无线通信技术在油田自动化中的应用

周成龙，常文伟

（山东胜利通海集团东营天蓝节能科技有限公司，山东 东营 257200）

0 引 言

油田自动化表现出综合性特点，将控制理论作为指导理念，将各类仪表仪器作为硬件支撑，将转油站和计量间等作为自动化控制操作对象，将增加原油产量和原油品质作为关键，利用了先进的计算机信息技术等，避免了开采操作形成的巨大损耗，降低了安全事故发生率。为更好地推进油田生产和管理工作，需合理应用无线通信技术。

1 应用的必要性

1.1 无线通信技术基本原理

无线通信技术凭借发射设备和接收设备等，稳定传递无线信号，有效突破了空间约束。无线通信波谱涉及若干频段，符合多样化通信应用需求。解析结构可知，无线通信技术表现出显著的层次特点。基于IP网络的支撑，各终端可快速传递和交互信息数据。对应用户可结合本身需要，科学选择技术类型。任何通信模式，都需利用电磁波透过空气传输无线信号，并合理运用各种传输协议。为提升传输速率和及时传递各路径信号，应客观应用天线结构，结合天线合理调整输出功率、信号频率及辐射范围[1]。

1.2 技术发展趋势

在油田中，可合理应用可编程控制系统、计算控制系统及数据采集系统。例如，开发油田过程中，为提升管理水平和生产水平，应用了集成化控制和安全管理系统，即ICSS系统，从而智能化控制油田井口和集中处理中心。随着科学技术的发展，特别是计算机技术的快速发展，油田自动化发展突显了集成化和高效化特性。油田自动化发展极大地依赖无线通信技术，可实现信息的传输和交互，强化各技术环节的互动。

2 无线通信技术的应用原则

在油田中应用无线通信技术需遵循以下原则。

第一，科学原则。只有基于科学层面考虑，综合分析有关自动化内容，定位无线通信技术及有关操作职能，才可充分确保油田自动化运行中合理应用无线通信技术。只有借助科学方法和理念，才可通过现有技术操作内容强化技术应用效果[2]。

第二，实用原则。油田自动化牵涉较多操作领域，产生不同工作内容和大量信息数据，应尽量增加维护应用无线通信技术的兼容性方案，减少复杂环节影响无线通信技术的维护工作。此外，需简化处置无线通信技术和对应运用技术程序，减轻操作难度，以保证油田自动化工作的顺利推进。

3 无线网桥应用

3.1 无线网桥运行

无线网桥具体包括2.4 GHz和5.8 GHz两种通信频段，我国通常选择5.8 GHz频段运用无线通信技术，布置过程中无需申请执照。同时无线网桥已具备一般线网桥的特点，提高了便捷性。无线网桥架设时，可选择点对点、中继及点对多点等方式。部署方式不同应用范围也不同，实际应用中应根据自动化通信要求和距离进行科学选择。一般结合终端远近距离设置无线网桥，点对点方式和点对多点方式的应用在较远距离和较近距离的终端时，分别产生对应效果；若同时出现上述情况，则应通过中继方式建立无线网桥，从而提升通信水平。

3.2 应用优势

自动化通信中应用无线网桥优势明显，无线网桥移动特点显著。具体是通过室内外接收装置和发射装置达到无线通信应用目标，在不借助物理电缆的情况下合理布置，并应用能移动的终端设备，结合通信需求合理调整位置。油田中，计量站是关键内容，通常都是多个并存，中央控制器能凭借移动网络及时收集各种运作数据，从而更好地管理和调度工作。点对多点方式是架设无线网桥的最合理方式，但通过将计量站设置在油田内部，可为全部计量站提供统一的终端，从而更好地进行无线通信。

