中国石油华北油田采油工程研究院

阿尔油田单井自动化系统ZigBee与RFID的通信组合技术

刘金亮 吴义辉 孙丹丹 王宇蒙 张 姿 张文静

中国石油华北油田采油工程研究院

针对阿尔油田恶劣气候和无遮挡草原地理环境特点，确定“保障生产、减人增效、减小劳动强度”为自控系统设计理念。通过将ZigBee与RFID两种无线通信技术创新组合，应用该组合技术实现短距井场数据传输接力，解决丛式井组、通讯盲点的数据采集和控制，实现由1套ZigBee接收RTU箱管理10口单井井口设备，节省了通信建设投资，完成了内蒙古阿尔油田的单井远程实时监控，现场应用取得了良好效果。

油田生产自动化；ZigBee；RFID；阿尔油田

随着油田建设自动化、数字化的快速发展，对与油田建设相配套的网络和通信技术要求越来越高，特别是野外现场分散的油水井数据采集作为最基础的数据来源，其数据的安全稳定传输愈发重要。短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。

ZigBee技术（短距离无线传感器技术）是一种新的无线通信技术，特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备[1]。基于ZigBee的技术优点，华北油田采油工程研究院通过将ZigBee与RFID（射频识别技术）两种无线通信技术组合实现短距离井场数据传输接力，解决丛式井组、通讯盲点的数据采集和控制，实现由1套ZigBee接收RTU箱管理10口单井井口设备，节省了通讯建设投资，完成了内蒙古阿尔油田的单井远程实时监控，现场应用取得了良好效果。这种新型无线通信组合技术在油田单井自动化监控系统领域的成功应用标志着无线通信技术的新方向，这些先进实用技术的推广应用为数字化油田建设发挥了重要的作用。

1 阿尔油田自动化系统

阿尔油田所在区域气候寒冷、干旱、风沙大、雨少。春季冷空气活动频繁，易出现寒潮、暴风雪等灾害性天气；冬季冰封湖冻，寒冷漫长。在这样一个高寒地区实施自动化建设，必须要考虑仪表设备在野外的宽温性能，同时其无遮挡草原地理环境有利于无线数据的通信。阿尔油田的自动化监控系统组成如图1所示。其主要包括联合站中控室单井监控系统、图像监视系统、联合站数据监控系统和站外单井RTU。系统主要特点是集中管理、分散控制，具有很强的自主性、协调性、灵活性和可靠性。

图1 自动化监控系统组成

阿尔油田单井自动化监控系统数据流向为：采用短距离无线RFID技术，将1口井的各类传感器数据无线上传到单井的RTU柜，再通过ZigBee技术将各单井的RTU柜数据无线远传汇总至数据接收RTU箱。每个RTU箱最多管理10个井口设备，作为1组，其地址设置在单井监控终端的配置文件中，McWill通信协议为TCP/IP，可设置固定的IP地址。在现场实际应用中，管理人员可根据实际监控的井数和位置进行组合分配。最后，RTU箱通过油田McWill专用网络上传至中控室单井监控终端，实现油田单井的远程实时监控。

2ZigBee技术

ZigBee技术是一种双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术，主要适合于承载数据流量较小的业务，可嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能[2]。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。

IEEE802.15.4在物理层(PHY)设计中面向低成本和更高层次的集成需求，采用的工作频率分为2.4GHz、915MHz和868MHz三种。由于ZigBee使用的频段是免费开放的，故已有多种无线通信技术在使用。为避免被干扰，在各个频段皆采用直接序列展频(DSSS)技术，以化整为零方式将1个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号以避免干扰。对大部分较低端用户的来说，直接序列展频技术的应用可使模拟电路变得简单，具有更高的容错性能。

IEEE802.15.4在媒体存取控制层(MAC)方面，主要是沿用无线局域网(WLAN)中IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。所谓的CSMA/CA是在传输之前，先检查信道是否有数据传输，若信道无数据传输，则开始进行数据传输动作；若产生碰撞，则稍后重新再传。这种MAC层的设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可实现非常有效的低功耗管理。

在阿尔油田单井自动化监控系统中采用的工作频率为915MHz，故实际工作中最多每10口单井可作为1组，ZigBee技术的低功耗和低成本是采用其技术的主要原因之一。

3 ZigBee与RFID结合的创新通信技术

3.1 应用RFID技术的井口组成

RFID是一项利用射频信号，通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现无接触信息传递，并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

阿尔油田自动化监控系统在井口采用短距离无线技术作为传感器与RTU之间的通信方法，将传感器、MCU控制器及无线收发模块组合在一起，构成一体化的微功耗无线传感器，实现现场生产参数的无线采集。

为了保证设备在正常情况下能工作2～3年，在硬件设计上采用低功耗元器件；在软件设计上，除电源管理芯片外，其他芯片都处于休眠状态，每隔几秒微处理器中断唤醒来处理事件，工作完毕后继续休眠，从而使静态功耗控制在μA级。

3.2 应用ZigBee技术完成井口RTU数据的远传接力

由于短距离无线传感器的有效传输距离只有100m左右，不具备进一步远传的能力，而ZigBee技术的有效识别距离可达1500m，特别适合油田井网的组合，并且在实际应用中可灵活任意选择井群进行配置。将两种技术的优点组合构成了阿尔油田单井自动化监控系统独特的数据传输方式，为进一步研究高寒草原环境的油田数据通信模式提供了一个参考。

4 系统应用效果

新型无线组合网络系统自2011年8月投入使用至今，运行稳定可靠，维护操作简便，其经济效益和社会效益明显。

（1）单井设备集中实时监控，生产状况一目了然，满足油田安全生产的需要。该系统成功投运后，实现了计算机每5min自动轮回巡检，并做到发生故障随时报警，关键生产参数超限报警处理，确保了油田安全生产。

（2）油井生产运行参数自动诊断、管理优化。该系统集数据采集管理、生产设备监控为一体，特别是单井自动化的平稳运行实现了井口连续计量的优化建产模式，为数字化油田的建设奠定了基础。

（3）自组单井网络灵活、可靠。

（4）提高生产效率。远程监控使得值班人员可以了解油井实时生产情况，可随时根据井况的变化采取相应措施，对现场生产异常情况及时处理。

5 结语

针对阿尔油田恶劣气候和无遮挡草原地理环境特点，确定“保障生产、减人增效、减小劳动强度”为自控系统设计理念。在技术上，采用Zig Bee与RFID结合的创新通信技术，实现了井站定时巡查、运行远程监控、数据随时查询、功图实时生成、超限及时报警、故障人工排除功能，为阿尔油田产能建设的正常运行提供了技术和安全保障。在管理上，以调度中控室为中心，联合站、单井为两翼，实现油气生产的扁平化管理；建成了适用于阿尔油田自动化示范区，实现远程数据实时监控的生产数据管理平台。

[1]王欢，郭亮．ZigBee技术在安塞油田数字化井场中的应用[J]．油气田地面工程，2012，31（1）：51-52．

[2]张少轩，刘甜．ZigBee技术在油田远程监控系统的应用[J]．油气田地面工程，2014，33（4）：46-47．

（栏目主持关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.6.017