zigbee無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——加快油田數(shù)字化油田建設(shè)步伐

王雪松，王禎元，杜 偉

1.大港油田采油二廠工藝研究所，河北滄州 061103

2.大港油田采油二廠工藝研究所，河北滄州 061103

3.中石化勝利油田東辛采油廠工藝研究所注水室，山東東營 257000

1 ZigBee 技術(shù)概述

Zigbee 是一種采用IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通訊技術(shù)，該技術(shù)共包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、安全層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等5 部分的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，最重要的是在應(yīng)用層中用戶可以根據(jù)自身的實際應(yīng)用需要，對其自行開發(fā)利用，故而該技術(shù)的實用性非常強。

根據(jù)IEEE802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，zigbee 技術(shù)擁有869MHz，915MHz 和2.4GHz 三個工作頻段，其中2.4GHz 頻段上分為16 個信道，在該通訊頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)250Kb/s，并且全球免費、免申請使用，目前已在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、過程控制等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。

2 ZigBee 技術(shù)特點

Zigbee 是一種致力于低數(shù)據(jù)傳輸率的通訊技術(shù)，相比WIFI、光纖數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有成本低、低功耗、實用性強等特點，在工業(yè)生產(chǎn)的過程控制、乃至煤礦、樓宇自動化等方面取得了應(yīng)用成效，其技術(shù)特點如下：

1）低數(shù)據(jù)傳輸帶寬

Zigbee 網(wǎng)絡(luò)信道的寬度一般在10Kbs～250Kbs 之間，主要原因在于應(yīng)用該技術(shù)的傳感器僅傳輸壓力、溫度、濕度、流量等簡單數(shù)據(jù)，不需要太大的傳輸帶寬。

2）功耗低

受數(shù)據(jù)傳輸量小的影響，zigbee 信號的收發(fā)時間非常短暫，而且采用休眠模式，通常情況下電池可供zigbee 傳輸設(shè)備正常工作6 個月以上。

3）數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee 的介質(zhì)鏈路層采用CSMA－CA 碰撞避免機制。在該數(shù)據(jù)傳輸機制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送方將等待數(shù)據(jù)接收方的確認(rèn)信息，否則就會再發(fā)送一次數(shù)據(jù)，這樣就提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4）網(wǎng)絡(luò)容量大

Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以支持大約65000 個zigbee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具體來說就是zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為全功能器件，下接收65000 個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（通常是簡化功能器件）。在此基礎(chǔ)上，如果有多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器互聯(lián)，將形成一個十分龐大的zigbee 網(wǎng)絡(luò)。

5）安全性

Zigbee 在數(shù)據(jù)傳輸中提供三級安全模式。第一級為無安全模式，應(yīng)用在數(shù)據(jù)安全重要性不高的傳輸設(shè)備上；第二級采用接人控制清單（ACL）防止非法設(shè)備對數(shù)據(jù)的竊??；第三級安全模式在數(shù)據(jù)傳輸過程中采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)的對稱密碼，可以達(dá)到保護(hù)數(shù)據(jù)和防止非法設(shè)備冒充合法設(shè)備的目的。

此外，zigbee 還具有自組網(wǎng)性、兼容性等特點。

3 Zigbee 技術(shù)在采油二廠的應(yīng)用

2012 年初，大港油田采油二廠實施了基于Zigbee 通訊技術(shù)油水井生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)技術(shù)升級項目，在王徐莊油田、羊二莊油田總計229 口油井、124 口水井安裝了Zigbee 單井信息采集傳輸設(shè)備，并建立15 個Zigbee 傳輸基站、7 個中繼站。該系統(tǒng)運行8 個月以來，運行平穩(wěn)高效。

1）數(shù)據(jù)上傳率達(dá)到了100%；

2）數(shù)據(jù)傳輸?shù)难訒r率不大于4min；

3）井口采集數(shù)據(jù)的丟包率小于1%；

4）油井傳輸時間為20min/次，水井傳輸為1h/次；

5）井口設(shè)備安裝后運行故障率小于2%/天。

5 油水井及站庫數(shù)據(jù)設(shè)備采集傳輸現(xiàn)狀

通過生產(chǎn)現(xiàn)場安裝的壓力、溫度、流量、液位等儀表，實現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集。

