基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統

郭向前 ，張乃祿 ，黃 偉

（1西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

（2陜西省油氣井測控技術重點實驗室 陜西 西安 710065）

（3西安海聯石化科技有限公司 陜西 西安 710065）

1 引言

近年來，隨著物聯網技術的推進，我國油氣田建設由數字化逐步向智慧化邁進[1]，油田井場數據圖像主要通過有線光纖傳輸，或者無線網橋轉光纖傳輸。油田井場生產數據由RTU采集和接入以太網，井場圖像由網絡攝像機拍攝，并通過接入以太網，光端機接入有線光纖傳輸至監控管理中心。大多數偏遠油井難以構成油田數字化網絡，只能采用GPRS或CDMA進行數據圖像傳輸，數據和圖像傳輸成為井場信息傳輸系統的瓶頸。本文針對長慶油田第十一采油廠西峰作業區偏遠油井數據圖像傳輸，提出一種基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統，設計了以RTU為核心的數據圖像傳輸三層物聯網架構，以及RTU硬件和系統軟件。該系統實現油田井場生產數據圖像可靠采集與傳輸，確保油井與監控中心的智能控制和智慧化管理，在陜北油田數字化與智慧化建設中具有典型應用推廣價值。

圖1 基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統構成

2 基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統構成

基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統構成，如圖1所示。

（1）采集與傳輸終端。RTU是采集與傳輸數據的核心單元，采用無線檢測儀表對井場各項生產數據進行實時測量，通過網絡攝像機對井場進行拍攝，RTU對無線儀表測量的數據以及攝像機拍攝的圖像進行采集與傳輸；另外，RTU可實現對現場電磁閥的控制。

（2）傳輸網絡。RTU將數據與圖像進行混合處理，通過CDMA網絡進行傳輸。

（3）監控管理中心。井場生產數據和圖像進行分析處理與監控，以及實時、歷史數據與圖像存貯與管理。

3 井場數據圖像混合傳輸RTU的硬件構成

數據圖像混合處理RTU的硬件原理如圖2所示，由CPU模塊、供電模塊、數據圖像采集模塊、數據存儲模塊和數據圖像傳輸模塊構成。

實現混合傳輸功能RTU的CPU模塊選用ST的含Cortex-M4內核的32位STM32F407ZGT6芯片為主控芯片；供電模塊采用蓄電池加太陽能電池板，光線充足時由太陽能板供電并對蓄電池充電夜晚或陰雨天光線不足時由蓄電池供電；數據圖像采集模塊中通過US-ART聯通RS-232，RS-485和ZigBeeS2b[2]，通過以太網TCP/IP模塊，由內嵌的Zigbee模塊與無線檢測設備連接并采集油井生產數據，通過以太網TCP/IP與攝像機連接并采集圖像，實現數據圖像的匯集；數據存儲模塊通過SPI聯通，選用大容量的SD卡將數據備份；數據圖像傳輸模塊通過CDMA通訊模塊與監控主機通訊，上傳數據圖像并接收控制命令。實現混合傳輸功能RTU的硬件構成如圖2所示。

圖2 實現混合傳輸功能RTU的硬件構成

4 井場數據圖像混合傳輸系統軟件開發

井場數據圖像混合傳輸系統的軟件開發分為兩部分，即監控管理軟件和RTU程序。監控管理軟件采用Force Control V2.1組態軟件在Windows操作平臺上開發。RTU程序內核選擇Linux操作系統進行移植，通過C語言進行RTU數據圖像采集、混合傳輸及協議轉換應用程序設計[3-4]。

4.1 監控管理軟件程序設計

監控管理中心向RTU發送上傳命令，RTU將數據圖像通過CDMA上傳給監控中心，供監控管理軟件采集與顯示。監控管理軟件程序流程圖如圖3所示。

圖3 監控管理軟件程序流程

4.2 RTU程序設計

（1）數據圖像采集程序設計

RTU的采集方式有主動和被動兩種，主動方式下RTU對無線儀表和攝像機的采集周期進行設定，通過讀取定時時間，由智能RTU向儀表發送數據讀取命令或者向攝像機發送定時抓拍、手動抓拍或者闖入抓拍命令，等待響應后進行數據讀取或圖像接收，并將數據存儲在SD卡中，同時將圖像存儲在FTP服務器。被動方式下RTU被動接收儀表數據后進行存儲。數據圖像采集模塊程序流程圖如圖4所示。

（2）數據圖像混合傳輸程序設計

RTU監測到監控中心發出的上傳命令時，則進入中斷程序，讀取SD卡的數據或FTP服務器的圖像，并將數據進行協議轉換，通過內置的CDMA模塊將采集的數據和圖像傳輸至監控中心。數據圖像傳輸模塊程序流程圖如圖5所示。

圖4 數據圖像采集程序流程

圖5 數據圖像傳輸程序流程

（3）協議轉換程序設計

數據傳輸需要遵循傳輸協議，進行協議轉換，即將數據根據協議類型過濾，并將有效數據拆包，根據監控中心所用的通訊協議進行重組；對于無效數據，記錄系統日志，供管理人員維護系統時使用[5-6]，協議轉換程序流程如圖6所示。RTU中加載有基于TCP/IP協議、RTSP協議以及FTP協議開發的圖像采集協議，因此對FTP服務器的圖像直接讀取并傳輸至視頻傳輸服務軟件。

圖6 協議轉換程序流程

5 系統運行與結果

基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統已在長慶油田第十一采油廠西峰作業區投入運行。井場的無線檢測儀表實時測量井場的生產數據：原油液位、柴油液位、動液面高度和抽油機示功圖，同時，網絡攝像機拍攝井場的圖像，通過該系統成功傳輸至監控中心，其運行效果如圖7所示。實際運行表明，該系統性能穩定，實現了數據圖像的混合傳輸。

圖7 基于RTU的數據圖像混合傳輸系統運行效果

6 結語

本文設計了一種基于RTU的井場數據圖像混合傳輸系統，實現了油田井場生產數據圖像可靠采集與傳輸，確保了油井與監控中心的智能控制和智慧化管理。解決了偏遠油井難以構成油田數字化網絡，井場信息傳輸系統的瓶頸問題，方便后期的管理維護，在智慧化油田建設方面具有很好的應用前景[7]。

[1]顏瑾，張乃祿，劉雨，等.基于智能RTU的氣田井場監控系統[J].西安石油大學學報(自然科學版)，2017，32(4)：61-66.

[2]陳釗，黃鳳辰，花再軍.基于GPRS網絡的低功耗遠程圖像采集RTU設計[J].工業儀表與自動化裝置，2016(3)：37-39.

[3]王志強.基于ZigBee技術的工業儀表無線數據采集系統設計[J].工業儀表與自動化裝置，2015(02)：45-48.

[4]彭越.基于物聯網技術的油田數字化建設[J].油氣田地面工程，2014(4)：61-62.

[5]李穎.視頻監控系統用于油田生產物聯網的建設[J].油氣田地面工程，2014(7)：73-74.

[6]白凱，夏宏南，印森林，等.基于4G技術的油田井場無線視頻監控系統設計與實現[J].電子設計工程，2017，25(6)：177-180.

[7] PAN Yi，XIAO Lizhi， ZHANG Yuanzhong. Remote realtime monitoring system for oil and gas well based on wire-less sensor networks[C]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2010:2427-2429.