基于ZigBee技術(shù)的油田油井無線監(jiān)控方案
一、 前言
我們知道油井是油田最小的生產(chǎn)單位，大大小小的油田是由這些成百上千，相距幾十米到幾百公里的油井組成。即時掌握油井的各種參數(shù)，了解油井的運行情況，對油田安全高效的生產(chǎn)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的采用人工采集這些數(shù)據(jù)，效率低，不能準(zhǔn)確及時，并對工作人員的安全構(gòu)成極大威脅。
基于802.15.4/ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油井監(jiān)測系統(tǒng)，采用大量傳感器無線組網(wǎng)傳輸?shù)姆绞?，完全擯棄了傳統(tǒng)的單一使用有線、數(shù)字電臺監(jiān)控油井的方法。使設(shè)備費用投入大及運營成本高，維護難度大的問題得到徹底的解決。大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，施工方便，并實現(xiàn)油井井場內(nèi)無線化。
一、 項目分析
2．1 系統(tǒng)組成
2．1．1 終端數(shù)據(jù)采集器
油井工作狀態(tài)傳感器主要有溫度傳感器，電壓傳感器，電機電流傳感器，被監(jiān)控開關(guān)斷/合傳感器，載荷傳感器、角位移傳感器（或脈沖發(fā)生器）、監(jiān)控器、電參量傳感器等，它們將油井的工作狀態(tài)變換成對應(yīng)的電壓或電流值通過ZigBee通信模塊送至采油場監(jiān)控中心。
2．1．2 無線通訊設(shè)備
由于油田的磕頭機本身結(jié)構(gòu)設(shè)計相對嚴(yán)緊，如果采用有線來傳輸線數(shù)據(jù)的話，那將對磕頭機的正常工作帶影響，而布線麻煩。
鑒于采集器的接口和設(shè)備的工作環(huán)境等多種情況的要求，我們選擇廈門四信通訊有限公司的F8914 ZigBee無線終端和F8114帶GPRS的ZigBee無線終端。采用RS-232/485接口、金屬外殼設(shè)計，它具有體積小、功耗低、配置使用簡單、即插即用，安裝方便。
2．1．3 監(jiān)控中心
采油場監(jiān)控中心一般設(shè)置在礦部、隊部或其它監(jiān)控調(diào)度部門，監(jiān)控中心有兩種接入方式，第一種，直接網(wǎng)絡(luò)接入，網(wǎng)絡(luò)接入可以是專張、ADSL、光纖等多種方式；第二種，采用F8914 ZigBee無線終端接入。
2．2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)
根據(jù)油井的分布規(guī)律系統(tǒng)采用ZigBee 技術(shù)和其他無線技術(shù)結(jié)合。由于油井一般是成群分布，單一油井和其他油井相距交遠的情況不多。在井場內(nèi)部和井群內(nèi)部由ZigBee 終端節(jié)點，路由節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點組成一個無線網(wǎng)。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)總架構(gòu)有兩種方式，第一種，中心監(jiān)控端采用有線網(wǎng)絡(luò)接入，然后整個井群的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS /GSM 傳回給監(jiān)控中心，如下圖
第二種，中心監(jiān)控端通過ZigBee接入，終端通過ZigBee無線網(wǎng)傳送給ZigBee中心節(jié)點，再通過中心節(jié)點傳給數(shù)據(jù)中心和使用單位。在數(shù)據(jù)中心或使用單位經(jīng)過對數(shù)據(jù)處理，對油井進行時時監(jiān)測。如下圖:
三、項目架構(gòu)實施方案
3．1 ZigBee終端F8914與與采集終端連接
F8914支持RS232/385通訊接口，可通過RS232/485與采集終端連接。如下圖:
3.2.1有線網(wǎng)絡(luò)接入
1）中心采用APN專線， 所有終端都采用內(nèi)網(wǎng)固定IP，客戶中心通過一條APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡(luò)，在GGSN與移動公司互聯(lián)路由器之間建立GRE隧道。為客戶分配專用的APN，其他的用戶不得申請該APN。只有該專網(wǎng)內(nèi)的SIM卡才能進入該APN，防止其他非法用戶的進入。用戶可以內(nèi)部建立RADIUS服務(wù)器，以保證用戶內(nèi)部安全。用戶在內(nèi)部建立DHCP服務(wù)器（或在APN路由器內(nèi)，啟用DHCP功能），為通過認(rèn)證的用戶分配用戶內(nèi)部地址。
此種方案無論實時性，安全性和穩(wěn)定性較前一種方案都有大大提高，適合于安全性要求較高、數(shù)據(jù)點比較多、實時性要求較高的應(yīng)用環(huán)境。在資金允許的情況下的最佳組網(wǎng)方式。
2）控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的?？蛻粝扰cDNS服務(wù)商聯(lián)系開通動態(tài)域名，IP MODEM先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用。
3）控制中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP服務(wù)的。此種方案先向INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業(yè)務(wù)，中心有公網(wǎng)固定IP的。IP MODEM直接向中心發(fā)起連接。運行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。
3.2.2 ZigBee接入
監(jiān)控中心服務(wù)通過RS232線與中心節(jié)點設(shè)備連接。
1、802.15.4/ZigBee 的無線網(wǎng)絡(luò)，免無線電申請許可；
2、支持星型，樹型，網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最大網(wǎng)絡(luò)連接能辦強，可支持65000個節(jié)點。
3、傳輸模塊采用工業(yè)級設(shè)計，金屬外殼，外接電源DC 12V/500mA；通信電流：<250mA (12V);工作環(huán)境溫度 -25~+65ºC;儲存溫度 -40~+85ºC;相對濕度 95%(無凝結(jié));多重軟硬件看門狗設(shè)計，適用于油井野外工作。
4、ZigBee終端空曠視距離環(huán)境無線通信距離800米。
5、ZigBee通訊不需要任何費，為整個項目節(jié)省大量的費用支出
6、設(shè)備配置操作簡單，易懂，所有模塊能夠完成自組網(wǎng)能力。
7、集成化程度高，技術(shù)成熟，安裝方便。
五、方案總結(jié)
在我國,油井的數(shù)據(jù)采集基本上靠人工完成，無論盛夏酷暑還是冰雪旱天，采油工都必須到現(xiàn)場采集油井示功圖、平衡度、油套壓、油溫及產(chǎn)液量等井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)，工人勞動強度大，且數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠性完全依賴于采油工人的工作責(zé)任心。應(yīng)用油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)對于實現(xiàn)油井管理的自動化、提高工作效率、保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及加強現(xiàn)場事故應(yīng)急處理等都具有非常重要的意義。
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