油田物联网WIA-PA无线通信技术的试验应用

刘喜文

(大庆油田油田有限责任公司 第九采油厂，黑龙江 大庆 163000)

某油田分布范围广、油水井分散、地域环境复杂，油、水井场无法实现有线通信，根据不同的地面条件选择安全、稳定、准确的无线通信技术成为了物联网建设的重中之重。无线通信技术在该油田应用中面临强遮挡、深衰落、数量多、温差大等问题，需要无线通信设备具有少基站、自组网、功耗低、耐低温等特点。

1 油田WIA-PA现场试验

1.1 WIA-PA无线通信技术

WIA-PA(wireless network for industrial automation—process/factory automation)是一种专门面向工业过程自动化的工业无线网络技术标准，基于IEEE802.15.4标准，通信速率为250 Kibit/s，频段为2.4 GHz，支持星型、网状及星型网状混合网，支持自适应调频技术、冗余路由技术、自组织修复网络，其特点包括近距离、低功耗、低数据率、时分复用、高时间同步精度等。

选用WIA-PA标准的无线网关和无线仪表设备包括： 无线压力变送器、无线示功图仪、三相电参采集器、WIA-PA无线网关和WIA-PA无线中继器等设备。

1.2 现场试验

1.2.1试验井的优选

为了检验WIA-PA无线技术的抗干扰能力、组网及传输能力，在采油队各个方向共优选15口井进行现场试验，其中林带环绕井1口，低洼、遮挡严重井3口，平台井3口，偏远井3口，普通井5口。WIA-PA网关设在采油队队部，以该网关为中心，接收自组网试验井数据，最远井距该网关2.2 km。试验井井位分布如图1所示。

图1 试验井井位分布示意

1.2.2WIA-PA无线技术传输能力及组网测试

WIA-PA无线技术传输能力及组网测试内容如下：

1)无障碍点对点传输能力测试。在现场空旷环境将WIA-PA无线仪表与远程终端单元(RTU)(天线高度2 m)点对点通信，在距RTU不同距离测试无线仪表信号强度，确定两种无线技术实际点对点极限传输距离。

2)无障碍组网能力测试。对正常跳转井进行人为断电干预，测试组网效果。

3)有障碍组网能力测试。在树林遮挡环境下，通过选择4口中继井测试穿透与绕行能力。

1.2.3无线仪表高低温环境的电池性能测试

无线仪表高低温环境的电池性能测试内容如下：

1)仪表休眠状态下电池空载性能测试。在室外和室内不同温度下，测试无线仪表的内置锂电池的电压变化。

2)仪表工作状态下电池负载性能测试。在室外和室内不同温度下，将电池连接玩具车马达模拟电池持续工作状态，测试电池负载电压变化。

1.2.4测试WIA-PA无线通信数据的准确性

以标准表作为比对仪器，验证WIA-PA无线仪表测量数据的准确性，测试内容有油压、示功图(载荷、位移)及三相电参等数据。无线示功仪与标准示功仪同时负载并记录数据；无线压力表与机械压力表在同一油压口取压，记录数据；钳形电流表、万用表与电参控制器同位置测量，记录数据。

1.3 试验结果与讨论

1.3.1WIA-PA无线技术传输能力及组网测试

1.3.1.1无障碍点对点传输能力测试

WIA-PA模块信号发射功率共五档可调，分别为20 dBm，16 dBm ，14 dBm ，10 dBm 8 dBm，不同的发射功率传输距离不同。无线信号在自由空间(真空、无遮挡空间)损耗公式如式(1)所示：

Los=32.44+20lgf+20lgD

(1)

式中：Los——传输损耗，dB；f——工作频率，MHz；D——距离，km。

由式(1)可知，Los(或衰减)只与f和D有关。根据公式： 接收信号功率=信号发射功率-Los，计算出接收信号功率。

由于信号损耗会受空气等介质影响，为测试该技术实际工况下极限传输距离，在现场空旷环境将WIA-PA无线仪表与RTU(天线高度2 m)点对点通信(天气晴朗，温度25 ℃)。WIA-PA无线通信技术点对点理论与实际传输距离对比见表1所列。

