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資訊頻道 （中國科學院 沈陽自動化研究所，沈陽 110016） 曾 鵬，王 軍
曾鵬（1976-）男，工學博士，中國科學院沈陽自動化研究所研究員，研究方向為工業通信、無線傳感器網絡。出版專著1部，在國內外重要學術會議和期刊上發表論文50余篇，申請發明專利10余項。近年來承擔多項國家級科研項目，主持國家863計劃工業無線方向重點項目的研發工作。
摘要：工業無線技術是一種新興的面向設備間信息交互的短程、低速率、無線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境使用。本文介紹了采用基于WIA技術的油井遠程在線計量與優化控制系統。該系統具有油井工況數據自動監測、液量計量、工況診斷、系統效率優化設計等功能。整個系統具有成本低、可靠性高的特點，適合對油田現有的生產流程進行優化簡化。
關鍵詞：WIA；油井；遠程監測；液量計量；分析優化；遠程控制
Abstract: Industrial wireless technology is a newly developed method for short distance and low data rate communication in harsh industrial environment.This paper introduced a remote monitoring and online measurement, analysis and optimization system based on WIA technology for oil-well production.Functions of the system include automatic monitoring of oil-well working condition data, measurement of oil-well fluid volume, well condition diagnosis and efficiency optimization design etc. This low cost, highly reliable system can be used to optimize or simplify the traditional production process.
Key words: WIA; Oil-well; Remote monitoring; Fluid-volume measurement;Analysis and optimization; Remote control
1 引言
油田生產作業設備大多位于野外且分布散遠，因而油井遠程生產監控系統在國內外油田得到了推廣應用。我國部分油田建立了用于油井田監控的SCADA系統[1][2]，此類系統主要由監控設備、通信網絡和后臺管理系統等部分構成。
油井監控設備主要包括監測儀表和控制裝置兩類，監測儀表包括各種通用型監測儀表，如溫度計、壓力計、流量計，以及油田專用監測儀表，如示功儀、電機監測儀等。控制裝置主要包括油井的間抽控制器、變頻控制器、RTU以及氣井的自動閉鎖裝置等。
現有的油井監控系統通信網絡大多采用單層無線網絡結構，小范圍內的多個監控設備通過有線方式連接到安裝有窄帶數傳電臺或GPRS模塊的RTU，對數據進行匯總后再通過數傳電臺或GPRS網絡傳送到油田監控管理中心。RTU一般只能連接半徑幾十米范圍內的測控設備，接入的測控設備數目較少，整個系統造價和維護費用都很高。
當前我國大部分油田已經進入高含水期，單井產量小，邊際經濟效益較低，因而要求油井監測儀表和控制裝置必須具備低成本、高可靠性的特點，只有設備成本和運行維護成本都非常低，才有在數量眾多的低產井上應用的經濟上的可能性。
隨著Wireless HART[3]和WIA[4]等工業無線技術的發展和成熟，在一個較大的作業區域內，多個無線監控設備、無線中繼器和無線網關可以組成一個多跳MESH網絡。網絡內的各種監控設備及中繼器、網關等網絡設備將符合統一的通信標準，可以方便地任意新增或替換無線監控設備，從而使油田監控系統的經濟性、易用性以及可擴展性大大改善。
2 工業無線WIA技術
工業無線技術是滿足工業應用高可靠性、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網絡技術，是傳感器網絡技術最具代表性的重要分支。基于工業無線技術的測控系統，與傳統的有線測控系統相比，具有以下一些優勢：
