油田物聯網WIA-PA無線通信技術的試驗應用

劉喜文

(大慶油田油田有限責任公司 第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

某油田分布范圍廣、油水井分散、地域環境復雜，油、水井場無法實現有線通信，根據不同的地面條件選擇安全、穩定、準確的無線通信技術成為了物聯網建設的重中之重。無線通信技術在該油田應用中面臨強遮擋、深衰落、數量多、溫差大等問題，需要無線通信設備具有少基站、自組網、功耗低、耐低溫等特點。

1 油田WIA-PA現場試驗

1.1 WIA-PA無線通信技術

WIA-PA(wireless network for industrial automation—process/factory automation)是一種專門面向工業過程自動化的工業無線網絡技術標準，基于IEEE802.15.4標準，通信速率為250 Kibit/s，頻段為2.4 GHz，支持星型、網狀及星型網狀混合網，支持自適應調頻技術、冗余路由技術、自組織修復網絡，其特點包括近距離、低功耗、低數據率、時分復用、高時間同步精度等。

選用WIA-PA標準的無線網關和無線儀表設備包括： 無線壓力變送器、無線示功圖儀、三相電參采集器、WIA-PA無線網關和WIA-PA無線中繼器等設備。

1.2 現場試驗

1.2.1試驗井的優選

為了檢驗WIA-PA無線技術的抗干擾能力、組網及傳輸能力，在采油隊各個方向共優選15口井進行現場試驗，其中林帶環繞井1口，低洼、遮擋嚴重井3口，平臺井3口，偏遠井3口，普通井5口。WIA-PA網關設在采油隊隊部，以該網關為中心，接收自組網試驗井數據，最遠井距該網關2.2 km。試驗井井位分布如圖1所示。

圖1 試驗井井位分布示意

1.2.2WIA-PA無線技術傳輸能力及組網測試

WIA-PA無線技術傳輸能力及組網測試內容如下：

1)無障礙點對點傳輸能力測試。在現場空曠環境將WIA-PA無線儀表與遠程終端單元(RTU)(天線高度2 m)點對點通信，在距RTU不同距離測試無線儀表信號強度，確定兩種無線技術實際點對點極限傳輸距離。

2)無障礙組網能力測試。對正常跳轉井進行人為斷電干預，測試組網效果。

3)有障礙組網能力測試。在樹林遮擋環境下，通過選擇4口中繼井測試穿透與繞行能力。

1.2.3無線儀表高低溫環境的電池性能測試

無線儀表高低溫環境的電池性能測試內容如下：

1)儀表休眠狀態下電池空載性能測試。在室外和室內不同溫度下，測試無線儀表的內置鋰電池的電壓變化。

2)儀表工作狀態下電池負載性能測試。在室外和室內不同溫度下，將電池連接玩具車馬達模擬電池持續工作狀態，測試電池負載電壓變化。

1.2.4測試WIA-PA無線通信數據的準確性

以標準表作為比對儀器，驗證WIA-PA無線儀表測量數據的準確性，測試內容有油壓、示功圖(載荷、位移)及三相電參等數據。無線示功儀與標準示功儀同時負載并記錄數據；無線壓力表與機械壓力表在同一油壓口取壓，記錄數據；鉗形電流表、萬用表與電參控制器同位置測量，記錄數據。

1.3 試驗結果與討論

1.3.1WIA-PA無線技術傳輸能力及組網測試

1.3.1.1無障礙點對點傳輸能力測試

WIA-PA模塊信號發射功率共五檔可調，分別為20 dBm，16 dBm ，14 dBm ，10 dBm 8 dBm，不同的發射功率傳輸距離不同。無線信號在自由空間(真空、無遮擋空間)損耗公式如式(1)所示：

Los=32.44+20lgf+20lgD

(1)

式中：Los——傳輸損耗，dB；f——工作頻率，MHz；D——距離，km。

由式(1)可知，Los(或衰減)只與f和D有關。根據公式： 接收信號功率=信號發射功率-Los，計算出接收信號功率。

由于信號損耗會受空氣等介質影響，為測試該技術實際工況下極限傳輸距離，在現場空曠環境將WIA-PA無線儀表與RTU(天線高度2 m)點對點通信(天氣晴朗，溫度25 ℃)。WIA-PA無線通信技術點對點理論與實際傳輸距離對比見表1所列。

