无线通信控制器在数字化油田中的应用

屈俐眉，赵小波

（延长油田勘探开发技术研究中心，陕西延安 716000）

目前，我国油田开发持续深入，困难也越来越突出，常规的油田开发方式已逐渐不能满足石油企业的需求。数字化是石油业务的发展轴心，利用各种通信手段对油田建设活动进行远程监控是数字化油田建设的重要组成部分。油田设备的恶劣运行条件、通信线路的复杂性限制了新技术在油田开采作业中应用。传统的数据监控系统设备比较老旧，大部分生产数据参数只能由现场人员通过现场设备查看的方式获取，无法发送到控制平台进行汇总。同时，我国部分油田相距较远，并分布零散。在数字化油田建设中，仍有很多偏远区块的井无法接入自动化监控网络，无法实现对产油量的远程监控。井口数据采集及其他设备数据的传输等最基本的监控任务都受到工作环境和地理环境的限制。而无线通信控制器可用于解决现有油田数字化设计中的数据采集、收发的问题。

1 GPRS无线通信控制器概述

1.1 工作方式

GPRS无线通信控制器基于现有的油田监控接口和通讯协议与油田开采现场设备进行无线数据通讯。GPRS无线通信控制器工作方式如下：

（1）针对数字油田远程监控的需求，无线通信控制器将采集到的现场数据进行整合，为数据传输做好准备。

（2）无线通信控制器根据远程管理平台的数据传输速度、顺序和协议要求，设置数据传输参数，转换数据传输协议，将数据传输到综合管理终端。

（3）根据综合管理平台的要求设置信息接收格式，对现场数据进行分析处理，接收综合管理平台下达的操作指令。

1.2 主要特点

GPRS无线通信控制器可以独立于其他设备运行，人机界面比较简单。采集的数据存储在本地存储空间，收到相应的调用命令后可以及时调用。同时其抗干扰能力强，可以在复杂严苛的运行环境中工作，具有很强的适应性和容错性，非常适合油田开采监控。

2 基于GPRS无线通信控制器的数字化油田远程监控系统设计

2.1 系统总体设计

油田现场生产通常基于一组油井进行。每个油井都有几个特殊的变压器为开采设备供电。变压器和井下电机之间也存在一对多的关系，本次研究以油井的单台变压器远程监控为例，如图1所示，每口井都有一个控制装置，即石油开采设备仪表，这些仪表由一个基于无线通信控制器的集中控制站进行集中控制，每台变压器均配备配电变压器表，同样通过集中控制站控制。

图1 数字化油田远程监控系统结构

针对油井设备构成，提出一种无线分布式控制系统架构。系统可分为主体、终端两部分。安装在每个油井开采现场的无线通信控制器可通过RS485、无线电等方式与仪表通信。通过无线通信控制器和GPRS网络，集中控制站可以对每个油井的仪表进行控制和数据采集。

2.2 石油开采设备仪表远程通信方案

如图1所示，各个油井生产组的分布比较分散，通信地域范围广，传输的数据量大，这样的工作环境可以体现GPRS无线通信网络的优势。在油田开采中，一台变压器通常控制多口井，变压器及其对应的油井分布相对集中，传输距离通常为数公里，传输数据量小，因此，可以通过无线电通信，既可以满足通信要求，又可以节省成本。本次研究结合油田的分布结构和特点，综合考虑各种通信方式的优缺点，提出一种GPRS和无线技术相结合的通信方式，即每个变压器站配备一个无线通信控制器，每口井配备一个表计以及一台无线电设备。无线通信控制器由GPRS模块（用于与集中控制站通信）、无线电模块（用于各井安装的无线电设备的通信）以及其他硬件组成。

2.3 配电变压器表远程通信方案

石油开采设备仪表远程通信采用GPRS网络结合短距离无线通信的方案，但该方案无法满足配电变压器的远程通信要求，主要是因为：

（1）需求不同。石油开采设备仪表主要用于监测采油设备的运行状态，功能相对简单，数据量小，不需要存储太多数据；而配电变压器远程控制系统的主要功能是分析变压器容量数据进行分析，计算各种电能质量参数，并存储数据，以便用户随时使用。

（2）仪表操作模式不同。控制石油开采设备仪表的无线通信控制器需始终连接集中控制站，以便用户可以随时看到生产情况，单次传输的数据量往往只有几百字节。而变压器的功能多，仅靠自带仪表即可完多项控制任务，用户操作主要是抄表，数据传输间隔时间长，单次数据传输量可达MB级，传输时间长，因此，只有在需传输数据时控制器才会建立与集中控制站的通信连接。

（3）目标用户不同。电机表远程通信控制方案为现场检查人员设计，让他们足不出户实时查看采油设备的运行参数，即时给出操作指令。变压器表远程通信控制方案主要针对油田用电统计人员，可根据使用情况分配电力。

因此，需要开发一种新的无线通信控制方案，由于每个电机表都配备了一个无线通信控制器，可进一步缩短数据传输时间，提高通信质量，但也产生了一个问题。传统的GPRS无线通信控制器启动后与集中控制站建立连接，意味着 GPRS无线通信控制器会立即与主机建立Internet连接。在终端数量少的情况下这种方法的劣势并不明显，但在终端数量多的情况下（如每台仪表都配备一个GPRS终端的情况），每个GPRS无线通信控制器都必须先与集中控制站通信，且该连接始终保持，这会对GPRS无线通信控制器的使用寿命产生一定影响。另外，多台GPRS无线通信控制器同时连接到集中控制站会造成的巨大网络资源浪费。也必然会产生很大的干扰，最终导致系统运行不稳定。

