Zigbee 無線傳輸技術(shù)在油田數(shù)字化建設(shè)中的應(yīng)用探討

王磊

（大慶油田創(chuàng)業(yè)集團(tuán)新世紀(jì)實(shí)業(yè)公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)石油的需求量不斷上升。我國(guó)主要油田分布在東北、新疆、華北等地區(qū)，油井較為分散，地處偏僻地區(qū)，給油田油井生產(chǎn)管理帶來了難題。以往我國(guó)大部分油田油井現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸通過有線方式，在抽油機(jī)上安裝傳感器，通過電纜將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心，這種傳輸方式線路鋪設(shè)成本高，管理維護(hù)難度大。近年來，隨著無線通信技術(shù)快速發(fā)展，Zigbee 技術(shù)廣泛應(yīng)用于油田數(shù)據(jù)采集機(jī)傳輸系統(tǒng)中，節(jié)省了人力物力，提高了工作效率，推動(dòng)了油田數(shù)字化建設(shè)的進(jìn)程，對(duì)油田發(fā)展具有重要意義。

1 無線傳輸技術(shù)在油田中應(yīng)用意義

現(xiàn)階段，我國(guó)部分油田油井?dāng)?shù)據(jù)采集、監(jiān)控使用傳感器采集數(shù)據(jù)，通過有線的方式將數(shù)據(jù)傳回控制中心，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的管理。由于油井?dāng)?shù)量繁多、分布廣泛、地處偏遠(yuǎn)地區(qū)、地勢(shì)復(fù)雜，造成線路鋪設(shè)成本高、路線長(zhǎng)、維護(hù)難，增加了油井管理成本，管理效率有待提高。對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)的油井，以往采取定期巡視檢查的方式管理，不僅浪費(fèi)人力，油井管理人員的安全也受到影響。為了加強(qiáng)對(duì)油井的監(jiān)控和管理，應(yīng)用成本低廉、可維護(hù)性好的無線傳輸技術(shù)成為必然。Zigbee 是一種短距離、低傳輸速率的無線通信技術(shù)，使用該技術(shù)能夠?qū)o線傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間無線傳輸，可以對(duì)油井進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，提高了油井管理效率。

2 Zigbee 技術(shù)特點(diǎn)

2.1 Zigbee 技術(shù)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

Zigbee 技術(shù)以IEEE802.15.4（低功率無線個(gè)人局域網(wǎng)協(xié)議）為規(guī)范，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備傳輸中，是一種價(jià)格低廉、能耗低、組網(wǎng)方便、自組織、數(shù)據(jù)速率低、距離近的無線傳輸技術(shù)，其技術(shù)特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）能夠自我配置，當(dāng)檢測(cè)到新的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，能夠自動(dòng)更新和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路徑。（2）能夠自我修復(fù)。通過動(dòng)態(tài)更新各設(shè)備間的連接，避免出現(xiàn)路由器故障。（3）能耗低。該技術(shù)能夠?qū)⒐?jié)點(diǎn)間干擾將至最低，降低能耗，延遲電池使用壽命，增加網(wǎng)絡(luò)使用時(shí)間。（4）通過網(wǎng)絡(luò)中大量設(shè)備的連接，極大地縮短了網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)間。（5）具有較好的擴(kuò)展性和靈活性，采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間能夠重組路由。

正是由于Zigbee 技術(shù)具有以上技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在環(huán)境惡劣、干擾條件多的情況下能夠提高穩(wěn)定可靠的無線傳輸，加之其能耗極低，在油田無線數(shù)據(jù)傳輸中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2.2 Zigbee 技術(shù)簡(jiǎn)介

Zigbee 技術(shù)以IEEE802.15.4 規(guī)范中定義的三個(gè)頻段來通信，這三個(gè)頻段分別是2.4GHz、915MHz 和868MHz，不同頻段數(shù)據(jù)傳輸速率不同。ZigBee 協(xié)議棧由物理層（PHYC）、MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）構(gòu)成。物理層規(guī)定了無線信道和介質(zhì)訪問控制子層之間的連接部分，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)通過無線物理信道來收發(fā)數(shù)據(jù)，管理服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)；MAC 層位于物理層的上層，負(fù)責(zé)處理物理信道的訪問，并且為物理層提供服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層是協(xié)議棧的核心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的連接、分離、設(shè)備的接受和拋棄、尋找路由、信息傳輸?shù)龋軌虿捎眯切突驑湫途W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；應(yīng)用層是Zigbee 協(xié)議棧的最高層，為其他三層提供服務(wù)。

