基于无线传感网络油田智能监控系统的设计

王文珍

(中南民族大学电子与信息工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)的基本功能是将一系列在空间上分散的传感器单元通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理［1］。因具有成本低、范围大、布设灵活、移动支持等特点，无线传感器网络(WSN)在工业监控、智能电力、矿山安全、医疗健康、环境监测等行业的应用一直广受重视。

针对油田作业区的特点和无线传感网络系统特性，开发了基于无线传感网络的智能监控系统，实现了远程数据采集、通信传输、油田作业区的远程监控、调度指挥和无人值守作业等功能。

1 无线传感网络体系研究

无线传感网络体系结构是网络的协议分层以及网络协议的集合，是对网络及其部件所应完成功能的定义和描述。

无线传感网络体系结构由分层的网络通信协议、传感器网络管理技术以及应用支撑技术三部分组成［2］，如图1 所示。

图1 无线传感网络体系结构Fig.1 The architecture of wireless sensor network

分层的网络通信协议结构类似于TCP/IP协议体系结构;传感器网络管理技术主要是对传感器节点自身的管理以及用户对传感器网络的管理;在分层协议和网络管理技术的基础上，支持传感器网络的应用支撑技术。

2 油田智能监控系统设计

基于无线传感器网络的特点，分析和设计架构，将无线传感器网络引入油田作业区的运行状态监测系统中，实现油田作业区、井场的智能监控与管理。

2.1 智能监控系统结构

本系统主要由数据采集和监控中心等组成，通信部分采用ZigBee无线网络传输。监控中心一般设置在矿部、队部或其他监控调度部门，包括管理计算机、ZigBee网络的中心节点。

采集系统由仪表和采集电路组成，负责现场生产数据的采集和组织、无线模块的控制。现场的无线传感网络由各节点的无线通信模块通过GPRS网络或CDMA 网络组成［3］。

井区联合站或监控中心通过无线网络取得现场生产数据并做数据记录，形成历史曲线和实时曲线;根据数据判断各油井的生产状态，对异常情况提出报警;为日常生产调度提供数据支持和图表分析工具。井区联合站的另外一个重要的功能是为其他生产组织部门提供数据来源，例如油田指挥中心和其他生产区办公地点，可以通过油网虚拟专用网(virtual private network，VPN)从井区联合站处得到油井生产状况的数据，还可以通过井区联合站得到完整的历史数据，作为生产计划制定的重要依据。这一系统可以很好地与前期已经完成的联合站数据监控系统整合在一起。

其他生产组织部门通过以太网读取数据而不是通过无线网络从现场读取数据。这样做有两个好处:①减轻现场无线网络的通信负担，以便能更好地利用带宽资源;②减少通信费用和设备成本，更好地利用现有的油网 VPN 资源［4］。

2.2 无线传感网络设计

ZigBee网络连接如图2所示。

图2 ZigBee网络连接Fig.2 ZigBee network connections

由于ZigBee的无线传感器网络架构简单，监测现场不需要复杂的线路连接，可靠性高，特点突出，因此，采用ZigBee无线网络将各井场的采集设备构成无线网络，实现ZigBee无线组网。

ZigBee无线传感器网络通过ZigBee路由节点和协调器节点，将收到的信息传到远程终端装置(remote terminal unit，RTU)设备，再通过GPRS或有线网络与监控中心通信［5］。

油井工作状态传感器主要有:示功图传感器、载荷传感器、被监控开关断/合传感器、温度传感器、电压传感器、电压过压传感器、井口套管压力监测、漏油/盗油监测、油井实时故障报警、欠压报警、电流过流报警、抽油机启停报警、漏油/盗油报警及监测数据统计和打印。系统留有扩展口，可根据油井情况和客户需求增加监测点。

这些传感器将油井的工作状态变换成对应的电压或电流值，通过ZigBee通信模块送至远程智能无线数据采集控制器RTU。值班人员也可以通过组态软件来实时监测前端设备的运行情况，也可对井场阀门的远程开关和抽油机进行远程启停。

