油井数据采集的数字化之旅

ZigBee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的

作者:李智 文章来源:大港油田分公司 点击数:42 发布时间:2019-05-08
随着国内物联网应用热度的不断升温,相应的物联网技术、产品得到了迅速发展,物联网技术已在各行各业中快速推广应用。应用ZigBee技术、应用无线传感器和RTU,组建基于WSE网络油井数据采集系统,可以完成抽油机生产数据的采集和远程控制,并通过CDMA将信息发送到SCADA数据中心。
油井数据采集的数字化之旅

大港油田正在逐步实现油田的信息化建设,旨在建立具有国际先进水平的数字化油田。所谓数字油田是指通过信息化与传统油气生产工业相融合,对油田的油气勘探、评价、开发和生产等过程实现连续的、远程的和实时的全生命周期管理,优化油田资产,提高资产净现值。

WSE网络油井数据采集系统
WSE网络油井数据采集系统

无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)作为一种新兴技术,是随着无线技术(如RFID、Zigbee)、SOC(片上系统)和低功耗嵌入技术飞速发展而孕育而生的。其中以Zigbee技术组建的WSN网络,以其低功耗、低成本、分布式和自组织等众多优点迅速得以广泛应用,利用Zigbee技术搭建的WSN网络在油田数字化井场中也日益得到广泛应用。

无线网络技术

Zigbee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本和低复杂度的无线网络技术;ZigBee 采取了 IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点,省电、简单且成本低廉;同时ZigBee又增加了逻辑网络、网络安全和应用层,使Zigbee技术又具有了自动组网等功能。

油井SCADA系统
zigbee无线技术可使用的3个频段

ZigBee无线技术可使用的频段有3个,分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的 868MHz 频段以及美国的 915MHz频段,而不同频段可使用的信道分别是16、1和10个,在中国采用2.4G频段,是免申请和免使用费的频率。ZigBee和802.15.4标准都适用于低速率的数据传输,最大速率为250K,与其他无线技术相比,适合传输近距离的应用。ZigBee无线技术组建的WSN网络,对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。

网络拓扑结构

整个油井SCADA系统分为三层网络结构,一层是油井现场由无线仪表及无线RTU组成的Zigbee短距离WSN网络;二层是由电信运营商提供的CDMA 1X远距离无线通信网络;三层网络是由电信至油田数据中心连接的专用光纤网络。由以上三层网络构建的油井SCADA系统完成了对油井现场实时数据的采集及远程控制功能。

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星型的拓扑结构

Zigbee工作原理

Zigbee网络中包含3类设备,一是网络协调器节点,协调器节点负责发起并维护一个无线网络,识别网络中的设备加入网络;二是路由器节点,路由器节点支撑网络链路结构,完成数据包的转发;三是终端设备节点,终端节点是网络的感知者和执行者,负责数据采集和可执行的网络动作。由Zigbee无线产品组织的网络拓扑结构有星型、树型和网状型等,其中该项目使用了星型的拓扑结构,如图所示。

其中红色图标SZ930手操器在WSN网络中充当的是协调器节点;蓝色图标节点无线网关模块在WSN网络中充当的是路由节点;绿色图标无线压力变送器、无线载荷传感器和无线功率模块在WSN网络中充当的是终端节点。

Zigbee的应用实例

现场抽油机井场安装的设备主要有1套无线RTU控制器,2个无线压力变送器、1个无线载荷位移传感器和1个无线功率模块,由这些无线设备构成了井场无线传感器网络,实现了以RTU为中心的油井数据采集系统。

油井SCADA系统
油井SCADA系统

无线网关模块,可以与无线仪表通讯,组建成WSN,定时采集无线仪表的数据或者被动接受无线仪表上传的数据。同时SZ932还可作为协议转换器,进行Modbus RTU及自定义串口协议,并与Modbus TCP之间转换。

无线功图传感器安装于抽油机的井口,用于采集抽油井的载荷及位移数据,并绘制出抽油机示功图,然后通过无线方式上传至RTU。SZ902N采用太阳能电池板及电池供电。

带就地液晶显示的无线压力变送器,用于测量抽油机井口油压和套压。它采用新型外壳及电路设计。

系统的优势

Zigbee系统有五大优势,第一,所有无线仪表均使用了低功耗休眠机制及主动上传模式,有效保证了仪表电池的可用性,使用寿命可达2~3年;第二,RTU数据上传至数据中心时具备数据补传功能,就是在CDMA网络中断时,现场数据保存在RTU的FLASH内部,当CDMA网络恢复时数据中心根据时间标签自动补采RTU内部的数据,从而很好地保证了数据中心历史数据的完整性;第三,整个SCADA系统由短距离的井场Zigbee网络和远距离的CDMA网络组成,完全实现了无线数据采集及传输,突破了传统有线网络的局限性;第四,Zigbee系统实现了丛式井场一拖多功能,即一个丛式井场RTU可以同时采集4口油井的示功图、油压、套压和功率等16个无线仪表的数据,突破了传统项目中的单井模式,大大节约了RTU投资成本;最后,无线仪表的使用相比有线仪表减少了电缆成本、敷设成本等,所以在初期投资上节约了大约10~15%的成本,无线仪表在井口作业时不易断线和短路损坏,所以后期维护成本节约近20%。

实现产品互联

大港油田在数字化建设中深入研究了国外领先技术,借鉴了其他油田的实施经验,选择了行业知名企业进行合作,对不同厂家的产品,在设计上采用了标准化,在硬件接口、通讯协议和数据格式进行了统一规范,最终在数字化油井SCADA建设中实现了不同厂家产品的互联互通互换,建设了具有大港油田特色的数字化油田,为油田进一步实现物联网奠定了基础。