無線WIA-PA技術在油田物聯網建設中的應用

蘇國東,舒 浩

(1.湘潭大學 物理與光電工程學院,湖南 湘潭 411000;2.長沙市人社局考試中心,湖南 長沙 410000)

0 引言

在我國石油行業的發展過程中,由于國內油田企業存在著大量分布著分散設備和傳感器的生產現場,這些設備和傳感器具有一定的可靠性要求,如果采用傳統的有線技術,會增加企業建設成本。因此,為提升油田企業的信息化水平,降低建設成本,越來越多的企業開始關注并嘗試應用無線WIA-PA技術進行油田物聯網建設。該技術具有組網靈活、功耗低、通信距離遠等優勢特點。文章通過分析無線WIA-PA技術在油田物聯網建設中的應用優勢和國內外油田物聯網建設現狀,對未來無線WIA-PA技術在油田物聯網建設中的應用前景進行了展望。

1 油田物聯網建設中存在的問題

1.1 物聯網應用水平不高

目前,油田物聯網建設雖然取得了一定進展,但其應用水平不高,主要體現在:(1)技術路線不夠明確,導致應用不統一。目前,油田物聯網建設中有兩種技術路線:一種是以 ZigBee技術為代表的無線傳感網絡技術路線;另一種是以無線Wi-Fi技術為代表的無線廣域網技術路線。由于不同的技術路線,導致了油田物聯網建設中存在大量的系統不兼容問題,影響了系統的整體應用效果。(2)標準規范不完善。目前,油田物聯網建設中沒有一套統一的、具有國際影響力的標準規范,這導致了系統之間缺乏互聯互通、共享利用等問題。

1.2 智能化程度低

當前,油田物聯網的感知層主要是將傳感器接入到油田的各個生產裝置中,實現對油井、氣井、輸油管線等生產裝置的運行狀態進行實時監測,通過無線傳感器網絡實現對數據信息的采集,但這些數據信息主要是以模擬量形式存儲在傳感器中,如溫度、壓力等。而傳感器本身的數據信息并沒有被充分挖掘和利用,導致物聯網感知層智能化程度不高,油田生產過程中需要處理的數據信息沒有被充分挖掘利用,且這些數據信息不能實現跨組織和跨地域的共享。

1.3 數據處理能力不足

數據采集、傳輸、存儲、應用等各環節所產生的海量數據,需要高效的數據處理技術來實現對其管理和優化。當前,在油田物聯網建設中,仍存在以下問題:(1)現有油田物聯網數據采集終端多為通用的嵌入式設備,無法與油田現場環境相適配,如無法適應油田現場極端惡劣的環境,容易產生通信故障。(2)采集終端雖然可以接入多種無線通信協議(如ZigBee、Wi-Fi、藍牙等),但由于目前相關標準沒有統一,不同廠家間通信協議不兼容,無法進行數據融合處理。(3)目前,多數油田物聯網數據采集終端均采用有線通信方式進行組網,導致無法實現靈活部署、動態擴展。

2 WIA-PA技術優勢特點

2.1 分層的高效網絡組織與管理架構,實現千點網絡規模

采用無線WIA-PA技術建設油田物聯網,將實現千點規模的物聯網組網。其優點是:(1)無線WIA-PA網絡能夠快速部署,實現點到點覆蓋,利用無線WIA-PA的組網技術,可以迅速建立起無線通信網絡。(2)無線WIA-PA網絡支持數據的快速傳輸,在采集數據的同時,可實現信息的傳輸,降低了采集數據時延。(3)無線WIA-PA網絡中各個節點可以實現獨立組網,且擁有較高的節點安全性和可靠性。(4)無線WIA-PA網絡中的各個節點可以根據實際需要,靈活選擇工作頻段、傳輸距離等參數,降低了組網成本。

2.2 自適應跳頻實現高可靠通信,提升抗干擾能力

無線網絡的核心在于有效通信,而保證通信的主要因素就是節點的自適應性。當無線網絡節點在工作時,通過采集通信信道數據,實時調整自身工作頻率,避免和干擾信號發生沖突。這種方式無需提前設置,即可自動適應所處信道環境,避免了人為因素造成的通信質量波動。因此,WIA-PA技術充分利用了無線網絡節點的自適應性,極大地提高了無線網絡節點的抗干擾能力[1]。

以某油田智能無線采集系統為例,該系統采用的是自適應跳頻技術,即通過采集節點的自學習能力和周圍環境信號變化情況來判斷當前信道質量以及對當前傳輸狀態是否需要進行切換,以避免高干擾環境下傳輸性能大幅降低。