低成本、易施工。
在傳統的有線系統中，布線的成本是$30～$100/每米，在一些惡劣環境下，可達到$2000/每米。使用工業無線技術將使測控系統的安裝與維護成本最高可降低90％，是實現低成本測控系統的關鍵技術。
高可靠、易維護。
在有線系統中，大部分系統故障是由電纜的連接器件損壞而引起的，其維護復雜程度、維護費用都很高。使用無線技術將從根本上杜絕此類故障的發生。
高靈活、易使用。
使用無線技術后，現場設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場儀表與被控設備的可移動性、網絡結構的靈活性以及工程應用的多樣性。用戶可以根據工業應用需求的變化，快速、靈活、方便地重構測控系統。
WIA標準是我國科研機構在863計劃的支持下，于2007年開始制定的面向工業自動化應用的無線網絡技術標準體系。
目前已完成了WIA-PA規范國家標準征求意見稿和IEC PAS、NP文件的制訂，成為在國際上與Wireless HART被同時承認的僅有的兩個國際標準之一。
WIA-PA協議架構如圖1所示，其物理層、MAC層直接采用了IEEE802.15.4協議標準[5]，鏈路層、網絡層和應用層由我國自主制定，其抗干擾、低能耗、實時通信等核心技術主要體現在鏈路層、網絡層和應用層。WIA的用戶應用進程包含的功能模塊是多個用戶應用對象。設備管理應用進程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網絡管理模塊、安全管理模塊、網絡管理代理模塊、安全管理代理模塊、管理信息庫等。
WIA采用分簇的組織架構和骨干Mesh網結合星型子網的兩層拓撲結構，是高可靠自組織網絡，具有以下技術特征：
TDMA/CSMA混合接入模式支持周期性和非周期性通信負載；
自適應跳頻通信方式提高了點到點通信的抗干擾能力；
鏈路層自動請求重傳和應用層端到端重傳機制保證了報文傳輸的高成功率；
多路徑Mesh路由保證了端到端通信的可靠性；
集中式與分布式結合的系統管理綜合考慮了系統的易管理與擴展的靈活性；
自組網模式提高了系統易用性；
采用休眠模式的低占空比工作方式使終端具有超低能耗。
通過使用工業無線網絡WIA技術，用戶可以以較低的投資和使用成本實現對工業生產的全程感知，獲取之前由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產量、質量和節能降耗的目標。
3 基于WIA技術的油井遠程計量與優化控制系統
和現有油井遠程監控系統相比，基于WIA技術的系統改進主要體現在底層網絡的連接方式和后臺數據的處理上。
由于WIA技術適合大量現場設備的無線互聯，井口的設備網絡將不再需要有線連接到RTU，而是完全實現低成本無線連接，因此能夠實時監測更多之前SCADA系統所不能監測的。
3.1 系統結構
基于WIA技術的油井遠程計量和優化控制系統從結構上可以分為前端的數據采集和后臺的專家系統兩大主要部分。
其中，前端的數據采集部分主要完成井口各項參數的檢測和控制參數的實時傳輸，后臺的專家系統[6][7]則完成人機交互、遠程計量、工況分析以及優化控制等任務，整個系統的結構如圖2所示。
圖2 系統結構示意圖
數據采集子系統主要由現場終端設備、WIA網關及WIA網絡上位機三部分組成。井口的現場終端設備主要包括WIA無線壓力變送器、WIA無線溫度變送器、WIA無線示功儀及WIA無線電測儀等，單口油井的設備安裝如圖3所示。
圖3 單口油井部分無線設備安裝示意圖
終端設備用來周期性從現場采集數據信息，包括壓力、溫度、示功、電機狀態參數等通過無線電波發送給WIA無線網關；WIA無線網關的主要功能是對整個數據采集子系統網絡進行管理及維護，匯集終端設備的數據信息并通過無線方式發送給數據傳輸子系統中心模塊；WIA網絡上位機安裝在工作站，主要功能是用來顯示網絡拓撲、實時數據信息、設備狀態、歷史記錄及配置網絡設備數據率等信息。
3.2 系統硬件
系統硬件主要分為兩類。一類是無線網關，用于網絡管理，另一類是WIA設備，用于現場的各類參數檢測裝置和執行器。
3.2.1 WIA無線網關
WIA無線網關是集成WIA工業無線網絡核心協議的短程無線通信設備，工作在2.4GHz頻段。WIA無線網關負責整個網絡的管理、調度和優化，設定和維護網絡通信參數，統一為網絡設備分配通信資源和路由，配置網絡的運行，調度WIA網絡設備間的通信，監控并定時報告網絡的運行狀態。
WIA無線網關還作為全網的時間同步源，提供消息緩沖與保存，橋接所有網絡設備。WIA無線網關支持一個或多個網絡接入點和服務接入點。網絡接入點提供連接其他網絡的接口。服務接入點為上位機應用提供訪問和管理網絡的接口。WIA網關的主要功能與技術指標如下：