无线传感器网络有三种类型的节点:协调器节点、路由节点和终端节点［6］。终端节点上分别连接监测区域的各种传感器。终端节点采集到的数据通过路由节点传到协调器节点，再由协调器转到RTU，临近协调器的终端节点也可直接与协调器通信。整个网络通过唯一的协调器节点与RTU通信。路由节点也可以实现终端节点的所有功能。

节点在空闲时均处于休眠状态或待机状态，当要发送数据或有外部请求时自动唤醒。远程控制中心可以通过公用电话网、GPRS等方式与RTU通信，以控制传感器网络的工作［7］。系统采用蓄电池为节点供电，利用太阳能电池板采集能量为蓄电池充电。

2.3 网络拓扑设计

本文根据采油井场的现场特点，设计了一种分簇式链状即层次型的无线传感器网络系统［8］，其结构如图3所示。

图3 井场传感器系统网络结构Fig.3 Network structure of well-site sensor system

对于采油井场应用而言，并不需要特别多的传感器节点，大多节点只是简单地接收协调器和路由器的命令并执行相应的操作，不需要移动且可重复利用;节点之间一般也不需要复杂的相互通信。因此，在进行网络设计时，由于井场范围小且节点数量少，网络拓朴结构不需要太复杂。

层次型无线传感器网络根据节点距离协调器的远近划分成簇，每个簇由相互靠近的节点组成，簇内节点数量可以不同。其中，端节点构成网络的基础结构，主要负责对井场的环境参数进行监测。每一个簇首负责协调本簇中端节点的工作状态，并收集来自这些端节点的数据。在收集完本簇内的数据后，每一个簇首会把这些数据通过它前面的簇首，以逐级转发的方式传送给网关。协调器和监控中心相连，网络的骨干结构则由每一个簇的簇首和协调器组成［9］。

根据井场实际监测的需要，端节点和簇首节点可以灵活配置:簇的数量可以根据井场空间环境和需要监测的参数单元灵活地划分确定，也可以根据需要随时进行增减，从而实现对井场参数的无缝监测。该网络具有拓扑控制机制和路由机制简单、能量消耗低的优点［10－12］。

2.4 数据采集系统

现场仪表的功能模块如图4所示。

图4 现场仪表的功能模块Fig.4 The functional modules of the field instruments

现场采集模块负责采集数据，并对数据进行简单的处理和压缩，以节省网络带宽，并在现场进行一些简单的判断和故障提示。现场仪表包括压力计、流量计、温度计、液位计和检测抽油机工作状态的位置、角度检测仪表。

控制模块可以控制抽油机的启停，可远程设置自动启停和间开时间，并保存一定量的历史数据。由于无线传输受多种因素影响，当网络信号较弱时，可能会出现通信失败的情况。在这种情况下，现场的历史数据由现场采集模块记录，通信恢复后采集模块操作通信模块，将这一部分数据发出去。这就保证了数据的完整性，避免数据分析时因为数据缺失而造成一些情况无法正常分析。

2.5 监视控制软件

监视控制软件是实现基于无线传感网络智能控制与管理的平台。它运用组态技术、通信技术和计算机技术等，对所采集的传感信息和数据进行处理和分析。在此，监视控制软件应该能够通过接口平台、数据交换、图形技术等，将数据进行统一建库、统一处理、关联分析和多方展示。

3 结束语

本系统实现了现场生产管理由传统的靠经验管理、人工巡检、大海捞针、守株待兔的被动模式，转变为智能管理、电子巡井、“精确制导”的主动方式，实现了生产管理的数字化、智能化，推动了油田向管理现代化转型。

系统通过生产数据的自动采集、预警管理、远程控制等功能，实现了井场无人值守，有效节约了人工成本;视频监控、视频行为分析、语音提示等功能加强了现场安全管理，强化了安防水平;抽油机实现了远程启停，井口油压实现了在线监测，减少了员工巡井频次，降低了油田工人的劳动强度。

此外，系统实现了生产现场实时监控、自动化控制和生产数据实时传输;井场安装有自动投球装置，实现了油井不间断投球作业，提高了工作效率。因此，实行井站一体化管理，减少工作环节，生产组织将更加快捷、高效。

［1］马祖长，孙怡宁，梅淘.无线传感器网络综述［J］.通信学报，2004，25(4):114 －124.

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