基于ZigBee的油井載荷監測系統設計

孫耀杰+馬曉崢+左兆輝

摘 要： 闡明了在油井作業過程中油桿載荷測量的必要性，并針對一般油田地區環境的特殊性，提出了采用基于ZigBee技術的無線監控系統，既解決了復雜的現場布線、地理環境干擾、組網困難、擴展性差等問題，又實現了低功耗、低成本的遠程無線監控，這對油井抽油桿的故障判斷和油田的高效生產管理有著重要意義。

關鍵詞： 油井； 載荷監測； ZigBee； 無線監控

中圖分類號： TN911?34； TP29 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0094?03

Design of the ZigBee?based load monitoring system for oil well

SUN Yao?jie， MA Xiao?zheng， ZUO Zhao?hui

（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401， China）

Abstract： The necessity of load measurements of the sucker rod in the operating process of oil wells is expounded. A wireless monitoring system based on ZigBee technology is designed for the particular environment of the general oilfield region. The system solved many problems， such as complex field wiring， geographical environment interference， difficult networking and poor scalability. It also can realize the remote wireless monitoring with low power consumption and low cost， which has important significance to the judgment of the sucker rod failure and efficient production management of oilfield.

Keywords： oil well； load measurement； ZigBee； wireless monitoring system

0 引 言

在抽油機采油過程中，抽油桿要承受液柱的重力、慣性載荷、摩擦力等沿軸向的拉伸或拉壓交變載荷[1]，如果這些載荷超出抽油桿的承受范圍，油桿很容易脫斷失效，這將大大增加油井的生產難度，進而影響生產進度。因此對油井抽油桿載荷數據進行采集并分析，能夠做到有備無患。并且到油田開發中后期，油井產能降低，產出液含水量或雜質量較高，這時根據采集的載荷數據繪成的示功圖將能夠直觀反映出這些問題。這對油井的安全、高效生產有重要意義。

ZigBee技術[2]目標是讓低成本終端能夠通過免費頻段進行低數據率數據通信和無線網絡組建。其性能優勢主要有：采用AES?128加密算法，三級安全模式保障數據通信安全；采用碰撞避免機制，為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突，通信穩定性高；網絡容量大，一個 ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個網絡，組網靈活，擴展性好。

1 系統方案

本系統采用CC2530F256作為核心處理器來實現大范圍油井載荷數據的采集和傳輸。系統結構框圖如圖1所示，其中，從安裝有ZigBee終端節點的油井處采集載荷數據，通過ZigBee路由節點和協調器節點中轉傳輸數據，最終將數據匯報到監控中心。然后PC對接收到的數據進行處理，以直觀簡潔的方式讓工作人員來判斷油井的工作狀況。同樣的，監控中心可以發送控制指令，通過協調器路由節點判斷終端路徑，最終控制對應終端抽油機的啟停。這樣既能提高油田的生產效率，節約能源，又能保證現場的生產安全，有效減少事故的發生。

在ZigBee無線傳感網絡中，根據節點所具有的網絡功能，ZigBee節點可分為協調器節點、路由器節點和終端節點三種。協調器節點是整個網絡的中心節點，在整個網絡中必須惟一，負責新建網絡的發起、參數設定、存儲節點信息、管理其他節點等工作；路由器節點需要一直處于活動狀態，受協調器節點控制，在自己區域范圍內它可充當協調器，主要完成路由發現、消息轉發、通過其他節點擴展網絡覆蓋范圍等功能；終端節點沒有特定的維持網絡結構的責任，可以通過路由器或協調器節點加入網絡，負責收集終端采集的數據，可以處于睡眠或者喚醒狀態。

圖1 油井系統結構框圖

2 系統硬件設計

系統的終端設備由傳感器模塊、處理器模塊、無線傳輸模塊、電源模塊等組成，如圖2所示。

圖2 終端模塊框圖

當油井的抽油機工作時，負荷傳感器供電工作，輸出0～12 mV的差分電壓，將其接入A/D轉換器，增益128倍后轉換成數字信號，再與處理器的通用I/O口相連接，信息經過處理后，最終通過無線射頻傳送到路由或協調器。

負荷傳感器采用的是宇航的YHYT?DZ型油田負荷傳感器，只需將其安裝在抽油機的平衡鐵上，方便簡單，不存在安全問題。傳感器的原理為橋式電路，故輸出為差分電壓。A/D轉換電路芯片采用的HX711。HX711[3] 是一款專為高精度負載傳感器而設計的24位A/D轉換器芯片。它集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點，并且它與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅動，無需對芯片內部的寄存器進行編程。

目前，無線傳感器節點處理器模塊中一般采用TI公司的CC2430/CC2530系列芯片。由于第1代CC2430存在通信距離短、可靠性不強等缺點，所以采用第2代片上系統CC2530，它比第l代CC2430改進了射頻RF收發器的性能，集成了一個8051微處理器，能夠很好地匹配RF前端。CC2530F256結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧（Z?Stack（TM）），具有256 KB的閃存，提供了一個強大完整的ZigBee解決方案。相比之前的協議棧，它具有更好的互操作性、節點密度管理和數據負荷管理等優點，并且支持網狀拓撲結構，具有低功耗的特點，這使得CC2530芯片設計的傳感節點通信距離更遠，網絡更加穩定可靠。

