本文介紹了一種用于油井scada系統(tǒng)的無(wú)線傳感器技術(shù)，并對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的構(gòu)成和應(yīng)用情況進(jìn)行了闡述。
近年來(lái)各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)在油田生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、可靠性和便于維護(hù)性成為制約整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。目前抽油機(jī)井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)普遍選用載荷傳感器、角位移傳感器（或脈沖發(fā)生器）、rtu監(jiān)控器、電參量傳感器等，分別安裝于懸繩器、游梁及控制柜上，各個(gè)信號(hào)采用有線方式匯集到rtu監(jiān)控器上，成本高，安裝工藝復(fù)雜，線纜易損壞，不易防盜，維護(hù)工作量大，很難長(zhǎng)期可靠地工作。對(duì)于幾百口井的監(jiān)控，問(wèn)題則更為突出。
基于以上情況，華北油田采油工藝研究院積累十幾年油井監(jiān)控工作的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)今自控技術(shù)的發(fā)展水平，提出并研制了以基于無(wú)線和嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，將微處理器嵌入到了傳感器和轉(zhuǎn)發(fā)器中，使各種傳感器與rtu之間形成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了油井工況的測(cè)量、轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線通信等功能。
系統(tǒng)構(gòu)成
采用無(wú)線技術(shù)作為傳感器與rtu之間的通信方法，將傳感器、變送器、mpu控制器及無(wú)線收發(fā)模塊組合在一起，構(gòu)成一體化的微功耗無(wú)線智能網(wǎng)絡(luò)傳感器，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)參數(shù)的無(wú)線采集。
為了保證正常情況下工作2~3年，在硬件設(shè)計(jì)上采用低功耗元器件；在軟件設(shè)計(jì)上，除電源管理芯片外，其他芯片都處于休眠狀態(tài)，每隔幾秒微處理器中斷喚醒來(lái)處理事件，工作完畢后繼續(xù)休眠，從而使靜態(tài)功耗控制在μ*。
無(wú)線收發(fā)模塊
采用*的nrf905半雙工通信芯片，微功耗10mw，該芯片具有低電源電壓工作1.9~3.6v、多通道工作etsi/fcc兼容、可軟件調(diào)節(jié)輸出功率至-10db、“傳輸前監(jiān)聽(tīng)”載波檢測(cè)協(xié)議、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒輸出、低功耗shockburst工作模式、偵測(cè)數(shù)據(jù)包地址匹配、數(shù)據(jù)包自動(dòng)重發(fā)、自動(dòng)產(chǎn)生crc和數(shù)據(jù)前導(dǎo)碼等功能，使得被嵌入的傳感器形成智能微網(wǎng)絡(luò)型，各傳感器之間由地址區(qū)分，統(tǒng)一頻點(diǎn)，形成微型網(wǎng)絡(luò)。
無(wú)線示功圖測(cè)試儀
無(wú)線示功圖測(cè)試儀由載荷傳感器、微功耗mcu-msp單片機(jī)、加速度傳感器、無(wú)線收發(fā)模塊、電池等組成，可實(shí)現(xiàn)示功圖無(wú)電纜測(cè)試、150井次示功圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、油井生產(chǎn)時(shí)率計(jì)算等功能。對(duì)于不同的用途，可以將無(wú)線收發(fā)模塊改為gprs模塊，實(shí)現(xiàn)示功圖的遠(yuǎn)程檢測(cè)。硬件結(jié)構(gòu)圖和軟件框圖如圖2所示。
無(wú)線模擬量傳感器
在已有傳感器的基礎(chǔ)上加入了自主研發(fā)的數(shù)據(jù)采集電路，包括儀表電池和數(shù)據(jù)采集板。該無(wú)線模塊可以與壓力變送器、溫度變送器、流量變送器、液位變送器等可輸出4~20ma信號(hào)的儀表，或帶有專有通信協(xié)議的儀表。
無(wú)線rtu
該無(wú)線rtu將采集、控制、通信三種功能合為一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，它是整個(gè)系統(tǒng)的前端核心。利用自身所具有的開(kāi)關(guān)量和模擬量數(shù)據(jù)采集接口采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)自身所配備的rs232/rs484接口，可以采用有線或無(wú)線的通信方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)端監(jiān)控中心，配備的通信軟件可與組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
