無線感測技術與套用

利用無線感測器網路採集數據的一種技術，無線感測器網路可以看成是由數據獲取網路、數據頒布網路和控制管理中心三部分組成的。其主要組成部分是集成有感測器、處理單元和通信模組的節點，各節點通過協定自組成一個分散式網路，再將採集來的數據通過最佳化後經無線電波傳輸給信息處理中心。

基本介紹

• 中文名：無線感測技術與套用
• 系統目標：增加多種智慧型化的功能
• 結構：無線採集監控裝置
• 設計：獲取或提交需要的數據

概述

隨著油氣勘探開發[1]的不斷深入，對試油資料錄取質量的要求越來越高。現下國內外油氣井地面測試數據採集系統都採用有線傳輸方式，而隨著油氣井測試的數位化、自動化越來越強，測試採集參數越來越多，有線地面測試數據採集系統被無線地面測試數據採集所替代是必然的趨勢。它也將成為油田進行科學試油的發展方向。

有線地面測試數據採集系統已廣泛套用於油氣井試油地面測試作業中，經過現場套用，發現該系統存在以下不足：(1)現場作業環境惡劣，布線困難，工作量大；(2)地面溫度太低時，易導致信號傳輸電纜破裂損壞；(3)信號電纜維護成本較高；(4)信號電纜現場出現故障時，檢修焊接不方便；(5)現場布置的信號電纜經常被割走等。

針對以上問題，提出了數位化、無線化、智慧型化的設計模式，研製開發了一套無線地面測試數據採集及管理系統，實現了現場測試數據實時採集並無線傳輸到現場操作中心計算機進行顯示、存儲和處理等功能。

系統目標

本系統主要採用採集器與中間伺服器相連，採集器採集感測器的數據，然後通過無線射頻方式將數據傳送到中間伺服器。中間伺服器將接收到的無線射頻信號進行數據的整合處理，並將處理後的數據通過區域網路傳送到工控機中進行存儲、顯示、處理等。該技術具有抗干擾能力強、傳輸距離遠、延時短、成本低等優點。此外在該系統中，與感測器配套的無線採集終端具有數據處理能力，能夠根據用戶需求增加多種智慧型化的功能，提供了更多、更有效的數據處理、統計分析、決策輔助等功能。

無線採集系統設計

根據多年現場測試經驗和部分井的實際情況，試油地面測試數據測點距離現場控制中心直線距離約500m，井場內常有壓裂車、酸罐、泥漿池等大型遮擋物。無線射頻方式傳輸距離與功率成正比，功率越大則傳輸距離越遠，電池的使用壽命越短，成本越高。為了降低直接成本，採集器必須設計為低功耗，而低功耗採集器通過試驗，在周圍無大型遮擋物的情況下，傳輸距離為500m左右，不能滿足現場測試需要。為了很好地解決既節約用電又有較遠的傳輸距離這個矛盾，該系統設計了中繼器，將信號放大後再傳輸給接收器。

油氣井鑽採集測試現場每個節點都有固定的地址，數據的傳輸採用主從站方式，節點數量不多，而且都處於主站的無線通信範圍內，由主站統一控制網路內的通信時序。根據這一特點，無線採集監控裝置設計為一個實用的集中式無線感測器網路。

系統採用先進的三層結構，並採用模組化、結構化的設計，最底層數據服務層由SQLServer資料庫承擔，通過表、視圖、存儲過程、觸發器、規則和預設值等工具進行數據控制，以事務方式保證數據完整性和一致性。中間層為業務邏輯層，以DLL動態庫或後台服務的方式，完成數據的業務邏輯處理。頂層位為表示層，以應用程式或網頁的形式提供人機接口，負責數據的輸入輸出。它通過業務邏輯層與數據服務層打交道，獲取或提交需要的數據。

2、數據流程

首先由低功耗感測器將模擬量傳給採集板，採集板進行A/D轉換生成數位訊號，然後通過無線方式發給中繼器，中繼器再以無線方式轉發給接收器，接收器通過區域網路，以TCP/IP方式發給控制中心。控制中心通過一個上位機，負責數據採集，並利用ADO技術將數據實時存儲到SQLServer資料庫中；同時控制中心還通過一個下位機，負責數據管理，它與上位機共用同一個SQLServer資料庫，也利用ADO技術對資料庫進行讀寫操作，生成實時曲線及預警報警，完成採集數據的歷史曲線回放、列印、數據計算、數據查詢、導出及基本信息維護等工作。

