無(wú)線通信控制器在數(shù)字化油田中的應(yīng)用

屈俐眉，趙小波

（延長(zhǎng)油田勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)研究中心，陜西延安 716000）

目前，我國(guó)油田開(kāi)發(fā)持續(xù)深入，困難也越來(lái)越突出，常規(guī)的油田開(kāi)發(fā)方式已逐漸不能滿足石油企業(yè)的需求。數(shù)字化是石油業(yè)務(wù)的發(fā)展軸心，利用各種通信手段對(duì)油田建設(shè)活動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是數(shù)字化油田建設(shè)的重要組成部分。油田設(shè)備的惡劣運(yùn)行條件、通信線路的復(fù)雜性限制了新技術(shù)在油田開(kāi)采作業(yè)中應(yīng)用。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備比較老舊，大部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)參數(shù)只能由現(xiàn)場(chǎng)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備查看的方式獲取，無(wú)法發(fā)送到控制平臺(tái)進(jìn)行匯總。同時(shí)，我國(guó)部分油田相距較遠(yuǎn)，并分布零散。在數(shù)字化油田建設(shè)中，仍有很多偏遠(yuǎn)區(qū)塊的井無(wú)法接入自動(dòng)化監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)油量的遠(yuǎn)程監(jiān)控。井口數(shù)據(jù)采集及其他設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸?shù)茸罨镜谋O(jiān)控任務(wù)都受到工作環(huán)境和地理環(huán)境的限制。而無(wú)線通信控制器可用于解決現(xiàn)有油田數(shù)字化設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)采集、收發(fā)的問(wèn)題。

1 GPRS無(wú)線通信控制器概述

1.1 工作方式

GPRS無(wú)線通信控制器基于現(xiàn)有的油田監(jiān)控接口和通訊協(xié)議與油田開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通訊。GPRS無(wú)線通信控制器工作方式如下：

（1）針對(duì)數(shù)字油田遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，無(wú)線通信控制器將采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，為數(shù)據(jù)傳輸做好準(zhǔn)備。

（2）無(wú)線通信控制器根據(jù)遠(yuǎn)程管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸速度、順序和協(xié)議要求，設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄C合管理終端。

（3）根據(jù)綜合管理平臺(tái)的要求設(shè)置信息接收格式，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，接收綜合管理平臺(tái)下達(dá)的操作指令。

1.2 主要特點(diǎn)

GPRS無(wú)線通信控制器可以獨(dú)立于其他設(shè)備運(yùn)行，人機(jī)界面比較簡(jiǎn)單。采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地存儲(chǔ)空間，收到相應(yīng)的調(diào)用命令后可以及時(shí)調(diào)用。同時(shí)其抗干擾能力強(qiáng)，可以在復(fù)雜嚴(yán)苛的運(yùn)行環(huán)境中工作，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和容錯(cuò)性，非常適合油田開(kāi)采監(jiān)控。

2 基于GPRS無(wú)線通信控制器的數(shù)字化油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)通常基于一組油井進(jìn)行。每個(gè)油井都有幾個(gè)特殊的變壓器為開(kāi)采設(shè)備供電。變壓器和井下電機(jī)之間也存在一對(duì)多的關(guān)系，本次研究以油井的單臺(tái)變壓器遠(yuǎn)程監(jiān)控為例，如圖1所示，每口井都有一個(gè)控制裝置，即石油開(kāi)采設(shè)備儀表，這些儀表由一個(gè)基于無(wú)線通信控制器的集中控制站進(jìn)行集中控制，每臺(tái)變壓器均配備配電變壓器表，同樣通過(guò)集中控制站控制。

圖1 數(shù)字化油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)油井設(shè)備構(gòu)成，提出一種無(wú)線分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)可分為主體、終端兩部分。安裝在每個(gè)油井開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線通信控制器可通過(guò)RS485、無(wú)線電等方式與儀表通信。通過(guò)無(wú)線通信控制器和GPRS網(wǎng)絡(luò)，集中控制站可以對(duì)每個(gè)油井的儀表進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集。