2.3 聯合調度模式,保證系統實時性

WIA-PA的聯合調度機制分為兩種:基于物理層和基于數據鏈路層的聯合調度機制。

(1)基于物理層的聯合調度機制。當一個節點處于空閑狀態時,其他節點進入休眠狀態,并將當前工作頻率及工作時間上報。同時,在數據鏈路層建立一個臨時數據信道,進行數據包傳輸。在空閑時間內完成數據包的轉發和發送。

(2)基于數據鏈路層的聯合調度機制。當一個節點處于空閑狀態時,其他節點進入休眠狀態,并將當前工作頻率及工作時間上報至主站,根據當前信道資源及工作頻率情況,決定是否重新啟動休眠節點;如果重新啟動休眠節點,則根據之前上報的工作時間發送。當主站再次發現某個節點處于空閑狀態時,將該節點的工作頻率及工作時間上報至主站,根據之前上報的工作時間進行發送,并在主站周期性地重啟休眠節點;當重啟休眠節點后,則根據之前上報的工作時間發送;重復以上流程,直到所有節點都處于空閑狀態時,即可完成整個系統的數據傳輸[2]。

2.4 微秒級高精度同步,實現微瓦級超低功耗

在油田生產環境中,系統的采集終端設備,特別是在野外油田的應用場景中,節點往往安裝在遠離網絡的位置,通常是在野外、無人區、沙漠等環境中,而通信基站也往往需要保證通訊距離遠、覆蓋范圍廣,因此需要從終端設備中獲取高精度的時間同步信息。

WIA-PA技術通過優化通信協議、調整發射功率等方式,實現了對同步精度的提升。其接收端可以在幾 μs內,將接收到的時間信號和發射信號進行比較,在接收端產生與發射端時間偏差1～3 μs的信號,這種信號可以直接通過無線電波或光波傳送到基站進行處理。

3 無線WIA-PA技術在油田物聯網建設中的應用

3.1 智能站監測

智能站監測系統主要包含4部分:前端數據采集、傳輸網絡、中央控制網絡和通信平臺,采用無線WIA-PA技術,實現數據的采集、傳輸、處理和發布,實現多個參數的自動控制。

前端數據采集部分包括:智能儀表、油井壓力、溫度和電機電流等。采用無線WIA-PA技術,通過無線模塊將各類數據發送到采集模塊,并將采集到的數據傳送給中央控制網絡。

傳輸網絡部分包括:中心服務器和各監測點的WIA-PA終端。中心服務器采用阿里云,可以實現多個監測點的數據統一管理和處理。

中央控制網絡部分包括:智能站的無線網關和智能站內各點的無線模塊。采用GPRS/CDMA通信技術,將采集到的數據通過GPRS模塊發送到中心服務器,并通過中心服務器將數據處理后,通過CDMA或GPRS網絡發送到各個監測點。

通信平臺部分包括:應用軟件和Web網站。應用軟件用于實現對數據的接收、發送和分析,Web網站用于發布數據、提供查詢和數據統計功能。

其中,智能儀表部分由智能儀表、無線收發模塊和無線控制器組成;傳輸網絡部分由中心服務器、路由器和無線網關組成;中央控制網絡部分由中心服務器和無線網關組成;應用軟件部分由應用軟件和Web網站組成[3]。

綜上所述,在油田物聯網建設中,采用無線WIA-PA技術,可以實現多個參數的自動控制,降低了監測系統的復雜度和成本,提高了數據的傳輸效率和準確度,能夠為油田物聯網建設提供完整、可靠、高效的技術支持。

3.2 物聯網控制中心

物聯網控制中心負責對生產數據的采集和處理,包括生產運行、設備巡檢、能耗監測、工藝參數、過程監控等。通過物聯網控制中心可實現遠程設備操作流程的優化,減少操作人員數量,降低勞動強度,提升生產效率。

(1)生產運行:對油井、水井等進行生產運行狀態的監控和分析,可以對油井產量和井下溫度進行遠程采集和處理。

(2)設備巡檢:通過物聯網控制中心的App或PC客戶端對設備進行遠程巡檢,檢測設備狀態、監測數據及報警信息等,及時發現和排除設備故障。

(3)能耗監測:通過物聯網控制中心的App或PC客戶端對油井、水井等設備能耗進行監測,了解設備運行狀態、能耗情況及節能潛力,從而實現節能降耗。

(4)工藝參數:通過物聯網控制中心的App或PC客戶端對油井、水井等進行工藝參數監測,了解生產工藝情況,優化生產參數,提高生產效率。

綜上所述,通過無線WIA-PA技術在油田生產過程中的應用,實現了油田生產過程的信息化、智能化管理,提升了油田生產的效率,降低了操作人員的勞動強度,實現了油田物聯網建設目標,對油田生產和管理具有重要意義。

