（中國科學(xué)院 沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng) 110016） 曾 鵬，王 軍
                            
    曾鵬（1976-）男，工學(xué)博士，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員，研究方向為工業(yè)通信、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。出版專(zhuān)著(zhù)1部，在國內外重要學(xué)術(shù)會(huì )議和期刊上發(fā)表論文50余篇，申請發(fā)明專(zhuān)利10余項。近年來(lái)承擔多項國家級科研項目，主持國家863計劃工業(yè)無(wú)線(xiàn)方向重點(diǎn)項目的研發(fā)工作。

    摘要：工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是一種新興的面向設備間信息交互的短程、低速率、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境使用。本文介紹了采用基于WIA技術(shù)的油井遠程在線(xiàn)計量與優(yōu)化控制系統。該系統具有油井工況數據自動(dòng)監測、液量計量、工況診斷、系統效率優(yōu)化設計等功能。整個(gè)系統具有成本低、可靠性高的特點(diǎn)，適合對油田現有的生產(chǎn)流程進(jìn)行優(yōu)化簡(jiǎn)化。

    關(guān)鍵詞：WIA；油井；遠程監測；液量計量；分析優(yōu)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(chǎn)作業(yè)設備大多位于野外且分布散遠，因而油井遠程生產(chǎn)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(lèi)系統主要由監控設備、通信網(wǎng)絡(luò )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(lèi)，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(zhuān)用監測儀表，如示功儀、電機監測儀等?？刂蒲b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(dòng)閉鎖裝置等。

    現有的油井監控系統通信網(wǎng)絡(luò )大多采用單層無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構，小范圍內的多個(gè)監控設備通過(guò)有線(xiàn)方式連接到安裝有窄帶數傳電臺或GPRS模塊的RTU，對數據進(jìn)行匯總后再通過(guò)數傳電臺或GPRS網(wǎng)絡(luò )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(gè)系統造價(jià)和維護費用都很高。

    當前我國大部分油田已經(jīng)進(jìn)入高含水期，單井產(chǎn)量小，邊際經(jīng)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(diǎn)，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(chǎn)井上應用的經(jīng)濟上的可能性。

    隨著(zhù)Wireless HART[3]和WIA[4]等工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，在一個(gè)較大的作業(yè)區域內，多個(gè)無(wú)線(xiàn)監控設備、無(wú)線(xiàn)中繼器和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)可以組成一個(gè)多跳MESH網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )內的各種監控設備及中繼器、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò )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(wú)線(xiàn)監控設備，從而使油田監控系統的經(jīng)濟性、易用性以及可擴展性大大改善。

    2 工業(yè)無(wú)線(xiàn)WIA技術(shù)

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是滿(mǎn)足工業(yè)應用高可靠性、低能耗、硬實(shí)時(shí)等特殊需求的一類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，是傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)最具代表性的重要分支?；诠I(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的測控系統，與傳統的有線(xiàn)測控系統相比，具有以下一些優(yōu)勢：

     低成本、易施工。

    在傳統的有線(xiàn)系統中，布線(xiàn)的成本是$30～$100/每米，在一些惡劣環(huán)境下，可達到$2000/每米。使用工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)將使測控系統的安裝與維護成本最高可降低90％，是實(shí)現低成本測控系統的關(guān)鍵技術(shù)。

    高可靠、易維護。

    在有線(xiàn)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(wú)線(xiàn)技術(shù)將從根本上杜絕此類(lèi)故障的發(fā)生。

    高靈活、易使用。

    使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)后，現場(chǎng)設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場(chǎng)儀表與被控設備的可移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò )結構的靈活性以及工程應用的多樣性。用戶(hù)可以根據工業(yè)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(kāi)始制定的面向工業(yè)自動(dòng)化應用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)標準體系。

    目前已完成了WIA-PA規范國家標準征求意見(jiàn)稿和IEC PAS、NP文件的制訂，成為在國際上與Wireless HART被同時(shí)承認的僅有的兩個(gè)國際標準之一。

    WIA-PA協(xié)議架構如圖1所示，其物理層、MAC層直接采用了IEEE802.15.4協(xié)議標準[5]，鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層由我國自主制定，其抗干擾、低能耗、實(shí)時(shí)通信等核心技術(shù)主要體現在鏈路層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。WIA的用戶(hù)應用進(jìn)程包含的功能模塊是多個(gè)用戶(hù)應用對象。設備管理應用進(jìn)程包含的功能模塊有：設備管理模塊、網(wǎng)絡(luò )管理模塊、安全管理模塊、網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)結合星型子網(wǎng)的兩層拓撲結構，是高可靠自組織網(wǎng)絡(luò )，具有以下技術(shù)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(diǎn)到點(diǎn)通信的抗干擾能力；