rtu的核心是監(jiān)控器，由微處理器、微功耗無(wú)線收發(fā)模塊、無(wú)線通信模塊、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、接口電路、操作鍵盤(pán)及液晶顯示器構(gòu)成，整體采用smt表貼工藝集成在電路板上，具有采集模擬量、數(shù)字量、指令控制輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、顯示及鍵盤(pán)設(shè)置功能，可以完成油水井所需要的各種操作；主電路板上安裝有微處理器、rs232/485接口電路、無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、鍵盤(pán)顯示電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、usb接口電路及電源電路。硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
系統(tǒng)工作時(shí)rtu對(duì)上位機(jī)（測(cè)控中心）可以使用光纜、gprs、cdma、無(wú)線數(shù)傳電壓等通信方式；對(duì)下（載荷、位移、油壓、套壓、溫度、流量、報(bào)警等）都可無(wú)線采集各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)。
應(yīng)用情況
華北油田采油工藝研究院開(kāi)發(fā)和研制的該項(xiàng)技術(shù)，已在多個(gè)油井監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用。從滿足生產(chǎn)實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)不同的要求構(gòu)成了不同的數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)。
抽油機(jī)井監(jiān)控系統(tǒng)
油田采油生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，是以提高油田的現(xiàn)代化管理水平、提高采油生產(chǎn)效率、節(jié)能降耗和增強(qiáng)油田可持續(xù)發(fā)展能力為目的，采集油井電量、電壓、電流、載荷、沖次、沖程、井口壓力、生產(chǎn)時(shí)率等生產(chǎn)參數(shù)，并自動(dòng)定時(shí)采集和遠(yuǎn)程控制采集油井示功圖，電流圖。實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的全面監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守（如圖6）。
在系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)所有儀表采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集方式，定時(shí)將采集的數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絩tu，通過(guò)光纜、無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)、gprs等數(shù)據(jù)傳輸方式，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行目刂剖?，上位機(jī)軟件采用wonderware intouch9.5人機(jī)界面軟件，并配合采研院研制的專有數(shù)據(jù)通信采集軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)視和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。
利用 wonderware intouch 9.5人機(jī)界面軟件，編制油井顯示畫(huà)面，實(shí)現(xiàn)油井的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控（如圖7）。
單井示功圖遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)
將無(wú)線示功儀直接安裝于抽油機(jī)井的懸繩器上，采集的示功圖數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)置的gprs模塊，直接傳輸?shù)降姆?wù)器，不需附加任何設(shè)備，由于采用了gprs無(wú)線傳輸方式，無(wú)地域限制，只要中國(guó)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋即可。
該系統(tǒng)解決了示功圖的遠(yuǎn)程測(cè)試問(wèn)題，對(duì)于用于示功圖計(jì)量油井產(chǎn)液量的系統(tǒng)，只要在服務(wù)器上安裝相應(yīng)的計(jì)算軟件即可，使用該系統(tǒng)對(duì)老油田簡(jiǎn)化和優(yōu)化工作，以及簡(jiǎn)化地面工藝流程提供了可靠和適用的手段。
結(jié)語(yǔ)
現(xiàn)場(chǎng)儀表與rtu間采用了無(wú)線傳輸，減少了過(guò)去由于電纜造成的人為損壞和自然損壞的不利因素，在無(wú)外部供電的情況下可持續(xù)工作，增加了可維護(hù)性和可靠性，便于安裝，解決了油井監(jiān)控系統(tǒng)中出現(xiàn)的瓶頸問(wèn)題。