4 无线传感器网络

具体包括在监测区域布置的大量廉价微信传感器节点，凭借无线通信方式产生一个多跳的自组织网络系统。一般牵涉传感器节点、汇聚节点及管理节点。在监测区域内部或周围随机布置很多传感器节点，凭借自组织方式产生网络，根据其他传感器节点逐步传递传感器节点获得的数据。这一过程中极有可能通过若干节点统一处理监测数据，多跳处理后向节点汇聚，最终凭借工控网络等顺利进入管理节点。用户由此合理搭配传感器网络，对外公布监测工作，并接受相关数据[3]。当前油田利用各种不同类型的无线传感器，包含压力传感器、温度传感器及载荷传感器等。具体在密集布置仪表控制线和复杂的施工场地内应用。

4.1 优 点

第一，迅速建立网络，并产生较强的移动性。无线传感器网络可忽略物理线路，利用无线网桥达到连接目的。网络建立时仅需将无线传感器安装在接口，并合理设计信道和地质，从而顺利建立网络，非常便捷。同时由于缺少物理线路，表现出强大的流动性。第二，良好的扩展性。网络基础设备建成后，若需拓展相应网络，则仅需设置无线传感器，并调整有关参数。

4.2 不 足

第一，实时性不足。油田监测数据接收过程中，合理应用无线传感器网络，具体是地址顺序、轮询模式及对非实时数据的采集，表现出较强的滞后性，难以连锁控制主要设备。第二，供电性不佳。无线传感器供电方式为电池，电量有限。虽然传感器节能性较好，但依然需要每隔3～6个月对电池进行更换，不能可持续应用。

5 ZigBee与WIA-PA应用

油水井监控系统表现出分散的特点，并且作业频繁，而无线通信方式便捷和灵活，相应降低了成本。

按照工业自动化环境要求，不断创新有关无线通信协议。初期的ZigBee通信协议，由于拥有丰富资源和公开协议等特性，应用范围广泛。但考虑到特殊的工业应用情况，国内企业开始研究WSN工作，设计了WIA-PA标准。

5.1 二者对比

ZigBee的特点是自行组网、扩展轻松及功耗较小等，可大规模运用于智能家居和交通控制等。WIA是中国对工业自动化定制设计的标准，其中在自动化流程中应用的系统结构和通信规范共同形成WIA-PA，体现出高实时、高稳定的优点。

5.2 应用ZigBee情况

具体应用在油田井场监控系统，并在各测控设备和RTU之间实现通信，但基本上不能应用ZigBee标准顺利建立WSN，关键原因包括以下方面。

第一，短距离通信。ZigBee利用的频段是2.4 GHz，不具备较好的穿透性和绕射功能，当存在障碍物时难以顺利通信。同时，终端节点节省了大量功耗，降低了无线发射工具的能力，一定程度上缩短了通信距离。

第二，抗干扰性能不佳。网络节点只能在相同信道上达到通信目的，无法为跳频和重传制度提供支撑。若发生影响信道的问题，则可能严重丢失数据。

第三，布置路由困难。由于通信距离不长，为使相同区块内的监控设备构成对应网络，需将大量路由器布置在井场范围，具体部署时可参考通信距离和环境特性。

第四，难以有效解决路由器供电问题。ZigBee低功耗仅是针对终端节点，其可在休眠情况下开展工作，而网关节点和路由节点需在具体活动环境中开展对应操作，不能降低功耗，通常难以凭借电池达到供电目标。

5.3 WIA-PA技术适应性

第一，可靠的数据通信。一般利用多信道通信制度，达到自行跳频和重传作用，以避免油田在恶劣环境下受到影响，减轻了信道衰减程度，提升了稳定传递数据的能力。

第二，较高的数据安全性。在网络层和应用层通过WIA-PA规定了安全和应用标准，数据产生了极高的安全性。

6 结 论

油田在生产过程中表现出线长和面宽等特性，所在环境复杂，信号被严重遮蔽，不能整体实现无线网络的覆盖，不利于顺利采集生产数据和监测工作。无线通信技术具有绕射功能较强、功耗偏低及信号稳定等特点，可在复杂环境中传递数据，最大程度地保证了油田开展数字化建设。