    鏈路層自動(dòng)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(wǎng)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(guò)使用工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )WIA技術(shù)，用戶(hù)可以以較低的投資和使用成本實(shí)現對工業(yè)生產(chǎn)的全程感知，獲取之前由于成本原因無(wú)法在線(xiàn)監測的重要工業(yè)過(guò)程參數，并以此為基礎實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)達到提高產(chǎn)量、質(zhì)量和節能降耗的目標。

    3 基于WIA技術(shù)的油井遠程計量與優(yōu)化控制系統

    和現有油井遠程監控系統相比，基于WIA技術(shù)的系統改進(jìn)主要體現在底層網(wǎng)絡(luò )的連接方式和后臺數據的處理上。

    由于WIA技術(shù)適合大量現場(chǎng)設備的無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，井口的設備網(wǎng)絡(luò )將不再需要有線(xiàn)連接到RTU，而是完全實(shí)現低成本無(wú)線(xiàn)連接，因此能夠實(shí)時(shí)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(shù)的油井遠程計量和優(yōu)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(zhuān)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(shí)時(shí)傳輸，后臺的專(zhuān)家系統[6][7]則完成人機交互、遠程計量、工況分析以及優(yōu)化控制等任務(wù)，整個(gè)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(chǎng)終端設備、WIA網(wǎng)關(guān)及WIA網(wǎng)絡(luò )上位機三部分組成。井口的現場(chǎng)終端設備主要包括WIA無(wú)線(xiàn)壓力變送器、WIA無(wú)線(xiàn)溫度變送器、WIA無(wú)線(xiàn)示功儀及WIA無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)設備安裝示意圖
    終端設備用來(lái)周期性從現場(chǎng)采集數據信息，包括壓力、溫度、示功、電機狀態(tài)參數等通過(guò)無(wú)線(xiàn)電波發(fā)送給WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)；WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的主要功能是對整個(gè)數據采集子系統網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理及維護，匯集終端設備的數據信息并通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送給數據傳輸子系統中心模塊；WIA網(wǎng)絡(luò )上位機安裝在工作站，主要功能是用來(lái)顯示網(wǎng)絡(luò )拓撲、實(shí)時(shí)數據信息、設備狀態(tài)、歷史記錄及配置網(wǎng)絡(luò )設備數據率等信息。

    3.2 系統硬件

    系統硬件主要分為兩類(lèi)。一類(lèi)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，用于網(wǎng)絡(luò )管理，另一類(lèi)是WIA設備，用于現場(chǎng)的各類(lèi)參數檢測裝置和執行器。

    3.2.1 WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)

    WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)是集成WIA工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )核心協(xié)議的短程無(wú)線(xiàn)通信設備，工作在2.4GHz頻段。WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)負責整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的管理、調度和優(yōu)化，設定和維護網(wǎng)絡(luò )通信參數，統一為網(wǎng)絡(luò )設備分配通信資源和路由，配置網(wǎng)絡(luò )的運行，調度WIA網(wǎng)絡(luò )設備間的通信，監控并定時(shí)報告網(wǎng)絡(luò )的運行狀態(tài)。

    WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)還作為全網(wǎng)的時(shí)間同步源，提供消息緩沖與保存，橋接所有網(wǎng)絡(luò )設備。WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)支持一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)提供連接其他網(wǎng)絡(luò )的接口。服務(wù)接入點(diǎn)為上位機應用提供訪(fǎng)問(wèn)和管理網(wǎng)絡(luò )的接口。WIA網(wǎng)關(guān)的主要功能與技術(shù)指標如下：

    網(wǎng)絡(luò )規模：一臺WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)最多可以管理100個(gè)現場(chǎng)無(wú)線(xiàn)設備，通過(guò)互連多個(gè)網(wǎng)關(guān)可構建起大規模的復雜網(wǎng)絡(luò )；

    波段：2.4GHz；

    用戶(hù)接口：為用戶(hù)應用提供OPC、XML及HART三種接口方式；

    全面API接口：支持一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò )接入點(diǎn)和服務(wù)接入點(diǎn)，實(shí)現不同協(xié)議的互連接和互操作；

    多種通信接口：支持以太網(wǎng)、RS232等通信接口。

    3.2.2 WIA無(wú)線(xiàn)儀表

    檢測、控制儀表和執行機構是檢測工藝過(guò)程數據、執行控制系統命令的關(guān)鍵設備，因此要求井口的無(wú)線(xiàn)儀表和執行機構除了必須滿(mǎn)足其所需的精度要求外，處于爆炸環(huán)境的儀表防爆等級不低于ExdI IBT4，現場(chǎng)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(huán)境下正常工作。具體包括以下一些主要的WIA無(wú)線(xiàn)儀表：

