油田场站仪表无线化升级的解决方案
时间：2023-02-17 17:40:07 来源：千叶帆 本文已影响人
薛广民，申洪源，关建聪，郭新伟，王与意
（1.海南福山油田勘探开发有限责任公司，海口 571101；
2.昆仑数智科技有限责任公司，北京 100043）
油田场站中使用的仪表种类繁多，包括压力表、温度表、液位计等，这些仪表作为油田场站物联网感知层的基础，在油田场站的安全稳定运行方面起着十分重要的作用[1]。
目前油田的联合站、转接站、增压站等场站建设多数基于现场总线技术，使用有线仪表采集压力、温度、液位、流量等参数，通过有线方式供电，以有线方式传输至PLC和SCADA系统进行分析，实现各个参数的监控功能，从而指导生产。随着物联网的不断发展和进步，新兴的ZigBee、LoRa等无线通信技术逐步进入油气行业，促进了油气田生产信息和数据的数字化[2]。同时，油田现场用户需求也在不断提高，传统有线通信仪表虽能基本满足油田的功能需求，但其存在的缺点也逐渐显现，具体表现为以下几方面：
◇仪表安装布线复杂，场站建设整体成本高。由于油田场站现场布设的监控点数量多，分布位置也比较分散，并且场站设备多，环境复杂，因而电缆敷设工程量很大，施工周期相应延长，建设或改造成本很高[3]。
◇仪表无设备静态信息，设备管理信息缺失。仪表设备的生产厂家、生产日期、仪表量程、精度等基本静态信息未进行采集，场站无法对仪表进行完整管理。
◇维修更换仪表工序繁杂，维护时间长。仪表更换需要与原有接线方式一致，如需更换的仪表接线方式有变化，就必须重新布线，维护成本提高。
由此看出，仪表传输在统一配置管理的升级和优化方面还有很大的发展空间。因此，各油田场站对无线数字化的需求越来越迫切，纷纷开始通过新的无线物联网通讯技术和设备管理技术进行场站仪表的无线数字化升级改造，进一步提高生产效率，节省人力成本，降低数字化仪表的维护成本[4]，提升场站的信息化和智能化水平，推动油气田向现代化、数字化建设方向发展。
在此过程中，得益于ZigBee无线网络的自组网功能强，不需要通信费用，可维护性好，满足生产需要的同时可大大节约成本等众多优点[5]，进而ZigBee传输技术成为无线传感器网络的热门技术，并逐渐成为油气生产物联网系统中短距离无线数据传输应用的主流趋势。同时，随着物联网技术在油田生产监测和数字化领域应用力度的不断加大，油田无线通讯的软硬件条件逐渐具备，未来场站油气生产数据的传输方式由有线向无线化发展的趋势更加明显[6]。
然而，部分油田场站的PLC设备由于购入年份较早或当时成本预算不足等原因，不具备ZigBee无线通讯功能，无线仪表与PLC设备之间无法直接进行通讯。即便一些PLC设备具备ZigBee无线通讯功能，又由于油田场站环境的特殊性，过程仪表密集，大型金属油罐等设备多，管线复杂，部分场站占地面积大，仪表安装位置与配电室距离过远，如果直接简单采用ZigBee、LoRa等无线通信方式，会存在无线信号遮挡严重、信号弱，甚至完全无信号等问题，无法满足现场实际应用需求。因此，无线通信技术要大量应用于油田场站中，还是存在一定的阻碍[7]。
鉴于上述背景，下面基于ZigBee传输技术、低功耗技术、中继采集传输技术、Modbus通讯、A11物联网协议，提出油田场站仪表无线化升级改造的解决方案，实现油田场站仪表数据远距离、可靠、低成本无线传输，有效延长传感器数据传输距离，提升信号传输质量，从而构建出高效、稳定的数据采集体系，进一步提升油田场站的信息化和智能化水平，适应油田数字化建设需求。
1.1 ZigBee传输技术简介
ZigBee介于无线标记技术和蓝牙技术之间，它采用自己的无线电标准，可在数千个微小的传感器之间相互协调以实现通信。由于这些传感器只需要很少的能量以接力的方式便可通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
ZigBee技术用于传感控制应用，由IEEE 802.15工作组提出，并由其TG4工作组制定规范。ZigBee协议自下而上分为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等层，是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，也就是说其物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定[8]。
ZigBee网络中的基本操作是将数据从一个节点传输到另一个节点，数据来自发起节点上的输入，被传送到另一个可以解释和使用这些数据的目标节点。
如果是在简单的数据通信中，源节点的数据可以直接传输到目标节点，而如果源节点与目标节点之间的距离过远，或者这些节点处于比较复杂的环境中，那么它们可能无法直接进行通讯。在这种情况下，可以使用一个或更多的中间节点作为中继，将数据进行传递。源节点先将数据发送到无线电范围内的一个节点，然后再将其传递给另一个节点，照此方式一节一节传递，直至传输到所需的目标节点。
1.2 ZigBee传输技术优点
ZigBee传输技术具有以下优点：
1）低功耗
首先，在工作模式下，ZigBee技术的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间会很短；
其次，在非工作模式情况下，ZigBee的节点则处于休眠状态。由于工作时间较短，收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电。
2）低成本
ZigBee传输速率低，协议简单，因此ZigBee模块的初始成本较低，并且ZigBee协议没有专利费，所以大大降低了应用成本。
3）低速率
ZigBee工作在20kbit/s～250kbit/s的较低速率，分别提供250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和20kbit/s（868MHz）的原始数据吞吐率，能够满足低速率传输数据的应用要求。
4）近距离
ZigBee设备点对点的传输范围一般介于10m～100m之间。在增加射频发射功率后，传输范围可增加到1km～3km，如果通过路由和节点间的转发，传输距离可以更远。
5）短时延