3.3 物聯網數據采集系統

物聯網數據采集系統是物聯網控制中心的數據采集平臺,主要由物聯網終端、傳感器、無線傳感器網絡及監控服務器構成。

(1)物聯網終端:安裝在現場的用于采集現場數據的各種類型傳感器,如溫度、壓力、液位等;各種類型的無線傳感器網絡,如無線溫濕度傳感器網絡、無線油壓傳感器網絡等;監控服務器:負責對采集到的數據進行存儲和分析,并根據用戶權限提供給用戶數據查詢、報表統計、數據分析等功能[4]。

(2)物聯網傳感器網絡:在油田現場部署大量各種類型的無線傳感器網絡,以實時采集現場數據,并根據用戶權限提供給用戶數據查詢、報表統計、數據分析等功能。

(3)無線傳感器網絡:安裝在油田現場的大量各種類型的無線傳感器網絡,以實時采集現場數據,并根據用戶權限提供給用戶數據查詢、報表統計、數據分析等功能。

(4)監控服務器:負責對采集到的數據進行存儲和分析,并根據用戶權限提供給用戶數據查詢、報表統計、數據分析等功能。

總之,物聯網數據采集系統是通過物聯網控制中心,將采集到的現場數據進行處理后,上傳到云平臺,并在云平臺上通過 API接口等方式實現與其他應用系統的交互,為用戶提供了一個直觀的數據展示窗口。

4 無線WIA-PA技術在油田物聯網建設中的應用前景

4.1 促進油田開發模式的轉變

油田物聯網建設將促進傳統的“井下作業”模式向“井上作業+智能無人化”轉變,實現“井上作業+智能無人化”是油田物聯網建設的一個重要目標,其具體實施將促進油田開發模式的轉變[5]。

4.1.1 智能無人化井上作業模式

采用WIA-PA技術建設的油田物聯網,通過物聯網設備實時采集生產過程中的各種數據,結合各種專家系統分析決策,實現油氣生產過程中的自動作業和遠程監控,避免人工操作風險,大幅提高油田生產效率和安全生產水平。

4.1.2 智能無人化井下作業模式

智能無人化井下作業是一種安全、高效的采油方法。采油廠通過在地面安裝無人值守的井下作業系統,實時監測井下設備運行參數,并將采集的數據傳送給后臺中心管理系統,由平臺進行分析、判斷后做出決策,將智能無人化井下作業推向生產現場。通過對油田物聯網系統的深入研究,將在油田物聯網建設中引入智能無人化井下作業模式,從而實現“井下作業+智能無人化”的有機結合。

4.1.3 井筒環境監控模式

目前,油田大多采用地面-地下一體化監控系統進行井筒環境監控,但由于該系統采用有線方式傳輸數據,現場施工難度大、成本高,不利于維護,而采用WIA-PA技術建設的油田物聯網可以解決上述問題。

4.2 促進物聯網技術向縱深發展

目前,在油田物聯網建設中,各種技術的融合應用、數據的融合分析和挖掘、綜合信息的整合利用等方面,都存在著許多問題和挑戰,急需通過技術創新來解決。

4.2.1 物聯網標準體系不健全

目前,我國物聯網發展存在著標準體系不健全、標準化工作滯后等問題,缺少統一的行業標準,導致物聯網發展不規范。物聯網是一項涉及多學科、多領域的技術集成工程,技術發展和應用都需要有統一的標準規范作保障。

4.2.2 缺乏有效的激勵機制

由于物聯網是一個新興的產業,相關政策法規制度還不健全,在一定程度上制約了物聯網產業的發展。在油田物聯網建設中,各種物聯網技術和設備的應用需要一定的投入,而且對投入產出比的要求比較高,只有形成有效的激勵機制,才能吸引更多的社會資源進入物聯網產業[6]。

4.2.3 物聯網關鍵技術需要突破

油田物聯網建設涉及方方面面,包括感知層、平臺層和支撐系統等方面,其發展水平直接關系到整個油田物聯網建設的效果。目前,物聯網應用主要集中在智能交通、智能家居、環境監測等領域,其他領域還沒有得到有效應用。在油田物聯網建設中,需要大力加強與相關領域的合作,突破關鍵技術,加快技術成果的轉化和推廣應用。

5 結語

總而言之,在未來,隨著物聯網技術的不斷成熟,無線WIA-PA技術將會逐漸成為油田物聯網建設的主流。由于無線WIA-PA技術的功耗低、組網靈活等特點,在油田環境監控、井場安全監控、設備狀態監測以及井下數據采集等領域都有廣泛的應用前景,本文只是對其在油田物聯網建設中的應用進行了初步探討。相信隨著無線WIA-PA技術的不斷成熟與發展,未來它將會在油田物聯網建設中發揮越來越重要的作用,不僅可以推動油田物聯網建設進程,還能為企業帶來巨大的經濟效益。