    WIA低功耗無(wú)線(xiàn)載荷、位移、沖次一體化傳感器；

    WIA微功耗無(wú)線(xiàn)壓力傳感器；

    WIA微功耗無(wú)線(xiàn)溫度傳感器；

    WIA三相電量智能采集控制模塊；

    WIA微功耗無(wú)線(xiàn)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(gè)是WIA網(wǎng)絡(luò )的管理軟件，該軟件運行在WIA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)上，用于管理WIA網(wǎng)絡(luò )設備。另一個(gè)是后臺用戶(hù)支撐軟件，用以完成對油井生產(chǎn)的自動(dòng)化遠程監控。

    3.3.1 WIA網(wǎng)絡(luò )管理軟件

    WIA網(wǎng)絡(luò )管理軟件主要負責網(wǎng)絡(luò )管理、設備的入網(wǎng)認證和網(wǎng)絡(luò )安全管理，除了負責組網(wǎng)、維護網(wǎng)絡(luò )拓撲結構之外，WIA網(wǎng)絡(luò )管理軟件的上位機部分還具有人機交互功能，使網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)可以隨時(shí)了解網(wǎng)絡(luò )的運行狀態(tài)并調整網(wǎng)絡(luò )的工作參數。WIA網(wǎng)絡(luò )上位機具有下列功能：

    顯示網(wǎng)絡(luò )拓撲視圖；

    顯示網(wǎng)絡(luò )所有設備基本信息；

    設置網(wǎng)絡(luò )中設備的工作參數；

    查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )設備歷史數據信息；

    查詢(xún)網(wǎng)絡(luò )設備路由信息。

    3.3.2 后臺用戶(hù)支撐軟件

    后臺用戶(hù)支撐軟件的主體是一個(gè)油井數據采集、工況分析與優(yōu)化控制專(zhuān)家系統，該系統具有油井自動(dòng)監測和數據采集、油井液量計量、油井工況診斷、系統效率優(yōu)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(dòng)液面、含水率、轉速、扭矩、變頻器相關(guān)數據等生產(chǎn)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(xiāo)松動(dòng)脫落等；預測故障位置和故障原因并進(jìn)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(xiāo)脫落自動(dòng)停機；油井動(dòng)液面實(shí)時(shí)監測；實(shí)現對產(chǎn)液量的自動(dòng)計量。

    （4）數據管理功能

    圖形方式實(shí)時(shí)顯示壓力、溫度、載荷、扭矩、電流、電壓、功率等各種生產(chǎn)參數及泵、機等生產(chǎn)設備運行狀態(tài)。

    （5）生產(chǎn)管理及遙控指揮

    自動(dòng)記錄巡井時(shí)間；與油田局域網(wǎng)數據共享；可以通過(guò)現有局域網(wǎng)絡(luò )，在網(wǎng)上遠端監控油井生產(chǎn)現場(chǎng)并進(jìn)行指揮。

    （6）油井生產(chǎn)系統分析與優(yōu)化決策功能

    根據檢測數據，進(jìn)行生產(chǎn)井參數優(yōu)化設計、在線(xiàn)診斷、油井系統效率分析等。

    （7）網(wǎng)絡(luò )查詢(xún)功能

    通過(guò)IE瀏覽器和專(zhuān)用的視頻播放軟件，在油田信息網(wǎng)上可隨時(shí)瀏覽各井的監控畫(huà)面、實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據等，查詢(xún)有關(guān)生產(chǎn)報表及分析結果。

    4 結論

    基于WIA技術(shù)的油井遠程計量與優(yōu)化控制系統可以較低的成本提高油田生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，減少抽油機能耗。通過(guò)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(diǎn)，通過(guò)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(guò)部署遠程在線(xiàn)計量與優(yōu)化控制系統，可實(shí)現“單管集油”、“撤銷(xiāo)計量站”等目標，從而大大減少地面管線(xiàn)投資和維護成本。

    參考文獻：

    [1] 曲長(cháng)波等. 基于A(yíng)DAM控制器和GPRS的油井遠程數據采集系統的設計與實(shí)現，石油化工自動(dòng)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(dòng)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(chǎn)量計量及分析優(yōu)化系統在馬廠(chǎng)油田的應用[J].石油工業(yè)技術(shù)監督，2008（9）.

    [7]李小兵等. 油井功圖法自動(dòng)計量與監測技術(shù)研究[J]. 石油化工自動(dòng)化，2008（02）.

     摘自《自動(dòng)化博覽》2010年第二期