zigbee无线物联网技术——加快油田数字化油田建设步伐

王雪松，王祯元，杜 伟

1.大港油田采油二厂工艺研究所，河北沧州 061103

2.大港油田采油二厂工艺研究所，河北沧州 061103

3.中石化胜利油田东辛采油厂工艺研究所注水室，山东东营 257000

1 ZigBee 技术概述

Zigbee 是一种采用IEEE802.15.4 协议标准的短距离无线通讯技术，该技术共包括物理层、数据链路层、安全层、网络层、应用层等5 部分的统一标准，最重要的是在应用层中用户可以根据自身的实际应用需要，对其自行开发利用，故而该技术的实用性非常强。

根据IEEE802.15.4 协议标准的规定，zigbee 技术拥有869MHz，915MHz 和2.4GHz 三个工作频段，其中2.4GHz 频段上分为16 个信道，在该通讯频段上，数据传输速率可达250Kb/s，并且全球免费、免申请使用，目前已在工业、医学、过程控制等领域取得了广泛应用。

2 ZigBee 技术特点

Zigbee 是一种致力于低数据传输率的通讯技术，相比WIFI、光纤数据传输技术具有成本低、低功耗、实用性强等特点，在工业生产的过程控制、乃至煤矿、楼宇自动化等方面取得了应用成效，其技术特点如下：

1）低数据传输带宽

Zigbee 网络信道的宽度一般在10Kbs～250Kbs 之间，主要原因在于应用该技术的传感器仅传输压力、温度、湿度、流量等简单数据，不需要太大的传输带宽。

2）功耗低

受数据传输量小的影响，zigbee 信号的收发时间非常短暂，而且采用休眠模式，通常情况下电池可供zigbee 传输设备正常工作6 个月以上。

3）数据传输可靠

ZigBee 的介质链路层采用CSMA－CA 碰撞避免机制。在该数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，数据发送方将等待数据接收方的确认信息，否则就会再发送一次数据，这样就提高了数据传输的可靠性。

4）网络容量大

Zigbee 网络可以支持大约65000 个zigbee 网络设备，具体来说就是zigbee 网络协调器作为全功能器件，下接收65000 个网络节点（通常是简化功能器件）。在此基础上，如果有多个网络协调器互联，将形成一个十分庞大的zigbee 网络。

5）安全性

Zigbee 在数据传输中提供三级安全模式。第一级为无安全模式，应用在数据安全重要性不高的传输设备上；第二级采用接人控制清单（ACL）防止非法设备对数据的窃取；第三级安全模式在数据传输过程中采用高级加密标准(AES)的对称密码，可以达到保护数据和防止非法设备冒充合法设备的目的。

此外，zigbee 还具有自组网性、兼容性等特点。

3 Zigbee 技术在采油二厂的应用

2012 年初，大港油田采油二厂实施了基于Zigbee 通讯技术油水井生产信息采集系统技术升级项目，在王徐庄油田、羊二庄油田总计229 口油井、124 口水井安装了Zigbee 单井信息采集传输设备，并建立15 个Zigbee 传输基站、7 个中继站。该系统运行8 个月以来，运行平稳高效。

1）数据上传率达到了100%；

2）数据传输的延时率不大于4min；

3）井口采集数据的丢包率小于1%；

4）油井传输时间为20min/次，水井传输为1h/次；

5）井口设备安装后运行故障率小于2%/天。

5 油水井及站库数据设备采集传输现状

通过生产现场安装的压力、温度、流量、液位等仪表，实现对现场生产数据的实时采集。

1）油井通过现场安装的压力变送器、载荷变送器、转速变送器实现对现场压力、载荷、转速生产参数的采集；

2）水井通过压力变送器、流量计采集现场的油套压力及流量，并利用现场安装的太阳能控制柜，对智能流量控制器的控制，实现对注水量的自动调节；

井别压力变送器载荷变送器转速变送器 RTU 采集柜智能流量控制器配套流量计抽油机井 436 个 218 个218 个电泵井 69 个23 个螺杆泵井 28 个14 个14 个注水井 232 个116 个（带太阳能电池板） 124 套

3）站库是通过现场安装的压力变送器、温度变送器、流量计、液位计等设备采集泵的压力、加热炉的温度、注水的流量、储液罐的液位等生产数据。

流量计（台）庄一混输站9 4 1庄二混输站4 2 1注聚站1 3 4友谊站10 4 6歧十五站7 4歧十八站5 55 2 4广源轻烃厂4 4 3东方轻烃厂17 16 5南一联合站31 5 9 6庄一联合站33 7 11 6站名压力变送器（块）温度变送器（块）液位计（台）

6 油水井及站库数据传输现状

1）油水井通过RS485 线将现场采集到的生产参数传至RTU，运用GPRS 或Zigbee 方式，通过油田公司网络进入后台服务器进行逻辑运算及处理；

2）接转站通过PLC 完成现场生产数据的采集，并通过与逻辑运算完成数据的分析与处理，实现数据的实时监测。目前,庄一混输站、庄二混输站、注聚站、友谊站、歧十一站、歧十八站、滨海一区均装有PLC 系统；

3）联合站包括南一联合站和庄一联合站，南一联合站通过I/O 总线将数据传至PLC，而庄一联是通过485 线将数据传至PLC,通过逻辑运算完成现场数据的分析与处理,实现数据的实时监测。

7 存在问题

1）有线传输模式施工需要现场挖沟布线，甚至对站库原有道路设施造成损坏，实施麻烦，而且发生费用较高；

2）站库改造过程当中，极易对有线传输线缆造成损坏，影响站库生产信息的正常传输，且发生一定的维护费用；

3）有线传输线缆损坏后，断点、短接点寻找比较麻烦，故障修复较复杂；

4）站库当中所采集到的压力、温度、流量、液位等数据信号量非常小，有线传输线缆利用率较低。

8 Zigbee 技术在油水井及站库的推广

8.1 油水井方面

油井的载荷传感器、压力传感器、转速传感器加装zigbee通讯模块，实现载荷、压力、转速的zigbee 传输。

8.2 站库方面

1）站库内压变、温变、流量计、液位计等数据采集设备加装zigbee 通讯模块，而且在泵房等信噪比较高的地方加装增强型zigbee 通讯模块，提高zigbee 信号强度及传输稳定性；

2）站库内PLC 控制设备加装zigbee-RS485 通信转换模块，实现PLC 控制系统对zigbee 信号的采集与处理。

9 预期效果

1）整体上实现油水井、站库生产信息采集传输设备的无线传输；

2）实现zigbee 无线传输后，站库改造不影响生产数据的传输，且不发生线缆修复的费用；

3）当数据传输发生故障后，易于维修，且费用低廉。