無線傳感技術在油氣生產物聯網中的應用與發展

吳 軍，滕衛衛，哈麗扎提·鐵木爾，張新政，楊 磊

（新疆油田公司采油二廠，新疆 克拉瑪依 834008）

隨著傳感器技術、通信技術、電子器件技術的發展，低成本、低功耗、多功能的無線傳感設備的大規模開發和廣泛運用成為可能。無線傳感器網絡將眾多同類傳感設備節點布置在一個特定區域內，通過特定協議高效、穩定地自組織起來，協同工作完成某項應用任務。

目前，物聯網技術不斷發展，無線傳感技術在物聯網中應用也不斷發展，中石油“十二五信息規劃”提出的油氣生產物聯網系統建設正是基于物聯網技術的應用，通過物聯網技術，實現油氣田井區、計量間、集輸站、聯合站、處理廠生產數據、設備狀態信息在采油采氣廠生產指揮中心及生產控制中心集中管理和控制的系統。因此，無線傳感技術和其產品設備在油氣生產物聯網領域也得到廣泛的應用與發展。

1 無線傳感關鍵技術

1.1 無線傳感網絡組成

無線傳感由數據獲取、數據分布網絡和后臺管理控制三部分組成。其中最重要的網絡節點集成了各種信號的傳感器、數據處理控制單元、通信模塊、電源模塊；廣泛分布的傳感設備通過網絡協議組成一個有效的網絡系統，將各種需求數據通過無線通信模塊傳送到后臺的管理控制系統。無線傳感設備的電源是其面對的重要問題，一般都采用電池供電，電量有限，相關器件如無線收發模塊、微處理器等能耗要盡量小。同時，為了節能，其還應具有節能模式如休眠、等待等，以便系統在沒有任務的情況下保持低能耗。這些功能由操作系統集成，現在常采用嵌入式操作系統，特點是功能簡單、內核小、占用的資源少；采用模塊化結構，可配置、裁剪，大大降低系統功耗。無線傳感網絡及設備架構如圖1所示。

圖1 無線傳感網絡及設備構成

1.2 通訊和網絡協議

無線傳感網絡中各個傳感設備要進行信息傳輸，通常采用無線射頻的方式進行連接。無線傳感網絡的堆棧結構和常見的TCP/IP網絡的體系結構大體相同，分為五層，依次是物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和運用層。由于無線傳感網絡的特點，每一層面都在開展各種研究，為簡化協議層次，提高系統工作效率，研究人員利用跨層的方式進行網絡協議設計，把MAC層的控制和底層信號控制相結合，來提高系統的效率，降低能耗。網絡協議棧的結構如圖2所示。

圖2 無線傳感網絡的分層結構

2 無線傳感技術研究與應用

2.1 油氣生產物聯網技術框架

以新疆油田采油二廠油氣生產物聯網系統建設為例，介紹無線傳感技術和其產品的研究與應用。系統功能設計要滿足采油廠日常生產高效、穩定運行，生產過程管理、監控，以及設備管理等要求。針對系統功能要求，以及物聯網三層架構，油氣生產物聯網系統總體架構也分為三層系統：數據采集與控制子系統（感知層）、數據傳輸子系統（網絡層）、生產管理子系統（應用層）。

無線傳感設備主要應用于數據采集與控制子系統，通過傳感器、射頻識別、RTU等設備實現生產對象的實時數據采集、存儲、處理，以及生產過程自動監測和控制。采集對象主要包括單井、計量間。油氣生產物聯網系統體系架構及采集參數如圖3所示。

圖3 油氣生產物聯網系統架構及采集參數設備

2.2 無線傳感設備技術與性能對比

采油二廠油氣生產物聯網系統建設主要以井、計量間為主，有3000個點左右，點多面廣、分布不均。從施工難易度、周期、安裝成本、后期運維等多方面綜合考慮，現場主要采用無線傳感器設備，有效降低設備安裝成本，安裝和維護方便、操作靈活、工作效率顯著提高。