因此，本次设计结合GSM短信功能、GPRS网络，采用GSM短信+GPRS无线通信的混合通信方式。集中控制站采用GSM短信方式远程唤醒GPRS无线通信控制器，一旦无线通信控制器连接成功就可实现终端命令和数据传输，集中控制站发起的通信事件结束后，通信双方可以自动关闭连接，下次需要GPRS无线通信时，重复上述操作即可。

2.4 系统通信设计

2.4.1 通信协议

802.11协议是IEEE开发的第一个标准无线LAN协议。该协议可以在2 400MHz 频带中通信。采用扩频技术，具有很强的抗干扰能力和安全性。Modbus协议是世界上第一个用于工业建筑工地的总线协议。目前已经发展成为一种基本的通信协议，可广泛用于Modbus串行、Modbus+和Modbus TCP。Modbus是一种电子控制器。

2.4.2 通信需求

该系统采用GPRS作为通信网络，将多个设备仪表连接到一个集中控制站。集中控制站是服务器，是主动与无线通信控制器交换信息的设备。无线通信控制器采集各种设备的参数，并存储在内存中上传。无线通信控制器需要在两种情况下启动通信过程。

（1）当集中控制站请求无线通信控制器数据时，无线通信控制器将采集到的参数数据上传到集中控制站。如果设备发生故障，则将故障记录上传到集中控制站。

（2）当集中控制站向无线通信控制器发送运行控制命令时，无线通信控制器确认并执行相应的动作。无线通信控制器连接到互联网，通过GPRS网络与集中控制站通信。要实现无线通信控制器的遥控和遥控功能，集中控制站必须与无线通信控制器进行如下通讯。①数据请求：向无线通信控制器请求实时数据，查询无线通信控制器设备状态，查询无线通信控制器运行参数。②操作设置：设置无线通信控制器的运行参数，设置无线通信控制器的设备类型和时序等。③数据库管理：集中控制站将无线通信控制器上传的信息存储在数据库中，供用户查看、打印和分析历史数据。这样，用户就可以使用GPRS网络系统安全可靠地对油田进行远程控制和数据传输。

2.4.3 通讯过程描述

无线通信控制器与集中控制站的通讯过程如下：

（1）无通讯任务状态，集中控制站与无线通信控制器无通讯。

（2）集中控制站用户发送控制请求，要求无线通信控制器执行某种动作，此时集中控制站等待无线通信控制器回复确认帧，若无线通信控制器回应超时，集中控制站重发。

（3）若集中控制站连续三次重发，无线通信控制器均无回应，集中控制站将进入无线通信控制器故障处理流程。

（4）集中控制站用户发送数据传输请求，要求无线通信控制器执行相应动作，此时集中控制站等待无线通信控制器回复数据帧，如果无线通信控制器回应超时，集中控制站重发。

（5）若集中控制站连续三次重发，无线通信控制器均无回应，集中控制站将进入对无线通信控制器的故障处理过程。

（7）集中控制站向无线通信控制器发送询问帧，等待无线通信控制器的确认应答，如果无线通信控制器回应超时，集中控制站重发。

（8）如果集中控制站连续三次重发请求数据传输命令，无线通信控制器均无回应，集中控制站进入对无线通信控制器的故障处理过程。

2.5 GPRS无线通信控制器硬件设计

无线通信控制器的作用是传输命令和数据，不需要进行复杂计算，也不需要具备很强的数据处理能力。因此，该系统以采用AT89C55WD作为控制核心，系统启动后，AT89C55WD开始从内部20K字节闪存中读取指令。使用GMl6C550扩展串口连接GPRS调制解调器，图2为系统硬件硬件框图。

图2 GPRS无线通信控制器硬件框图

如图2所示，系统包括以AT89C55WD为中心的几个小模块，用于实现各种功能，各个模块的基本功能如下：

（1）系统复位模块采用IMP705芯片，该芯片具有看门狗和电源电压监测功能，可为系统提供复位信号。

（2）选择12MHz无源晶振为AT89C55WD系统时钟提供时钟信号

（3）电源模块：为系统提供电能。

（4）无线电模块：选用D21DL无线数传模块，可与各油井设备配备的无线电模块进行小批量短距离数据传输。

（5）为系统提供大量内存用于临时存储数据的静态 RAM 模块。

（6）拨通GPRS模块、HTS08 GPRS调制解调器模块，通过GPRS 10-fl连接建立终端与主控站的连接，进行拨号、连接、数据传输等。

2.6 GPRS无线通信控制器软件设计

在该系统中，无线通信控制器软件功能模块主要包括主应用处理模块、集中控制站通讯模块、设备仪表通讯模块。其中主应用处理模块是系统软件的核心，其下设串口扩展模块、GPRS链路模块，串口扩展模块采用16C550芯片，提供通用串口扩展。GPRS链路模块的作用是通过宏天HT808 GPRS模块指令与集中控制站建立通信连接。与各设备仪表通信模块主要实现与设备仪表进行通信，通过D21D无线数传模块进行数据传输。

3 结论

GPRS无线通信控制器具有高度的安全性和实用性，配备多种设备接口，可以实现多种形式的组网互联互通，有效降低数字油田的生产运营成本，节约资金，简化整个油田的监控流程。本课题根据数字化油田的需求，通过引入GPRS无线通信技术可以有效满足数字化油田的生产需求，设计并实现基于GPRS网络的油田远程通信控制系统。主要工作是油田设备仪表的远程控制方法的设计与实现，以及适用于油田系统的通信协议的设计。