2.2 石油開(kāi)采設(shè)備儀表遠(yuǎn)程通信方案

如圖1所示，各個(gè)油井生產(chǎn)組的分布比較分散，通信地域范圍廣，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，這樣的工作環(huán)境可以體現(xiàn)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)。在油田開(kāi)采中，一臺(tái)變壓器通?？刂贫嗫诰儔浩骷捌鋵?duì)應(yīng)的油井分布相對(duì)集中，傳輸距離通常為數(shù)公里，傳輸數(shù)據(jù)量小，因此，可以通過(guò)無(wú)線電通信，既可以滿足通信要求，又可以節(jié)省成本。本次研究結(jié)合油田的分布結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，綜合考慮各種通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種GPRS和無(wú)線技術(shù)相結(jié)合的通信方式，即每個(gè)變壓器站配備一個(gè)無(wú)線通信控制器，每口井配備一個(gè)表計(jì)以及一臺(tái)無(wú)線電設(shè)備。無(wú)線通信控制器由GPRS模塊（用于與集中控制站通信）、無(wú)線電模塊（用于各井安裝的無(wú)線電設(shè)備的通信）以及其他硬件組成。

2.3 配電變壓器表遠(yuǎn)程通信方案

石油開(kāi)采設(shè)備儀表遠(yuǎn)程通信采用GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合短距離無(wú)線通信的方案，但該方案無(wú)法滿足配電變壓器的遠(yuǎn)程通信要求，主要是因?yàn)椋?/p>

（1）需求不同。石油開(kāi)采設(shè)備儀表主要用于監(jiān)測(cè)采油設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，功能相對(duì)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)量小，不需要存儲(chǔ)太多數(shù)據(jù)；而配電變壓器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的主要功能是分析變壓器容量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算各種電能質(zhì)量參數(shù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以便用戶隨時(shí)使用。

（2）儀表操作模式不同。控制石油開(kāi)采設(shè)備儀表的無(wú)線通信控制器需始終連接集中控制站，以便用戶可以隨時(shí)看到生產(chǎn)情況，單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量往往只有幾百字節(jié)。而變壓器的功能多，僅靠自帶儀表即可完多項(xiàng)控制任務(wù)，用戶操作主要是抄表，數(shù)據(jù)傳輸間隔時(shí)間長(zhǎng)，單次數(shù)據(jù)傳輸量可達(dá)MB級(jí)，傳輸時(shí)間長(zhǎng)，因此，只有在需傳輸數(shù)據(jù)時(shí)控制器才會(huì)建立與集中控制站的通信連接。

（3）目標(biāo)用戶不同。電機(jī)表遠(yuǎn)程通信控制方案為現(xiàn)場(chǎng)檢查人員設(shè)計(jì)，讓他們足不出戶實(shí)時(shí)查看采油設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，即時(shí)給出操作指令。變壓器表遠(yuǎn)程通信控制方案主要針對(duì)油田用電統(tǒng)計(jì)人員，可根據(jù)使用情況分配電力。

因此，需要開(kāi)發(fā)一種新的無(wú)線通信控制方案，由于每個(gè)電機(jī)表都配備了一個(gè)無(wú)線通信控制器，可進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高通信質(zhì)量，但也產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題。傳統(tǒng)的GPRS無(wú)線通信控制器啟動(dòng)后與集中控制站建立連接，意味著 GPRS無(wú)線通信控制器會(huì)立即與主機(jī)建立Internet連接。在終端數(shù)量少的情況下這種方法的劣勢(shì)并不明顯，但在終端數(shù)量多的情況下（如每臺(tái)儀表都配備一個(gè)GPRS終端的情況），每個(gè)GPRS無(wú)線通信控制器都必須先與集中控制站通信，且該連接始終保持，這會(huì)對(duì)GPRS無(wú)線通信控制器的使用壽命產(chǎn)生一定影響。另外，多臺(tái)GPRS無(wú)線通信控制器同時(shí)連接到集中控制站會(huì)造成的巨大網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。也必然會(huì)產(chǎn)生很大的干擾，最終導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。

