無線通信控制器在數字化油田中的應用

屈俐眉，趙小波

（延長油田勘探開發技術研究中心，陜西延安 716000）

目前，我國油田開發持續深入，困難也越來越突出，常規的油田開發方式已逐漸不能滿足石油企業的需求。數字化是石油業務的發展軸心，利用各種通信手段對油田建設活動進行遠程監控是數字化油田建設的重要組成部分。油田設備的惡劣運行條件、通信線路的復雜性限制了新技術在油田開采作業中應用。傳統的數據監控系統設備比較老舊，大部分生產數據參數只能由現場人員通過現場設備查看的方式獲取，無法發送到控制平臺進行匯總。同時，我國部分油田相距較遠，并分布零散。在數字化油田建設中，仍有很多偏遠區塊的井無法接入自動化監控網絡，無法實現對產油量的遠程監控。井口數據采集及其他設備數據的傳輸等最基本的監控任務都受到工作環境和地理環境的限制。而無線通信控制器可用于解決現有油田數字化設計中的數據采集、收發的問題。

1 GPRS無線通信控制器概述

1.1 工作方式

GPRS無線通信控制器基于現有的油田監控接口和通訊協議與油田開采現場設備進行無線數據通訊。GPRS無線通信控制器工作方式如下：

（1）針對數字油田遠程監控的需求，無線通信控制器將采集到的現場數據進行整合，為數據傳輸做好準備。

（2）無線通信控制器根據遠程管理平臺的數據傳輸速度、順序和協議要求，設置數據傳輸參數，轉換數據傳輸協議，將數據傳輸到綜合管理終端。

（3）根據綜合管理平臺的要求設置信息接收格式，對現場數據進行分析處理，接收綜合管理平臺下達的操作指令。

1.2 主要特點

GPRS無線通信控制器可以獨立于其他設備運行，人機界面比較簡單。采集的數據存儲在本地存儲空間，收到相應的調用命令后可以及時調用。同時其抗干擾能力強，可以在復雜嚴苛的運行環境中工作，具有很強的適應性和容錯性，非常適合油田開采監控。

2 基于GPRS無線通信控制器的數字化油田遠程監控系統設計

2.1 系統總體設計

油田現場生產通?；谝唤M油井進行。每個油井都有幾個特殊的變壓器為開采設備供電。變壓器和井下電機之間也存在一對多的關系，本次研究以油井的單臺變壓器遠程監控為例，如圖1所示，每口井都有一個控制裝置，即石油開采設備儀表，這些儀表由一個基于無線通信控制器的集中控制站進行集中控制，每臺變壓器均配備配電變壓器表，同樣通過集中控制站控制。

圖1 數字化油田遠程監控系統結構

針對油井設備構成，提出一種無線分布式控制系統架構。系統可分為主體、終端兩部分。安裝在每個油井開采現場的無線通信控制器可通過RS485、無線電等方式與儀表通信。通過無線通信控制器和GPRS網絡，集中控制站可以對每個油井的儀表進行控制和數據采集。

2.2 石油開采設備儀表遠程通信方案

如圖1所示，各個油井生產組的分布比較分散，通信地域范圍廣，傳輸的數據量大，這樣的工作環境可以體現GPRS無線通信網絡的優勢。在油田開采中，一臺變壓器通?？刂贫嗫诰?，變壓器及其對應的油井分布相對集中，傳輸距離通常為數公里，傳輸數據量小，因此，可以通過無線電通信，既可以滿足通信要求，又可以節省成本。本次研究結合油田的分布結構和特點，綜合考慮各種通信方式的優缺點，提出一種GPRS和無線技術相結合的通信方式，即每個變壓器站配備一個無線通信控制器，每口井配備一個表計以及一臺無線電設備。無線通信控制器由GPRS模塊（用于與集中控制站通信）、無線電模塊（用于各井安裝的無線電設備的通信）以及其他硬件組成。