1）油井通過現(xiàn)場安裝的壓力變送器、載荷變送器、轉(zhuǎn)速變送器實現(xiàn)對現(xiàn)場壓力、載荷、轉(zhuǎn)速生產(chǎn)參數(shù)的采集；

2）水井通過壓力變送器、流量計采集現(xiàn)場的油套壓力及流量，并利用現(xiàn)場安裝的太陽能控制柜，對智能流量控制器的控制，實現(xiàn)對注水量的自動調(diào)節(jié)；

井別壓力變送器載荷變送器轉(zhuǎn)速變送器 RTU 采集柜智能流量控制器配套流量計抽油機井 436 個 218 個218 個電泵井 69 個23 個螺桿泵井 28 個14 個14 個注水井 232 個116 個（帶太陽能電池板） 124 套

3）站庫是通過現(xiàn)場安裝的壓力變送器、溫度變送器、流量計、液位計等設(shè)備采集泵的壓力、加熱爐的溫度、注水的流量、儲液罐的液位等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

流量計（臺）莊一混輸站9 4 1莊二混輸站4 2 1注聚站1 3 4友誼站10 4 6歧十五站7 4歧十八站5 55 2 4廣源輕烴廠4 4 3東方輕烴廠17 16 5南一聯(lián)合站31 5 9 6莊一聯(lián)合站33 7 11 6站名壓力變送器（塊）溫度變送器（塊）液位計（臺）

6 油水井及站庫數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)狀

1）油水井通過RS485 線將現(xiàn)場采集到的生產(chǎn)參數(shù)傳至RTU，運用GPRS 或Zigbee 方式，通過油田公司網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入后臺服務(wù)器進(jìn)行邏輯運算及處理；

2）接轉(zhuǎn)站通過PLC 完成現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集，并通過與邏輯運算完成數(shù)據(jù)的分析與處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。目前,莊一混輸站、莊二混輸站、注聚站、友誼站、歧十一站、歧十八站、濱海一區(qū)均裝有PLC 系統(tǒng)；

3）聯(lián)合站包括南一聯(lián)合站和莊一聯(lián)合站，南一聯(lián)合站通過I/O 總線將數(shù)據(jù)傳至PLC，而莊一聯(lián)是通過485 線將數(shù)據(jù)傳至PLC,通過邏輯運算完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析與處理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。

7 存在問題

1）有線傳輸模式施工需要現(xiàn)場挖溝布線，甚至對站庫原有道路設(shè)施造成損壞，實施麻煩，而且發(fā)生費用較高；

2）站庫改造過程當(dāng)中，極易對有線傳輸線纜造成損壞，影響站庫生產(chǎn)信息的正常傳輸，且發(fā)生一定的維護(hù)費用；

3）有線傳輸線纜損壞后，斷點、短接點尋找比較麻煩，故障修復(fù)較復(fù)雜；

4）站庫當(dāng)中所采集到的壓力、溫度、流量、液位等數(shù)據(jù)信號量非常小，有線傳輸線纜利用率較低。

8 Zigbee 技術(shù)在油水井及站庫的推廣

8.1 油水井方面

油井的載荷傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器加裝zigbee通訊模塊，實現(xiàn)載荷、壓力、轉(zhuǎn)速的zigbee 傳輸。

8.2 站庫方面

1）站庫內(nèi)壓變、溫變、流量計、液位計等數(shù)據(jù)采集設(shè)備加裝zigbee 通訊模塊，而且在泵房等信噪比較高的地方加裝增強型zigbee 通訊模塊，提高zigbee 信號強度及傳輸穩(wěn)定性；

2）站庫內(nèi)PLC 控制設(shè)備加裝zigbee-RS485 通信轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)PLC 控制系統(tǒng)對zigbee 信號的采集與處理。

9 預(yù)期效果

1）整體上實現(xiàn)油水井、站庫生產(chǎn)信息采集傳輸設(shè)備的無線傳輸；

2）實現(xiàn)zigbee 無線傳輸后，站庫改造不影響生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，且不發(fā)生線纜修復(fù)的費用；

3）當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生故障后，易于維修，且費用低廉。