為了從數據不同采集模式、傳輸方式及采集設備安裝模式等方面，進行無線和有線傳感設備的技術和實際應用效果對比，選取少部分油井，采用有線傳感器設備。經過幾個月測試運行，不同類型的傳感器設備具有不同優缺點，具體性能對比如表1所示。

表1 無線和有線傳感器設備性能對比

2.3 低功耗無線傳感組網技術

為保證無線傳感設備長期穩定運行，要盡量降低系統功耗，要求硬件采用低功耗芯片、周期休眠等技術，嵌入式操作系統也應進行低功耗設計。

（1）器件低功耗：選擇CPU、Flash、低頻和射頻放大器、無線收發、射頻開關等低功耗器件，從基礎上降低功耗上限。

（2）通信低功耗：使用高精度時間同步算法，提高時隙對齊程度，實現更短的時隙及更高程度的休眠，有效增加休眠時間，降低終端功耗。

（3）軟件低功耗：把嵌入式操作系統設計成多個事件處理。系統上電初始化時，主程序只進行系統的初始化，完成后進入低功耗狀態。當外設發生事件，中斷信號，CPU退出節電狀態進入事件處理，處理完成后繼續進入節電狀態，降低CPU功耗。

2.4 無線傳感網絡技術架構

新疆油田公司采油二廠油氣生產物聯網系統的無線傳感網絡通信分為單井和多井無線傳感通信。單井通信模式主要用于井距較大的、地理環境較差的或井口有視頻采集的油水井。多井通信模式主要用于在固定區域內井距較近的油水井。兩種通信模式如圖4所示。通過兩種通信模式結合設計，3000余口油水井只采用了2000個左右的RTU，節約了近33%的投資費用。

圖4 單井和多井通信模式示意

（1）單井通信模式：無線傳感器設備→井口控制器(RTU)→中心控制室的數據流為單井通信。無線傳感器設備為傳感網絡中的節點，如無線示功儀、無線壓力、無線電參等儀表。設備平時處于休眠狀態，定時喚醒采集數據后發送到RTU。RTU為井口數據采集、處理、控制設備，可通過通信設備上傳處理結果，并接收中心控制室指令控制現場。

（2）多井通信模式：無線傳感器設備→井口控制單元（井口路由單元）→多井集聯中繼器（RTU）→中心控制室的數據流為多井集聯通信模式。多井集聯通信模式說明如下。第一，井口控制單元直傳模式：每個井口控制單元直接與將多井集聯中繼器（RTU）連接，再由多井集聯中繼器（RTU）將數據上傳到中心控制室。第二，多井集聯路由跳轉模式：1#井控制單元至n#井口控制單元與多井集聯中繼器（RTU）直接通信，而2#井控制單元與多井集聯中繼器（RTU）之間有阻擋或本控制單元故障，不能直接通信，但2#井設備通過ZigBee Pro或WIA協議的路由功能，其數據通過1#井設備路由，上傳到多井集聯中繼器（RTU）中。

2.5 無線傳感設備與RTU控制單元通信

油井無線傳感設備與井口RTU控制單元之間的通信具有常規數據采集、儀表參數讀取、功圖數據采集以及電量圖數據采集。無線傳感設備采用休眠→喚醒→發送數據→接收命令→執行→休眠的方式。各類數據采集通信時序如圖5所示。

圖5 傳感設備與RTU通信時序

隨著物聯網技術、無線傳感技術、網絡通信技術的不斷發展，無線傳感設備具有應用特異化的特點，針對工業、軍事、醫療、智能家居等不同應用領域，其實現技術完全不同，而工業無線傳感器網絡滿足工業應用高可靠、低能耗等特殊需求。無線傳感技術在石油企業的油氣生產物聯網建設中的廣泛應用和發展，是對現有無線傳感技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新。

3 結 語

[1]魏杰.面向工業應用的無線傳感網絡系統實現[D].成都:電子科技大學,2011.

[2]陳濤,劉景泰,邴志剛.無線傳感網絡研究與運用綜述[J].自動化與儀表,2005(z1).