 无线和有线传感器设备性能对比

2.3 低功耗无线传感组网技术

为保证无线传感设备长期稳定运行，要尽量降低系统功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技术，嵌入式操作系统也应进行低功耗设计。

（1）器件低功耗：选择CPU、Flash、低频和射频放大器、无线收发、射频开关等低功耗器件，从基础上降低功耗上限。

（2）通信低功耗：使用高精度时间同步算法，提高时隙对齐程度，实现更短的时隙及更高程度的休眠，有效增加休眠时间，降低终端功耗。

（3）软件低功耗：把嵌入式操作系统设计成多个事件处理。系统上电初始化时，主程序只进行系统的初始化，完成后进入低功耗状态。当外设发生事件，中断信号，CPU退出节电状态进入事件处理，处理完成后继续进入节电状态，降低CPU功耗。

2.4 无线传感网络技术架构

新疆油田公司采油二厂油气生产物联网系统的无线传感网络通信分为单井和多井无线传感通信。单井通信模式主要用于井距较大的、地理环境较差的或井口有视频采集的油水井。多井通信模式主要用于在固定区域内井距较近的油水井。两种通信模式如图4所示。通过两种通信模式结合设计，3000余口油水井只采用了2000个左右的RTU，节约了近33%的投资费用。

图4 单井和多井通信模式示意

（1）单井通信模式：无线传感器设备→井口控制器(RTU)→中心控制室的数据流为单井通信。无线传感器设备为传感网络中的节点，如无线示功仪、无线压力、无线电参等仪表。设备平时处于休眠状态，定时唤醒采集数据后发送到RTU。RTU为井口数据采集、处理、控制设备，可通过通信设备上传处理结果，并接收中心控制室指令控制现场。

（2）多井通信模式：无线传感器设备→井口控制单元（井口路由单元）→多井集联中继器（RTU）→中心控制室的数据流为多井集联通信模式。多井集联通信模式说明如下。第一，井口控制单元直传模式：每个井口控制单元直接与将多井集联中继器（RTU）连接，再由多井集联中继器（RTU）将数据上传到中心控制室。第二，多井集联路由跳转模式：1#井控制单元至n#井口控制单元与多井集联中继器（RTU）直接通信，而2#井控制单元与多井集联中继器（RTU）之间有阻挡或本控制单元故障，不能直接通信，但2#井设备通过ZigBee Pro或WIA协议的路由功能，其数据通过1#井设备路由，上传到多井集联中继器（RTU）中。

2.5 无线传感设备与RTU控制单元通信

油井无线传感设备与井口RTU控制单元之间的通信具有常规数据采集、仪表参数读取、功图数据采集以及电量图数据采集。无线传感设备采用休眠→唤醒→发送数据→接收命令→执行→休眠的方式。各类数据采集通信时序如图5所示。

图5 传感设备与RTU通信时序

随着物联网技术、无线传感技术、网络通信技术的不断发展，无线传感设备具有应用特异化的特点，针对工业、军事、医疗、智能家居等不同应用领域，其实现技术完全不同，而工业无线传感器网络满足工业应用高可靠、低能耗等特殊需求。无线传感技术在石油企业的油气生产物联网建设中的广泛应用和发展，是对现有无线传感技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新。