油田井場監(jiān)測中數(shù)據(jù)通信技術的應用

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1監(jiān)測數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)主要由三部分組成：其中現(xiàn)場傳感器節(jié)點是采集井場工況參數(shù)數(shù)據(jù)的核心設備，采用ZigBee技術，由ZigBee組成網(wǎng)絡終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集。終端設備可以通過軟件協(xié)調(diào)分時連接至多個路由設備從而與整個網(wǎng)絡通信。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。網(wǎng)絡拓撲結構如圖2所示，傳感器節(jié)點具有本地數(shù)據(jù)采集傳輸和路由功能，其目的是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合和轉(zhuǎn)發(fā)，對采集到的數(shù)據(jù)和接收到的其他傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)進行綜合，再轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點。網(wǎng)絡的中心是協(xié)調(diào)器節(jié)點，它具有網(wǎng)絡協(xié)調(diào)、網(wǎng)關功能，主要負責建立一個網(wǎng)絡并允許傳感器節(jié)點的加入，連接外部的通信設備，協(xié)調(diào)器節(jié)點通常連接到PC機或者使用其他方式（如Internet、移動通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星等）與外界通信。系統(tǒng)可應用于井場內(nèi)距離在ZigBee傳輸范圍內(nèi)的多個機井，通過改變網(wǎng)絡拓撲結構，增加網(wǎng)絡中路由節(jié)點，使單井數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)發(fā)即可。整個系統(tǒng)構建模式層面清晰，易于維護管理，減少了線路布設，降低了線纜鋪設費用，也降低了現(xiàn)場安裝工序的復雜程度，避免了工作狀態(tài)下線纜損壞而帶來的設備故障。GPRS通信終端數(shù)目的減少有效降低了設備運營產(chǎn)生的通信費用。自組織性能大大提高了數(shù)據(jù)傳輸能力，系統(tǒng)可移植性及可擴充性增強。

2系統(tǒng)硬件設計

2．1現(xiàn)場傳感器節(jié)點設計

在系統(tǒng)終端采集節(jié)點功能簡單、結構精簡，采用蓄電池供電，應用CC2430內(nèi)部定時時鐘產(chǎn)生中斷對其予以喚醒，多數(shù)時間終端節(jié)點處于睡眠模式，這種工作模式能夠最大程度節(jié)約電能。該器件對電源敏感性要求相對不高，故電源模塊選用蓄電池為節(jié)點供電，以達到方便、便攜的目的。系統(tǒng)主要有兩個電源電路，一路5V電源為傳感器供電，一路3．3V電源為無線模塊供電。5V電源模塊選用一款1．25A的大電流、高精度、低壓差的LM2940芯片，工作時靜態(tài)電流低至240μA。

2．2節(jié)點傳感器模塊

現(xiàn)場傳感器節(jié)點被安裝在被監(jiān)控對象上，采集抽油機井的載荷、位移等參量，為實現(xiàn)載荷、位移及電參數(shù)的實時采集，并與控制器及上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行通訊和實時傳輸。節(jié)點傳感器模塊主要包括：主電機參數(shù)檢測；減速器參數(shù)檢測與故障判斷；游梁位移傳感器檢測；曲柄角速度檢測；抽油機載荷檢測。

2．3網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關節(jié)點）設計

網(wǎng)關節(jié)點的功能包括建立網(wǎng)絡、無線收發(fā)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)設計匯總網(wǎng)關包含ZigBee無線網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，即網(wǎng)絡的建立者，主要負責ZigBee和GPRS的雙向數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)換協(xié)議。協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關節(jié)點）一直保持工作狀態(tài)，偵聽監(jiān)測網(wǎng)絡，執(zhí)行各協(xié)議層的任務，隨時處理采集終端節(jié)點關聯(lián)、解關聯(lián)以及數(shù)據(jù)幀發(fā)送、接收請求等。各終端采集節(jié)點通過協(xié)調(diào)器與GPRS網(wǎng)絡校對時，使得網(wǎng)絡時間同步。通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送回上位機監(jiān)控室。ZigBee網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器與GPRS模塊之間通過串口連接，協(xié)調(diào)器將從終端子節(jié)點傳感器采集的數(shù)據(jù)匯聚后再傳至GPRS模塊內(nèi)，通過內(nèi)部的TCP／IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包封裝后發(fā)送至SGSN進而與GGSN溝通后，井場SGSN將數(shù)據(jù)包傳送到上位機監(jiān)控中心。網(wǎng)關經(jīng)過ZigBee網(wǎng)絡周期性采集抽油機井工況數(shù)據(jù)，再通過GPRS模塊實時地傳送至監(jiān)測室中，監(jiān)測中心接收到現(xiàn)場上傳來的數(shù)據(jù)后，通過內(nèi)部網(wǎng)Intranet與管理終端實現(xiàn)共享。