無線傳感節點配置了電池插槽，可由2節1.5 V干電池供電，也可由外部供電，通過電壓轉換電路將外部輸入5 V電壓轉換為MCU工作電壓3.3 V。面板上安裝有LED指示燈，在上面設置開關，只在調試過程中使用，在應用中即斷開開關，以節省能耗。系統還通過一系列繼電器作為抽油機開關，當協調器接收到監控中心發送的控制命令時，會根據命令內容將控制信號發送到相應的終端，用以控制油井抽油機的啟停。

3 系統軟件設計

3.1 ZigBee網絡拓撲結構

ZigBee網絡主要支持三種網絡拓撲結構[4?5]，星型、樹型、網狀結構。對于油田應用而言，大多傳感器節點只是簡單地跟協調器和路由器進行通信，發送或接收命令并執行相應的操作，一般不需要移動。因此，在進行網絡設計時，網絡拓撲結構不需要太復雜，這里采用樹狀拓撲結構。樹狀網絡由一個協調器和一個或多個星狀結構連接而成，設備除了能與自己的父節點或子節點進行點對點直接通信外，其他只能通過樹狀路由完成消息傳輸。ZigBee執行用于AODV 專用網絡的路由協議，使網絡有能力解決移動節點連接失敗和數據包丟失等問題。

3.2 ZigBee 終端節點

本系統終端節點采用TI公司的Z?STACK協議棧，使用專業嵌入式開發工具IAR Embedded Workbench進行軟件程序開發，使用C語言進行數據采集、數據傳輸、網絡加入、系統休眠等功能的開發。在調試過程中，當終端節點成功加入網絡后，設置LED燈會快速閃爍；數據發送成功或者終端接收到數據時，LED燈亦會閃爍。

ZigBee終端節點不執行任何路由功能。終端節點要向任何一個設備傳送數據包，它只需簡單的將數據向上發送給它的父節點，由它的父節點以它自己的名義執行路由；同樣的，任何一個設備要給終端節點發送數據，發起路由尋找，終端節點的父節點都以它的名義來回應。本系統設定當協調器接收到監控中心發送的查詢或控制命令時，會根據命令內容將消息發送到相應的終端，終端最后做出回應，以實現監控中心實時獲取現場數據或者控制油井抽油機啟停的功能。在沒有收到指令的情況下，終端設備每隔30 min向監控中心發送一組油桿運動一周期的載荷數據，在監控中心存儲，以備數據查詢和發現、解決問題，其余時間終端處于休眠狀態，減少能量的消耗。終端節點工作流程如圖3所示。

圖3 終端節點流程圖

對于距離比較遠的油井，可以與CC2591配合，因協調器和路由器節點中間沒有其他網絡，不需路由節點進行路由選擇，因此采用大功率中繼完成數據包的透傳，提高輸出功率，增加接收器靈敏度。加大中繼發射功率后，傳輸距離可達 2 km，滿足油田的應用要求。

3.3 遠程監控中心

監控中心PC機通過串口與協調器進行通信，通過輪詢各 ZigBee 網絡內的節點獲取各油井的數據，并通過向協調器發送控制命令實現對各油井電機的控制。當監控中心想要調取實時的現場數據時，可以給協調器發送指令，喚醒對應的處于睡眠狀態的終端節點，然后將采集數據回傳到監控中心。

現場監控平臺采用微軟Visual Studio 2005集成開發環境和 SQL 數據庫管理軟件[6]編寫，當ZigBee 局域網的數據匯集到協調器，通過串口連接到PC上后，PC通過服務器和數據庫系統對數據進行分析處理并存儲，以示功圖[7?8]的形式展示給管理人員，使他們可以隨時了解各油井的工作狀況。

4 結 語

本系統設計可行性較高，實現了信號可控增益調整的功能，提高了載荷測量精度，達到了油井示功圖的要求，具有很高的可靠性。同時有效解決了有線監測網絡存在的連線繁瑣、故障高、可擴展性差等問題，具有通信靈活、組網快、功耗低、投資成本少等優點。系統設計了遠程控制抽油機啟停的功能，井口油壓實現了在線監測，由傳統的靠經驗和人工查巡的被動模式轉變為智能管理、電子巡井、自動控制的主動方式，實現了生產管理的數字化、智能化，推動了油田向現代化管理轉型。

在本設計的基礎上還可以進一步建立抽油系統井下工況診斷的物元模型[9]，對示功圖圖形所反映的井下的不同故障工況進行定量的解釋與定性的分析，如出現異常則可自行報警，深化油田監控的智能化管理。

參考文獻

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[5] HEILE B. Wireless control that simply works [EB/OL]. [2007?[06?18]. http：//www.zigbee.org/zigbee/en/events/documents/May?][2007_Open_House_Presentations/01C_Overview_of_the_Allian?][ce_Heile.pdf.]

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[9] 李琨.有桿泵抽油系統井下工況診斷的物元分析方法[J].東北大學學報，2013（5）：613?617.