ZigBee响应速度较快，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
6）网络容量大
ZigBee支持自组网，一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳一个主设备和254个从设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活，再加上各个网络协调器可以相互连接，整个ZigBee网络可容纳65000个设备。
7）高安全
ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，并且采用AES-128加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。
8）免执照频段
ZigBee设备物理层采用工业、科学、医疗（ISM）频段，有2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行） 和915MHz（美国流行）3种灵活的工作频段，均为全免费、免申请的无线频段。
9）数据传输可靠
ZigBee的MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。ZigBee采取了碰撞避免策略，还为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据的竞争和冲突。同时，ZigBee自组织和自恢复能力强，通信十分可靠[9]。
下面分体系架构和方案描述两个部分来详细介绍油田场站仪表无线化升级的解决方案。
2.1 体系架构
本解决方案主要由无线压力表、无线温度表、无线液位计、中继器、网关、PLC及服务器等设备组成，基本延续了油田场站原有的扁平化网络架构，工程建设和网络维护比较简单，并且可以降低施工、设备购置和维护成本，其体系架构示意如图1。
图1 体系架构图Fig.1 Architecture diagram
无线压力表、无线温度表及无线液位计作为感知层设备，负责采集并显示油田场站各点位的实时数据。中继设备作为“中转器”，应用于感知层设备和网关设备之间，负责接收与网关设备距离较远或信号遮挡较为严重的感知层设备的数据，并将其进行中转，通过通讯链路间接传输至网关设备，采用这种中继的方式可以规避障碍，从而实现ZigBee网络有效覆盖区域的扩大。网关设备的作用主要是进行协议转换，负责将感知层设备传输过来的无线信号转换为有线信号，或者将通过中继设备间接传输过来的无线信号转换为有线信号，然后采用RS232或RS485通讯的方式传输到PLC设备。PLC设备对采集上来的感知层设备数据进行分析和处理，并可按需对相关设备进行控制操作。
2.2 方案描述
目前各油田场站在自动化解决方案中多使用的是大量有线仪表，因此进行无线数字化改造的第一步就是将所有就地显示的压力、温度、液位计等有线仪表改造为有ZigBee通讯功能的无线仪表，从而通过场站ZigBee无线模块组建的无线通讯网络，将无线仪表数据上传至上层PLC设备。
油田场站由于内部设备较多，线路也比较复杂，并且大型金属油罐和管线的存在严重遮挡了无线信号，传统的无线通讯无法直接应用到油田场站的无线数字化改造中，因此考虑引入中继器，通过增加中继的方式，综合应用ZigBee传输技术、低功耗技术、中继采集传输技术、Modbus通讯、A11物联网协议等解决无线仪表数据传输，提出油田场站的无线数字化改造解决方案，提升ZigBee传输信号质量，扩大场站区域的ZigBee网络有效覆盖范围。
中继器类似于无线网桥，通过中继的方式实现网络覆盖范围的扩大，或通过多跳规避障碍。无线HART网络中的仪器设备均具有网桥的功能，这大大简化了无线网络的规划和实现。
大型油田场站包含多种类型，以长庆油田为例，其场站主要有联合站、转接站和增压站3种类型，根据各类型场站的实际特点，应分别制定不同的详细方案。
油田增压站环境一般较为简单，占地面积比较小，仪表安装位置与配电室距离也比较近，两者之间也基本没有大型遮挡物，因此可直接建立传输链路。在配电室安装无线网关，使用高增益、高灵敏度天线伸至配电室外的合适位置，确保无线传输信号的稳定可靠，从而实现无线仪表数据的正常采集和传输。
油田联合站和转接站规模一般比较大，尤其是联合站，管线十分复杂，大型金属油罐等设备繁多，压力、温度、液位计等仪表被大型设备遮挡较为严重，即使是在短距离内，无线仪表信号也很难直接传输至配电室内的相关设备，因此在传输链路中的适当位置考虑增加防爆中继设备。
根据场站内的实际布局，选择合适位置树立中继杆，将中继设备安装到中继杆上，并可以适当利用场站内现有的监控杆，从而简化施工，进一步降低采购和施工成本。选择的中继设备安装位置必须确保被遮挡的仪表数据能被正常采集及传输，同时能保证无线信号传输的稳定性，构建出一个无线网络有效覆盖区域，形成整个无线数据点全覆盖的场站仪表网络。在这样的网络内，被遮挡仪表的数据传输至中继设备，由中继设备经终端链路传输到终端网关设备，再通过RS232或RS485通讯方式将数据汇总到站内PLC设备，从而与原系统数据相融合。
在油气田建设和生产中，无线监测仪表的应用具有稳定性好、系统可拓展性强、组网方式灵活、调试简单、项目周期短、成本低等优势，而且安全可靠[10]。
本解决方案通过将物联网ZigBee通讯技术与仪表产品的结合，将仪表传输方式升级为无线通讯，可以成功将无线仪表应用于油田场站建设中，并可有效解决无线仪表数据传输信号质量不好、有效覆盖区域小的问题，有效提升油田数据无线传输的稳定性，还可以通过与物联设备远程管理及远程诊断技术相结合，实现设备远程管理，从而构建出更加精准、更加稳定、更加高效的数据采集体系，助力油田场站数字化发展。
此外，本解决方案基本延续了油田场站原有的扁平化网络架构，在不改变传输层和监控层架构的条件下即可帮助油田场站实现对现场感知设备的无线化升级改造，不会对油田场站的正常运行产生较大影响，工程建设和网络维护比较简单，并且可以降低施工、设备购置和维护成本，适用于油田新场站的建设和老场站的改造，能够有力地促进油气田企业数字化、网络化、智能化的发展进程。
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