2.3 配電變壓器表遠程通信方案

石油開采設備儀表遠程通信采用GPRS網絡結合短距離無線通信的方案，但該方案無法滿足配電變壓器的遠程通信要求，主要是因為：

（1）需求不同。石油開采設備儀表主要用于監測采油設備的運行狀態，功能相對簡單，數據量小，不需要存儲太多數據；而配電變壓器遠程控制系統的主要功能是分析變壓器容量數據進行分析，計算各種電能質量參數，并存儲數據，以便用戶隨時使用。

（2）儀表操作模式不同?？刂剖烷_采設備儀表的無線通信控制器需始終連接集中控制站，以便用戶可以隨時看到生產情況，單次傳輸的數據量往往只有幾百字節。而變壓器的功能多，僅靠自帶儀表即可完多項控制任務，用戶操作主要是抄表，數據傳輸間隔時間長，單次數據傳輸量可達MB級，傳輸時間長，因此，只有在需傳輸數據時控制器才會建立與集中控制站的通信連接。

（3）目標用戶不同。電機表遠程通信控制方案為現場檢查人員設計，讓他們足不出戶實時查看采油設備的運行參數，即時給出操作指令。變壓器表遠程通信控制方案主要針對油田用電統計人員，可根據使用情況分配電力。

因此，需要開發一種新的無線通信控制方案，由于每個電機表都配備了一個無線通信控制器，可進一步縮短數據傳輸時間，提高通信質量，但也產生了一個問題。傳統的GPRS無線通信控制器啟動后與集中控制站建立連接，意味著 GPRS無線通信控制器會立即與主機建立Internet連接。在終端數量少的情況下這種方法的劣勢并不明顯，但在終端數量多的情況下（如每臺儀表都配備一個GPRS終端的情況），每個GPRS無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，這會對GPRS無線通信控制器的使用壽命產生一定影響。另外，多臺GPRS無線通信控制器同時連接到集中控制站會造成的巨大網絡資源浪費。也必然會產生很大的干擾，最終導致系統運行不穩定。

因此，本次設計結合GSM短信功能、GPRS網絡，采用GSM短信+GPRS無線通信的混合通信方式。集中控制站采用GSM短信方式遠程喚醒GPRS無線通信控制器，一旦無線通信控制器連接成功就可實現終端命令和數據傳輸，集中控制站發起的通信事件結束后，通信雙方可以自動關閉連接，下次需要GPRS無線通信時，重復上述操作即可。

2.4 系統通信設計

2.4.1 通信協議

802.11協議是IEEE開發的第一個標準無線LAN協議。該協議可以在2 400MHz 頻帶中通信。采用擴頻技術，具有很強的抗干擾能力和安全性。Modbus協議是世界上第一個用于工業建筑工地的總線協議。目前已經發展成為一種基本的通信協議，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

該系統采用GPRS作為通信網絡，將多個設備儀表連接到一個集中控制站。集中控制站是服務器，是主動與無線通信控制器交換信息的設備。無線通信控制器采集各種設備的參數，并存儲在內存中上傳。無線通信控制器需要在兩種情況下啟動通信過程。

（1）當集中控制站請求無線通信控制器數據時，無線通信控制器將采集到的參數數據上傳到集中控制站。如果設備發生故障，則將故障記錄上傳到集中控制站。

（2）當集中控制站向無線通信控制器發送運行控制命令時，無線通信控制器確認并執行相應的動作。無線通信控制器連接到互聯網，通過GPRS網絡與集中控制站通信。要實現無線通信控制器的遙控和遙控功能，集中控制站必須與無線通信控制器進行如下通訊。①數據請求：向無線通信控制器請求實時數據，查詢無線通信控制器設備狀態，查詢無線通信控制器運行參數。②操作設置：設置無線通信控制器的運行參數，設置無線通信控制器的設備類型和時序等。③數據庫管理：集中控制站將無線通信控制器上傳的信息存儲在數據庫中，供用戶查看、打印和分析歷史數據。這樣，用戶就可以使用GPRS網絡系統安全可靠地對油田進行遠程控制和數據傳輸。