2.3 Zigbee 設(shè)備類型

根據(jù)設(shè)備在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的作用來劃分，Zigbee 設(shè)備可以分為協(xié)調(diào)器、路由及終端，其中，Zigbee 協(xié)調(diào)器可以作為網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)，是FFD 類型，一個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)FD 協(xié)調(diào)器功能強(qiáng)大，是整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的主要控制節(jié)點(diǎn)；路由器節(jié)點(diǎn)也是FFD 類型，能夠進(jìn)行路由的挖掘和網(wǎng)絡(luò)信息傳輸，實(shí)現(xiàn)與其他節(jié)點(diǎn)的相互連接，還能作為普通協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)來使用；終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD 類型或RFD 類型，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)中，其功耗較低。

2.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹型和網(wǎng)格型，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有各自優(yōu)點(diǎn)。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器處于中心位置，既負(fù)責(zé)組網(wǎng)，也負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)位于四周，通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過簇樹路由進(jìn)行信息控制與收發(fā)，樹枝處節(jié)點(diǎn)為RFD 類型，簇首受到協(xié)調(diào)器控制，樹型拓?fù)渚哂懈采w范圍廣的特點(diǎn)，但是覆蓋規(guī)模過大會(huì)影響傳輸速度；網(wǎng)格型拓?fù)渫ㄟ^多個(gè)FFD 節(jié)點(diǎn)連接形成主干網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)之間都可以傳輸數(shù)據(jù)，主干網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)能夠通過與其他節(jié)點(diǎn)連接組建自己的子網(wǎng)，網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可靠性好、自我恢復(fù)能力強(qiáng)，傳輸路徑選擇多，一條路徑出了問題，還可選擇其他路徑傳輸，其多路徑也會(huì)造成高冗余，影響傳輸速度。三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1

3 Zigbee 組網(wǎng)技術(shù)

Zigbee 協(xié)議內(nèi)容相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，多應(yīng)用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)，與其他無線傳輸技術(shù)相比，Zigbee 傳輸速度相對(duì)較慢，但成本較低，且能耗更低，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，可以容納65000 個(gè)無線模塊，每個(gè)模塊之間都可以進(jìn)行進(jìn)行通信，通信速率為250Kb/s。正是Zigbee 系統(tǒng)的這些優(yōu)點(diǎn)，非常適用于油井?dāng)?shù)據(jù)采集及監(jiān)控。

針對(duì)采油廠油井比較分散的情況，采用增大Zigbee 的RF 發(fā)射功率，使無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信距離達(dá)到3km，對(duì)油田中成百上千口油井進(jìn)行區(qū)塊劃分，每個(gè)區(qū)塊中容納一定的油井，這些油井的RTU 之間形成一層Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，每口油井有多個(gè)無線傳感器，無線傳感器與RTU 之間組成一層Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，以上兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了區(qū)塊Zigbee 無線傳感器的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)區(qū)塊網(wǎng)絡(luò)中無線傳感器屬于終端節(jié)點(diǎn)，油井的RTU 屬于網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)，區(qū)塊需要一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。通過構(gòu)建的Zigbee 網(wǎng)絡(luò)，將油井的油壓傳感器、套壓傳感器、位移傳感器、載荷傳感器、電流傳感器、電量模塊等無線傳感器連入網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)采集油井的油壓、套壓、位移、載荷、電流、電量等參數(shù)，然后將這些參數(shù)通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)匯總到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過GPRS 將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)塊油井的監(jiān)控與管理。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，油田開發(fā)方式不斷進(jìn)步，應(yīng)用信息化、智能化手段合理高效開發(fā)油田是大勢(shì)所趨，建設(shè)綠色數(shù)字化油田成為主題。如何高效開發(fā)油田、降低污染和能耗是油田研究的課題，計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用能夠大大推進(jìn)油田數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程。無線通訊技術(shù)具有廣泛的適用性，使用成本更低，簡(jiǎn)化了作業(yè)流程，大大提升了油井管理效率。