表1 WIA-PA無線通信技術理論與實際傳輸距離對比

經測試，WIA-PA無線通信技術點對點實際極限傳輸距離為1 480 m(20 dBm)。如遇雨天或樹林建筑遮擋，傳輸距離會進一步縮小。

1.3.1.2無障礙組網能力測試

選擇距網關2.2 km偏遠空曠的P井進行測試，正常情況下，該井信號通過1.34 km處的O井進行跳轉，對O井進行人為斷電干預后，信號無法通過其他井回傳。跳轉井分布如圖2所示。

圖2 跳轉井分布示意

在后臺分析15口井數據傳輸路徑，距WIA-PA網關1.3 km以內的無障礙井可以實現信號直傳，1.3 km以上的井需要跳轉回傳，此次試驗最多可進行3跳。

WIA-PA信號傳輸路徑見表2所列(隨機抽查)。

表2 WIA-PA信號傳輸路徑(隨機一次抽查)

1.3.1.3有障礙組網能力測試

對茂密林帶遮擋、數據無法回傳的A井，試驗就近選擇中繼井(安裝中繼器) ，通過定向天線實現信號跳轉，進入WIA-PA自建網絡進行數據回傳。中繼井選擇如圖3所示。

圖3 中繼井選擇示意

Z井離A井370 m，穿過200 m林帶后信號衰減嚴重，無法接收數據；C井距A井400 m，林帶厚度100 m，接收數據成功，以此為中繼組網外傳。因此，在遮擋環境下，需根據實測選擇合適中繼井定向傳輸。遮擋環境下定向組網如圖4所示。

圖4 遮擋環境下定向組網示意

1.3.2WIA-PA無線儀表的電池性能

WIA-PA儀表均采用鋰-亞硫酰氯(Li/SOCl2)電池供電，正常工作電壓為3.6 V，電池容量為19 A·h，電能為68.4 W·h。

1.3.2.1高低溫空載電壓測試

由于無線儀表大部分時間處于休眠狀態，且休眠時功耗極低(微安級)，相當于電池空載，所以測試鋰-亞硫酰氯電池在不同環境溫度下的空載電壓，結果見表3所列，不同溫度下空載的鋰-亞硫酰氯電池電壓遞減幅度變化不大。

表3 鋰-亞硫酰氯電池空載電壓測試數據

1.3.2.2高低溫負載電壓及耗電測試

為模擬儀表連續工作狀態，將鋰-亞硫酰氯電池分別置于暖氣和冰箱內，連接玩具車馬達，馬達工作電流為1.18 A，使其運轉直到電量耗盡，記錄用時。期間每小時測量一次負載電壓，在高溫和常溫環境下馬達連續運行約15 h，低溫環境僅運行約13 h，電池性能受低溫影響較大。電池負載電壓測試數據見表4所列。

表4 高低溫鋰-亞硫酰氯電池負載電壓測試數據

1.3.3WIA-PA儀表數據準確性的測量

將現場測試數據與同時刻后臺數據進行比對，WIA-PA儀表所測數據誤差率均在±5%以內，所有試驗井平均測試數據見表5所列。

表5 所有試驗井平均測試數據

2 試驗結論

通過對WIA-PA無線通信技術測試后，得出如下結論：

1)WIA-PA無線通信技術在無障礙時傳輸距離較遠，點對點無障礙傳輸距離為1.4 km以上，通過路由功能可實現6跳回傳；傳輸距離可達6～8 km(半徑)，其自組網特性也無需依賴第三方網絡。

2)當有障礙時，在犧牲一定傳輸距離的情況下，WIA-PA無線通信設備可以穿過寬度為100 m的林帶。

3)無線儀表休眠時，電池性能(空載電壓)基本不受溫度影響。工作時電池性能(負載電壓、電池續航)會受低溫影響。

4)WIA-PA和ZigBee無線儀表測量數據準確性均較高，平均誤差在±5%以內，滿足油田生產的需要。

3 結束語

通過兩年多來的運行，WIA-PA無線通信技術可以滿足油田站外數據采集和有效傳輸，通過脈式自建網絡，較高質量地保證了數據傳輸可靠性，是未來油田物聯網建設的一個方向。此外，經過了一個冬季的考驗，高低溫環境下電池續航能力可滿足無線儀表供電需求。