因此，本次設(shè)計(jì)結(jié)合GSM短信功能、GPRS網(wǎng)絡(luò)，采用GSM短信+GPRS無(wú)線通信的混合通信方式。集中控制站采用GSM短信方式遠(yuǎn)程喚醒GPRS無(wú)線通信控制器，一旦無(wú)線通信控制器連接成功就可實(shí)現(xiàn)終端命令和數(shù)據(jù)傳輸，集中控制站發(fā)起的通信事件結(jié)束后，通信雙方可以自動(dòng)關(guān)閉連接，下次需要GPRS無(wú)線通信時(shí)，重復(fù)上述操作即可。

2.4 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

2.4.1 通信協(xié)議

802.11協(xié)議是IEEE開(kāi)發(fā)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線LAN協(xié)議。該協(xié)議可以在2 400MHz 頻帶中通信。采用擴(kuò)頻技術(shù)，具有很強(qiáng)的抗干擾能力和安全性。Modbus協(xié)議是世界上第一個(gè)用于工業(yè)建筑工地的總線協(xié)議。目前已經(jīng)發(fā)展成為一種基本的通信協(xié)議，可廣泛用于Modbus串行、Modbus+和Modbus TCP。Modbus是一種電子控制器。

2.4.2 通信需求

該系統(tǒng)采用GPRS作為通信網(wǎng)絡(luò)，將多個(gè)設(shè)備儀表連接到一個(gè)集中控制站。集中控制站是服務(wù)器，是主動(dòng)與無(wú)線通信控制器交換信息的設(shè)備。無(wú)線通信控制器采集各種設(shè)備的參數(shù)，并存儲(chǔ)在內(nèi)存中上傳。無(wú)線通信控制器需要在兩種情況下啟動(dòng)通信過(guò)程。

（1）當(dāng)集中控制站請(qǐng)求無(wú)線通信控制器數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線通信控制器將采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)上傳到集中控制站。如果設(shè)備發(fā)生故障，則將故障記錄上傳到集中控制站。

（2）當(dāng)集中控制站向無(wú)線通信控制器發(fā)送運(yùn)行控制命令時(shí)，無(wú)線通信控制器確認(rèn)并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。無(wú)線通信控制器連接到互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與集中控制站通信。要實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信控制器的遙控和遙控功能，集中控制站必須與無(wú)線通信控制器進(jìn)行如下通訊。①數(shù)據(jù)請(qǐng)求：向無(wú)線通信控制器請(qǐng)求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查詢無(wú)線通信控制器設(shè)備狀態(tài)，查詢無(wú)線通信控制器運(yùn)行參數(shù)。②操作設(shè)置：設(shè)置無(wú)線通信控制器的運(yùn)行參數(shù)，設(shè)置無(wú)線通信控制器的設(shè)備類型和時(shí)序等。③數(shù)據(jù)庫(kù)管理：集中控制站將無(wú)線通信控制器上傳的信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，供用戶查看、打印和分析歷史數(shù)據(jù)。這樣，用戶就可以使用GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全可靠地對(duì)油田進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.4.3 通訊過(guò)程描述

無(wú)線通信控制器與集中控制站的通訊過(guò)程如下：

（1）無(wú)通訊任務(wù)狀態(tài)，集中控制站與無(wú)線通信控制器無(wú)通訊。

（2）集中控制站用戶發(fā)送控制請(qǐng)求，要求無(wú)線通信控制器執(zhí)行某種動(dòng)作，此時(shí)集中控制站等待無(wú)線通信控制器回復(fù)確認(rèn)幀，若無(wú)線通信控制器回應(yīng)超時(shí)，集中控制站重發(fā)。

（3）若集中控制站連續(xù)三次重發(fā)，無(wú)線通信控制器均無(wú)回應(yīng)，集中控制站將進(jìn)入無(wú)線通信控制器故障處理流程。

（4）集中控制站用戶發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，要求無(wú)線通信控制器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，此時(shí)集中控制站等待無(wú)線通信控制器回復(fù)數(shù)據(jù)幀，如果無(wú)線通信控制器回應(yīng)超時(shí)，集中控制站重發(fā)。

