Zigbee技术在高寒油田自动化监控系统中的应用

李云，裴宗贤，许建国，陈宇强，杨金惠,梁昌晶

(1. 中石油西南油气田公司 川中油气矿轻烃厂，四川 遂宁 629000；2. 河北华北石油港华勘察规划设计有限公司,河北 任丘 062552；3. 中国石油华北油田公司 第一采油厂,河北 任丘 062552；4. 河北华北石油路桥工程有限公司,河北 任丘 062552)

随着油田自动化的发展，传统的光纤等有线传输方式由于造价高、不易维护等特点已经逐步被GPRS，迈高(Micwell)，数传电台等新兴的无线传输方式所替代。针对某油田地处高寒地区、人烟稀少、气候恶劣等不利条件，通过综合对比，选择一种既要保证有效传输距离和接收效果，又要满足低成本、低运营的传输方式。结合紫蜂(Zigbee)的相关技术，建立以Zigbee和Micwell相结合的无线网络集群，成功实现了远距离、大规模井站油田自动化系统监控。

1 Zigbee无线通信技术

1.1 Zigbee无线通信技术简介

Zigbee无线通信技术是基于IEEE 802.11.4标准发展出来的通信协议。Zigbee无线通信技术按照功能可分为中心节点(协调器)和终端两种工作模式。操作人员可以简单地通过X-CTU软件选择设备的型号、运行模式，对网络地址、扫描周期、频道、安全性、睡眠模式和I/O等进行相关的读写设置。X-CTU软件界面如图1所示。

图1 X-CTU软件界面示意

1.2 Zigbee无线通信技术特点

1) 数据传输速率低。10～250 Kbit/s，专门用于低传输应用。

2) 功耗低。在设定的时间内如果没有发送和接受数据的任务，即进入睡眠状态。

3) 有效传输距离短。以协调器为中心可以有效地覆盖300 m以内的终端设备。

4) 工作频段免费。国际规定的工作频段有3个： 全球标准2.4 GHz；欧洲标准868 MHz；美国标准915 MHz。

5) 安全性高。采用了国际上最先进的加密算法AES-128，保证了数据的安全可靠性。

6) 时延短。搜索设备的时延大概30 ms,休眠激活的时延15 ms,所以特别适用于实时的数据通信。

7) 供电方式简单。采用油井远程终端设备(RTU)中引出的12 V直流电源供电，有效地延长了使用寿命。

2 通信方式对比

目前油田常用的通信技术包括有线通信和无线通信两种方式，其中有线通信包括光缆、同轴电缆、双绞线等；无线通信方式包括无线数传电台，GPRS，Micwell，WiFi-Mesh等，由不同的通信介质构成的通信方式各有不同的适用性，各种传输方式技术指标对比见表1所列。

由于该油田地理条件较差，很多盲区无GPRS信号的覆盖，所以光纤和GPRS等传统的传输方式无论是从可行性还是从成本上来讲都不宜采纳。Zigbee无线通信技术相比其他传输方式，具有成本低廉、安装维护简单、组网结构灵活以及较宽的传输带宽等特点，特别适合该油田油井多而集中、地理环境简单且无建筑物阻隔的场合。同时Zigbee无线通信技术的公共频段目前尚没有使用费，一定程度上节约了后期的使用费。

3 系统设计

Zigbee无线通信技术的组网方式是以1个协调器为中心，对应终端多达10个。虽然每个终端传输距离在300 m以内，但各个模块之间可实现传输接力，理论上能实现大规模的无线蜂窝式通信。同时Zigbee无线通信技术是多通道通信，当其中某个设备发生故障不能组网运行时，可绕过该设备自行寻找周围其他设备进行数据传递，所以即使小区域设备发生问题，链路层也不会就此中断。

油田自动化数据流向如图2所示。油井RTU将示功仪、温变、压变等各类传感器收集到的载荷、冲程、冲次、压力、温度、液位、流量、电流、电压等生产数据参数，处理后经RS-232接口传输到Zigbee 终端，各个终端的数据再汇总到中心节点。

图2 数据流向示意

为了保证整个通信信道的通畅，Zigbee无线通信技术仅负责每口单井与协调器之间点对点的通信，即油井之间近距离通信部分,不负责数据的处理和储存。所有协调器的数据汇总后由另外一种远距离传输方式——Micwell传输至中心控制室进行动态显示，这样可最大限度地保证数据通信的可靠性,防止单种通信方式的瘫痪，也有利于出现问题后及时地排查。整个生产系统的重要参数纳入了自动化监控系统，实现了对数据的实时分析，可随时对各井站的历史数据及功图进行查询浏览。

软件设计采用C语言或VB等高级语言编制。同时与上位机人机交互软件Intouch9.5进行对接。整个程序包括系统初始、数据传输、校验、接收等步骤。波特率设置为9 600 bit/s，将软件编排好的数据帧头、帧尾再加上经CRC校验过的验证码后以字符串形式传输到协调器，经调制解调器重新还原，先检验帧头、帧尾以及验证码是否一致，如果一致则该次数据有效，向终端发送成功信息，否则作为无效数据舍弃，等待下一个发送周期的数据。对于有效数据中字符串不全或中断的情况，软件全部将所缺信息补零，从而解释了示功图测量中偶尔会有一段载荷为零的直线出现的问题。

表1 多种传输方式的技术指标对比

4 现场试验结果

应用Zigbee无线通信技术后，笔者选择了该油田的3号井和3-12号井进行了连续5 d现场测试，通信成功率见表2所列。

测试结果表明： 通信成功率总体在96%以上，在允许的误差范围之内。

表2 Zigbee无线通信技术应用测试成功率数据 %

5 结束语

文中采用Zigbee与Micwell技术相结合的无线传输方式的设计思想是可行的、正确的，但是该种方法也存在一定的难点和缺点：

1) 要求通信节点之间可视，尽量不要有障碍物遮挡，因而仅适用于地处边远、地理条件简单的油田，对华北油田冀中地区采油厂就不适应。可以通过加高协调器或者加大协调器的功率加以弥补。

2) 高寒油田冬夏两季昼夜温差大，要求设备有较强的宽温性，同时对供电的电线电缆在低温下抗老化也要求较高。

3) 目前，Zigbee的网段尚属于公共网段，不需要多余的费用，但尚需与地方政府无线电委员会或相关管理部门进行沟通协调，防止出现与其他军用或民用网段串频的现象。

参考文献：

[1] 王欢,郭亮.Zigbee技术在安塞油田数字化井场的应用[J].油气田地面工程，2012,31(01)： 51-52.

[2] 张洪.基于Zigbee技术的动力发动机数据远程采集系统[J].油气田地面工程,2011,30(07)： 50-52.

[3] 管峰,李振林,陈陆建.基于Zigbee的油田无线数据采集传输仪的设计[J].自动化与仪器仪表 ，2012(03)： 54-55.

[4] 李中豪.基于Zigbee的油井无线数据采集系统的设计[J].电子设计工程,2011,19(06)： 110-112.

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