表1 WIA-PA无线通信技术理论与实际传输距离对比

经测试，WIA-PA无线通信技术点对点实际极限传输距离为1 480 m(20 dBm)。如遇雨天或树林建筑遮挡，传输距离会进一步缩小。

1.3.1.2无障碍组网能力测试

选择距网关2.2 km偏远空旷的P井进行测试，正常情况下，该井信号通过1.34 km处的O井进行跳转，对O井进行人为断电干预后，信号无法通过其他井回传。跳转井分布如图2所示。

图2 跳转井分布示意

在后台分析15口井数据传输路径，距WIA-PA网关1.3 km以内的无障碍井可以实现信号直传，1.3 km以上的井需要跳转回传，此次试验最多可进行3跳。

WIA-PA信号传输路径见表2所列(随机抽查)。

表2 WIA-PA信号传输路径(随机一次抽查)

1.3.1.3有障碍组网能力测试

对茂密林带遮挡、数据无法回传的A井，试验就近选择中继井(安装中继器) ，通过定向天线实现信号跳转，进入WIA-PA自建网络进行数据回传。中继井选择如图3所示。

图3 中继井选择示意

Z井离A井370 m，穿过200 m林带后信号衰减严重，无法接收数据；C井距A井400 m，林带厚度100 m，接收数据成功，以此为中继组网外传。因此，在遮挡环境下，需根据实测选择合适中继井定向传输。遮挡环境下定向组网如图4所示。

图4 遮挡环境下定向组网示意

1.3.2WIA-PA无线仪表的电池性能

WIA-PA仪表均采用锂-亚硫酰氯(Li/SOCl2)电池供电，正常工作电压为3.6 V，电池容量为19 A·h，电能为68.4 W·h。

1.3.2.1高低温空载电压测试

由于无线仪表大部分时间处于休眠状态，且休眠时功耗极低(微安级)，相当于电池空载，所以测试锂-亚硫酰氯电池在不同环境温度下的空载电压，结果见表3所列，不同温度下空载的锂-亚硫酰氯电池电压递减幅度变化不大。

表3 锂-亚硫酰氯电池空载电压测试数据

1.3.2.2高低温负载电压及耗电测试

为模拟仪表连续工作状态，将锂-亚硫酰氯电池分别置于暖气和冰箱内，连接玩具车马达，马达工作电流为1.18 A，使其运转直到电量耗尽，记录用时。期间每小时测量一次负载电压，在高温和常温环境下马达连续运行约15 h，低温环境仅运行约13 h，电池性能受低温影响较大。电池负载电压测试数据见表4所列。

表4 高低温锂-亚硫酰氯电池负载电压测试数据

1.3.3WIA-PA仪表数据准确性的测量

将现场测试数据与同时刻后台数据进行比对，WIA-PA仪表所测数据误差率均在±5%以内，所有试验井平均测试数据见表5所列。

表5 所有试验井平均测试数据

2 试验结论

通过对WIA-PA无线通信技术测试后，得出如下结论：

1)WIA-PA无线通信技术在无障碍时传输距离较远，点对点无障碍传输距离为1.4 km以上，通过路由功能可实现6跳回传；传输距离可达6～8 km(半径)，其自组网特性也无需依赖第三方网络。

2)当有障碍时，在牺牲一定传输距离的情况下，WIA-PA无线通信设备可以穿过宽度为100 m的林带。

3)无线仪表休眠时，电池性能(空载电压)基本不受温度影响。工作时电池性能(负载电压、电池续航)会受低温影响。

4)WIA-PA和ZigBee无线仪表测量数据准确性均较高，平均误差在±5%以内，满足油田生产的需要。

3 结束语

通过两年多来的运行，WIA-PA无线通信技术可以满足油田站外数据采集和有效传输，通过脉式自建网络，较高质量地保证了数据传输可靠性，是未来油田物联网建设的一个方向。此外，经过了一个冬季的考验，高低温环境下电池续航能力可满足无线仪表供电需求。