（5）若集中控制站連續(xù)三次重發(fā)，無(wú)線通信控制器均無(wú)回應(yīng)，集中控制站將進(jìn)入對(duì)無(wú)線通信控制器的故障處理過(guò)程。

（7）集中控制站向無(wú)線通信控制器發(fā)送詢問(wèn)幀，等待無(wú)線通信控制器的確認(rèn)應(yīng)答，如果無(wú)線通信控制器回應(yīng)超時(shí)，集中控制站重發(fā)。

（8）如果集中控制站連續(xù)三次重發(fā)請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳輸命令，無(wú)線通信控制器均無(wú)回應(yīng)，集中控制站進(jìn)入對(duì)無(wú)線通信控制器的故障處理過(guò)程。

2.5 GPRS無(wú)線通信控制器硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線通信控制器的作用是傳輸命令和數(shù)據(jù)，不需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，也不需要具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。因此，該系統(tǒng)以采用AT89C55WD作為控制核心，系統(tǒng)啟動(dòng)后，AT89C55WD開(kāi)始從內(nèi)部20K字節(jié)閃存中讀取指令。使用GMl6C550擴(kuò)展串口連接GPRS調(diào)制解調(diào)器，圖2為系統(tǒng)硬件硬件框圖。

圖2 GPRS無(wú)線通信控制器硬件框圖

如圖2所示，系統(tǒng)包括以AT89C55WD為中心的幾個(gè)小模塊，用于實(shí)現(xiàn)各種功能，各個(gè)模塊的基本功能如下：

（1）系統(tǒng)復(fù)位模塊采用IMP705芯片，該芯片具有看門(mén)狗和電源電壓監(jiān)測(cè)功能，可為系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)。

（2）選擇12MHz無(wú)源晶振為AT89C55WD系統(tǒng)時(shí)鐘提供時(shí)鐘信號(hào)

（3）電源模塊：為系統(tǒng)提供電能。

（4）無(wú)線電模塊：選用D21DL無(wú)線數(shù)傳模塊，可與各油井設(shè)備配備的無(wú)線電模塊進(jìn)行小批量短距離數(shù)據(jù)傳輸。

（5）為系統(tǒng)提供大量?jī)?nèi)存用于臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的靜態(tài) RAM 模塊。

（6）撥通GPRS模塊、HTS08 GPRS調(diào)制解調(diào)器模塊，通過(guò)GPRS 10-fl連接建立終端與主控站的連接，進(jìn)行撥號(hào)、連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

2.6 GPRS無(wú)線通信控制器軟件設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，無(wú)線通信控制器軟件功能模塊主要包括主應(yīng)用處理模塊、集中控制站通訊模塊、設(shè)備儀表通訊模塊。其中主應(yīng)用處理模塊是系統(tǒng)軟件的核心，其下設(shè)串口擴(kuò)展模塊、GPRS鏈路模塊，串口擴(kuò)展模塊采用16C550芯片，提供通用串口擴(kuò)展。GPRS鏈路模塊的作用是通過(guò)宏天HT808 GPRS模塊指令與集中控制站建立通信連接。與各設(shè)備儀表通信模塊主要實(shí)現(xiàn)與設(shè)備儀表進(jìn)行通信，通過(guò)D21D無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 結(jié)論

GPRS無(wú)線通信控制器具有高度的安全性和實(shí)用性，配備多種設(shè)備接口，可以實(shí)現(xiàn)多種形式的組網(wǎng)互聯(lián)互通，有效降低數(shù)字油田的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本，節(jié)約資金，簡(jiǎn)化整個(gè)油田的監(jiān)控流程。本課題根據(jù)數(shù)字化油田的需求，通過(guò)引入GPRS無(wú)線通信技術(shù)可以有效滿足數(shù)字化油田的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的油田遠(yuǎn)程通信控制系統(tǒng)。主要工作是油田設(shè)備儀表的遠(yuǎn)程控制方法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及適用于油田系統(tǒng)的通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。