網絡規模：一臺WIA無線網關最多可以管理100個現場無線設備，通過互連多個網關可構建起大規模的復雜網絡；
波段：2.4GHz；
用戶接口：為用戶應用提供OPC、XML及HART三種接口方式；
全面API接口：支持一個或多個網絡接入點和服務接入點，實現不同協議的互連接和互操作；
多種通信接口：支持以太網、RS232等通信接口。
3.2.2 WIA無線儀表
檢測、控制儀表和執行機構是檢測工藝過程數據、執行控制系統命令的關鍵設備，因此要求井口的無線儀表和執行機構除了必須滿足其所需的精度要求外，處于爆炸環境的儀表防爆等級不低于ExdI IBT4，現場儀表防護等級不低于IP65，所有儀表設備必須在溫度-40～85℃，濕度≤95%RH環境下正常工作。具體包括以下一些主要的WIA無線儀表：
WIA低功耗無線載荷、位移、沖次一體化傳感器；
WIA微功耗無線壓力傳感器；
WIA微功耗無線溫度傳感器；
WIA三相電量智能采集控制模塊；
WIA微功耗無線流量傳感器；
WIA高壓智能流量計；
WIA微功耗數據采集控制終端。
3.3 系統軟件
系統軟件主要分為兩部分，一個是WIA網絡的管理軟件，該軟件運行在WIA無線網關上，用于管理WIA網絡設備。另一個是后臺用戶支撐軟件，用以完成對油井生產的自動化遠程監控。
3.3.1 WIA網絡管理軟件
WIA網絡管理軟件主要負責網絡管理、設備的入網認證和網絡安全管理，除了負責組網、維護網絡拓撲結構之外，WIA網絡管理軟件的上位機部分還具有人機交互功能，使網絡用戶可以隨時了解網絡的運行狀態并調整網絡的工作參數。WIA網絡上位機具有下列功能：
顯示網絡拓撲視圖；
顯示網絡所有設備基本信息；
設置網絡中設備的工作參數；
查詢網絡設備歷史數據信息；
查詢網絡設備路由信息。
3.3.2 后臺用戶支撐軟件
后臺用戶支撐軟件的主體是一個油井數據采集、工況分析與優化控制專家系統，該系統具有油井自動監測和數據采集、油井液量計量、油井工況診斷、系統效率優化設計等功能。具體包括如下功能：
（1）油井工況檢測功能
采集并顯示電壓、電流、功率、載荷、沖次、沖程、井口壓力、油溫、動液面、含水率、轉速、扭矩、變頻器相關數據等生產參數。
（2）故障報警功能
停電、停機、回壓異常、缺相及電流異常、抽油機抽空、防盜紅外監控，曲柄銷松動脫落等；預測故障位置和故障原因并進行相應提示。
（3）控制保護功能
對油井間抽控制；變頻器遠程控制；缺相、三相電流不平衡、曲柄銷脫落自動停機；油井動液面實時監測；實現對產液量的自動計量。
（4）數據管理功能
圖形方式實時顯示壓力、溫度、載荷、扭矩、電流、電壓、功率等各種生產參數及泵、機等生產設備運行狀態。
（5）生產管理及遙控指揮
自動記錄巡井時間；與油田局域網數據共享；可以通過現有局域網絡，在網上遠端監控油井生產現場并進行指揮。
（6）油井生產系統分析與優化決策功能
根據檢測數據，進行生產井參數優化設計、在線診斷、油井系統效率分析等。
（7）網絡查詢功能
通過IE瀏覽器和專用的視頻播放軟件，在油田信息網上可隨時瀏覽各井的監控畫面、實時生產數據等，查詢有關生產報表及分析結果。
4 結論
基于WIA技術的油井遠程計量與優化控制系統可以較低的成本提高油田生產的自動化程度，減少抽油機能耗。通過系統得到的大量數據，可完成精細化的油藏管理系統，以此為起點，通過精細化的采油工藝配合，可以達到提高采收率的目的。此外，通過部署遠程在線計量與優化控制系統，可實現“單管集油”、“撤銷計量站”等目標，從而大大減少地面管線投資和維護成本。
參考文獻：
[1] 曲長波等. 基于ADAM控制器和GPRS的油井遠程數據采集系統的設計與實現，石油化工自動化[J]. 2008. 44（3）.
[2] 楊瑞等. 油井遠程監控系統的應用與展望，石油化工自動化[J]. 2009. 45（4）.
[3] www.hart.com.
[4] www.industrialwireless.cn.
[5] www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.
[6]馬成才等. YD-2油井遠程產量計量及分析優化系統在馬廠油田的應用[J].石油工業技術監督，2008（9）.
[7]李小兵等. 油井功圖法自動計量與監測技術研究[J]. 石油化工自動化，2008（02）.
摘自《自動化博覽》2010年第二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號