2.4.3 通訊過程描述

無線通信控制器與集中控制站的通訊過程如下：

（1）無通訊任務狀態，集中控制站與無線通信控制器無通訊。

（2）集中控制站用戶發送控制請求，要求無線通信控制器執行某種動作，此時集中控制站等待無線通信控制器回復確認幀，若無線通信控制器回應超時，集中控制站重發。

（3）若集中控制站連續三次重發，無線通信控制器均無回應，集中控制站將進入無線通信控制器故障處理流程。

（4）集中控制站用戶發送數據傳輸請求，要求無線通信控制器執行相應動作，此時集中控制站等待無線通信控制器回復數據幀，如果無線通信控制器回應超時，集中控制站重發。

（5）若集中控制站連續三次重發，無線通信控制器均無回應，集中控制站將進入對無線通信控制器的故障處理過程。

（7）集中控制站向無線通信控制器發送詢問幀，等待無線通信控制器的確認應答，如果無線通信控制器回應超時，集中控制站重發。

（8）如果集中控制站連續三次重發請求數據傳輸命令，無線通信控制器均無回應，集中控制站進入對無線通信控制器的故障處理過程。

2.5 GPRS無線通信控制器硬件設計

無線通信控制器的作用是傳輸命令和數據，不需要進行復雜計算，也不需要具備很強的數據處理能力。因此，該系統以采用AT89C55WD作為控制核心，系統啟動后，AT89C55WD開始從內部20K字節閃存中讀取指令。使用GMl6C550擴展串口連接GPRS調制解調器，圖2為系統硬件硬件框圖。

圖2 GPRS無線通信控制器硬件框圖

如圖2所示，系統包括以AT89C55WD為中心的幾個小模塊，用于實現各種功能，各個模塊的基本功能如下：

（1）系統復位模塊采用IMP705芯片，該芯片具有看門狗和電源電壓監測功能，可為系統提供復位信號。

（2）選擇12MHz無源晶振為AT89C55WD系統時鐘提供時鐘信號

（3）電源模塊：為系統提供電能。

（4）無線電模塊：選用D21DL無線數傳模塊，可與各油井設備配備的無線電模塊進行小批量短距離數據傳輸。

（5）為系統提供大量內存用于臨時存儲數據的靜態 RAM 模塊。

（6）撥通GPRS模塊、HTS08 GPRS調制解調器模塊，通過GPRS 10-fl連接建立終端與主控站的連接，進行撥號、連接、數據傳輸等。

2.6 GPRS無線通信控制器軟件設計

在該系統中，無線通信控制器軟件功能模塊主要包括主應用處理模塊、集中控制站通訊模塊、設備儀表通訊模塊。其中主應用處理模塊是系統軟件的核心，其下設串口擴展模塊、GPRS鏈路模塊，串口擴展模塊采用16C550芯片，提供通用串口擴展。GPRS鏈路模塊的作用是通過宏天HT808 GPRS模塊指令與集中控制站建立通信連接。與各設備儀表通信模塊主要實現與設備儀表進行通信，通過D21D無線數傳模塊進行數據傳輸。

3 結論

GPRS無線通信控制器具有高度的安全性和實用性，配備多種設備接口，可以實現多種形式的組網互聯互通，有效降低數字油田的生產運營成本，節約資金，簡化整個油田的監控流程。本課題根據數字化油田的需求，通過引入GPRS無線通信技術可以有效滿足數字化油田的生產需求，設計并實現基于GPRS網絡的油田遠程通信控制系統。主要工作是油田設備儀表的遠程控制方法的設計與實現，以及適用于油田系統的通信協議的設計。