2．4遠程監(jiān)測中心

遠程監(jiān)測中心是一個服務器，服務器上運行著上位機軟件，當遠程監(jiān)測中心接受到無線傳感器網(wǎng)絡采集的數(shù)據(jù)后，該軟件可圖形化顯示遠程油田上的數(shù)據(jù)。

3系統(tǒng)軟件設計

ZigBee節(jié)點的軟件設計開發(fā)是在IAR、PacketSniffer、SmartRF04、FlashProgrammer等軟件開發(fā)環(huán)境的聯(lián)合使用過程中進行的，主要是完成節(jié)點網(wǎng)絡的建立與維護、各工礦數(shù)據(jù)的采集處理、采集數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)裙δ堋鞲衅魍ㄟ^ZigBee把采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。每一個單獨節(jié)點上裝載有載荷傳感器和角位移傳感器，傳感器節(jié)點采用命令工作的方式對數(shù)據(jù)進行采集。

3．1數(shù)據(jù)采集程序設計

采集時刻到來時，傳感器節(jié)點首先要打開傳感器開關，待傳感器工作穩(wěn)定以后，系統(tǒng)工況數(shù)據(jù)采集流程圖采集得到的模擬電壓值將會被送入到AD口轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。本系統(tǒng)使用的是CC2530內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換器，此AD轉(zhuǎn)換器支持14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有多達12位的ENOB，包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，8個各自可配置的通道，可接受單端或者差分信號，以及擁有一個參考電壓發(fā)生器。ADC控制寄存器包括ADCCON1（ADC控制寄存器1）、ADCCON2（序列AD轉(zhuǎn)換控制寄存器2）、ADCCON3（單通道AD轉(zhuǎn)換控制器2）、ADCL（ADC數(shù)據(jù)低位）、ADCH（ADC數(shù)據(jù)高位）。

3．2數(shù)據(jù)傳輸程序設計

傳感器節(jié)點直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信，該過程中傳感器節(jié)點一直處于休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)完成后，開始發(fā)送廣播幀通知覆蓋所有傳感器節(jié)點，組建網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器接收到傳感器的入網(wǎng)命令后，要將此傳感器節(jié)點的IEEE地址保存下來，并立即向傳感器節(jié)點發(fā)送響應幀，允許此傳感器節(jié)點加入該網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器節(jié)點將一直進行組網(wǎng)操作，直至整個超幀完結。

3．3網(wǎng)關節(jié)點工作流程

網(wǎng)關節(jié)點中ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器主控器將采集的工況數(shù)據(jù)通過RS－232串口傳送GPRS模塊，GPRS模塊內(nèi)置TCP／IP協(xié)議會將數(shù)據(jù)打包發(fā)送至SGSN，進而與GGSN通信溝通后對數(shù)據(jù)進行處理后，經(jīng)SGSN發(fā)送至監(jiān)測中心。網(wǎng)關節(jié)點工作流程圖如圖5所示。

4結論

在單井區(qū)范圍局域內(nèi)內(nèi)引入ZigBee技術，由終端節(jié)點傳感器采集監(jiān)測抽油機工作情況的各個參量，進行數(shù)據(jù)采集傳輸，廣域上采用GPRS的兩層傳輸網(wǎng)絡架構，數(shù)據(jù)包經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡進行統(tǒng)一遠程傳輸至Internet，很大程度上能提高數(shù)據(jù)的集中化管理和互通。該設計融合了兩種無線傳輸手段的優(yōu)勢，搭建的網(wǎng)絡結構具有傳輸可靠性高、抗干擾性能強、網(wǎng)絡結構簡單明了等優(yōu)點，可以自動管理、組網(wǎng)靈活、具有較強的可擴展性，經(jīng)濟性能高，在油田井場抽油機工況實時監(jiān)控方面具有廣闊的應用前景。

作者：任燕 劉嬌月 單位：河南工業(yè)職業(yè)技術學院