無線採集軟體設計

地面測試數據自動採集及無線傳輸系統硬體包括四部分：第一部分為數據採集器，負責採集感測器的數據，然後通過無線射頻方式將數據傳送到中繼器；採集器又分為壓力採集器、溫度採集器、差壓採集器、液體流量採集器和氣體流量採集器等；第二部分為中繼器，它接收採集器發來的數據信號並無線轉發給接收器；第三部分為接收器，它在總控室內通過無線接收中繼器發來的數據，並通過RJ45口或DB9接入區域網路；第四部分為現場控制中心，通過PC機對數據進行顯示、分析和處理。

1、採集器

地面測試數據採集系統主要採集壓力、溫度、流量和差壓信號。根據測試現場需要主要有壓力採集器、溫度採集器、流量採集器等。主要功能是採集測點數據，並通過無線射頻方式將採集到的信息無線傳送到中繼器。

數據採集器主要完成感測器信號輸入、ADC模數轉換(脈衝輸出型流量計無需進行A/D轉換，可以直接由MCU進行檢測)、採集和記錄感測相關數據，並通過無線射頻方式將採集到的信息無線傳送到中繼器。採集器由感測器、單片機、ADC模數轉換電路、無線射頻晶片和電池電源管理五個部分構成。即感測器採集測點數據通過ADC模數轉換電路轉換為數位訊號後傳輸給低功耗單片機(MCU)，單片機經過處理後通過射頻電路和天線傳送給中繼器。採集器和中繼器之間可以雙向通信，即採集器可以向中繼器傳送數據信息，同時也可以通過中繼器向採集器傳遞操作指令。採用無線通信協定為分時協定，工作頻率為433MHz，通過檢測和現場試驗，效果良好。

2、接收器

接收器主要功能是通過無線通道接收中繼器或採集器發出的數據，並將接收到的數據通過網口經區域網路傳送到控制中心。與中心伺服器連線中斷時，暫存無線通道送來的數據到板載的Flash中，待正常連線後，將Flash中的數據補發給中心伺服器。中繼器和接收器之間可以雙向通信。

接收器工作時放置在現場控制中心，採用外電源供電。接收器的設計選用了高性能的嵌入式CPU和大功率收發模組，配置高增益的全向天線，保證實時接收採集器或中繼器傳來的數據。

數據採集現場測試

試油地面測試數據採集系統在富順1井開展了現場試驗，測試層位為須二下段；地面測試設備為節流管匯、轉向管匯、熱交換器、分離器、數據採集房等；無線採集系統設備為0～70MPa壓力採集器1隻，0～16MPa壓力採集器1隻，-50℃～150℃溫度採集器1隻和液體流量採集器1隻，中繼器1隻，接收器1隻，網路集線器1隻，網線1根，接收機天線1根，筆記本電腦1台和無線數據採集軟體。

0～70MPa壓力採集器安裝在套壓處，0～16MPa壓力採集器安裝在流量計孔板上壓處，-50℃～150℃溫度採集器安裝在熱交換器出口處，流量採集器未安裝在設備上，作為測量設備傳輸距離和抗干擾能力。接收機天線安裝在數據採集房房頂上。接收機和網路集線器放在數據採集房內。測試具體情況如下：

(1)未安裝中繼器時，套壓和熱交換器處信號較好，井場內效果均良好；

(2)中繼器放置在鑽台司鑽房頂，所有採集器通過中轉後傳送給接收機，效果非常好。將流量採集器放置在距採集房約800m處，傳輸信號良好，無數據丟失情況發生；

(3)酸化時兩台壓裂車同時開泵工作，整個工作期間無干擾信號產生，無線採集器工作穩定；

(4)和有線數據採集系統相比，測試數據值一致，精度相當，無明顯延時滯後現象。

本文中的地面測試數據無線採集系統，改變了原有線採集傳輸方式，實現了地面測試數據採集無線傳輸功能，解決了試油測試現場布線困難等實際問題。通過現場試驗，研製開發的無線地面數據採集及管理系統運行可靠、性能穩定、安全性高、自動化程度高、仿真效果直觀、資料庫集中管理數據、數據處理準確可靠，充分滿足了油氣井試油信息的數據採集、監視控制和信息處理的需要，實現了試油地面測試數據採集系統的升級。