无线传感器组网智能监控系统

基于物联网地油田智能信息监控系统实践

张福生.蒋安波.杨立强.刘俊娜

1概述

油田涉及各种设备和系统,油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里,分布比较零散,目前大多采用人工巡井方式,由人工每日定时检查各设备运行情况并记录各相关数据.这种方式必然增加工人劳动强度,并且影响了设备监控与采油数据地实时性和准确性.并且当抽油机.电泵.油压.油温等出现异常时不能及时发现,得不到有效监控.防患和控制.为此,油田急需建设一套基于物联网地油田智能信息监控系统.以实现智能地监测和控制油田地油井.计量站.联合站.油品集输.油罐.天燃气站等各种重要设施和油田安全生产场所,监测.采集和汇集生产各环

节地数据,并进行相应地分析.定位.处理和控制.

该系统采用以ZigBee为无线通信技术和传感器技术组建无线传感器通信网络,并运用计算机技术.自动控制技术.嵌入式开发技术.现代通信技术.组态技术.音视频监控技术.GIS.GPS以及现代软件工程理论和软件编程方法等技术来解决行业信息化中生产信息地智能监测与控制,还可应用于各相关行业地各种信息化监测与控制领域.

2.应用背景

随着世界科技和经济地高速发展,人们对生产现场各种资源信息地获取和控制倾向于自动化.智能化,特别是具有危险性.人力不方便触及.数量巨大地设备参数控制等方面.例如：人们对石油地需求日益

增大,石油资源又是一种不可再生地天然资源,加之油田企业各岗位原则上不增编地用人机制,在此种条件下如何确保油田企业安全.高效稳产是油田企业所面临地严峻现实.油田采油通常由油井.计量站.中转站.联合站.原油外输系统.油罐.天燃气罐以及油田地其它设施组成,整个采油厂.矿.站各种生产设施地工作状态及其产品（如水.油.气等）地相应数据（如温度.压力.流量等）就直接关系到油田生产地稳定及安全,而这些重要数据目前大多由人工方式每日定时检查设备运行情况并测量.统计相关各生产数据,这种客观条件必然使工人劳动强度加重,并且影响了设备监控与生产数据地实时性,甚至准确性,同时存在疏漏.笔误和作假等隐患.目前,我国一些油田企业也采取一些通过诸如RS485总线形式地局域有线网.便携式采集设备地方式或以GSM短信息地方式达到对油井部分生产数据监测和统计之目地,一定程度上解决了上述问题,但这些技术有较大地局限性.首先,油田各采油厂.矿.站需要监测地设备量较大,并相对分散,有线组网方式布线困难,灵活性差,建设成本高,而且出现网络故障时,短时间内很难定位和排除故障点；其次,油田各采油厂.矿.站内通常都有大功率地电机.泵机甚至变电站,这些设备工作时所产生地干扰可直接侵入网络而导致有线网络瘫痪,严重时周边设备都不能正常工作；第三,有线网络对油田各设备地检修产生一定程度地障碍,一旦维修人员维修时不小心可能导致有线网络地物理连接失效,使有线网络不能正常工作.至于便携式采集设备,其只能解决部分生产设备或数据地采集和监测问题,而且由于其采集时需要人工安装到相应生产设备上,

将相应数据采集到便携式设备中,需要经常拆装,其与生产设备地接口部分磨损严重,常出现接触不良或无法连接地问题,并且将采集来地生产数据需要人工方式再上传至生产监测分析系统,仍然存在数据地实时性差和便携式设备丢失等问题；采用短消息地方式也存在上述问题,即基于（GSM）地短消息（SMS）或无线分组网（GPRS）通信方式实现了仅是对油井设备地监控,虽然解决了油田井口一些设备地监控问题,但仍然存在短消息滞后.丢失.GPRS掉线等通信受阻问题,其通信设备相对于ZigBee模块成本高.还需长期缴纳信息服务费,该系统地实时性.可靠性和控制地安全性差.

传感器技术是一种自动检测技术,被广泛应用于工业自动检测领域；ZigBee（802.15.4协议）技术是一种新一代地短距离双向无线通信技术,具有低成本（免执照频段.免专利协议）.低功耗（省电）.

网络容量大.安全性高.抗干扰力强.网络自愈力强地特点,二者融合并辅以相应控制器可克服以上组网方式或系统地局限性,彻底实现油田信息地智能化监测和控制.

3.系统建设目地

本系统是以克服上述缺失和局限性为基础,结合并推广了现有油田生产设备监控管理系统应用地设计思路,将油田地采油厂.矿.站中地计量站.中转站.联合站.原油外输系统.油罐.天燃气罐以及油田地其它设施地生产工况.工作状态等监测数据或信息,利用传感器技术和ZigBee技术构建无线传感器网络,并实时.安全.低成本地将监测和控制信息通过本地监控中心地油田信息监控管理系统软件接入油

田企业现有地各级网络中,实现对油田企业各相关生产设备.生产数据.安全指标等信息地监测.定位.分析处理.显示.警示和控制.

4.系统实施原理

本系统采用基于ZigBee通信与传感器组网地行业信息监控系统及其监控方法.以无线ZigBee技术为实现方式之一,其中基于ZigBee 与传感器组网地油田信息监控系统包括如下单元：

监控对象N：指油田地各采油厂.矿.站生产中所关注地各种生产设备.生产状态.生产参数等信息,监控对象地编号N（以下同）可以取1,2,3,……,n（n<65000以下同）地整数.如各管线（水.气.油）地压力.温度.流速流量等；电机地工作电压.电流和功率等.

传感器模块N：对应于被监控对象从1～n整数编号,用于检测和识别被监控对象地状态,并将识别到地各信息转换为可识别地电信号（称数据信息）；

执行器模块N：对应于被监控对象从1～n整数编号,用于执行ZigBee终端节点模块发来地控制指令,对被监控对象地状态施加影响,使被监控对象地状态保持在系统预设地正常状态下；

ZigBee终端节点模块N：用于将传感器模块传来地数据信息发送给ZigBee路由节点模块（X或Y）,并接收来自ZigBee路由节点模块（X或Y）,经串行接口发给执行器模块, 同一网段地ZigBee路由节点模块地编号X和Y可分别是1,2,3,……,n地整数,n通常小于65000；

ZigBee路由节点模块（X或Y）：用于将来ZigBee终端节点模块