无线钻井井场信息采集系统.pdf

无线钻井井场信息采集系统，属于钻井作业现场的信息采集系统，目的是解决现有有线采集系统存在的易受干扰、易受井场限制、扩展性差和成本较高的问题，包括控制中心和数据采集器，所述采集系统还包括中继器和无线接收器，数据采集器为包含有发射部件的数据采集无线发射器，数据采集无线发射器通过其天线与中断器有无线信号传递，中继器与无线接收器通过彼此的天线有无线信号传递，无线接收器与控制中心通过数据接口有线信号传递；控制中内采用PC机或PLC为分析、处理数据和控制的主机；无线接收器设置于井场的总控室内，其与控制中心通过RJ接口或RS-485接口进行信号传递；控制中心包括能够与远端的局域网服务器通讯的数据接口。

1、  无线钻井井场信息采集系统，包括控制中心和数据采集器，其特征在于，所述采集系统还包括中继器和无线接收器，数据采集器为包含有发射部件的数据采集无线发射器，数据采集无线发射器通过其天线与中断器有无线信号传递，中继器与无线接收器通过彼此的天线有无线信号传递，无线接收器与控制中心通过数据接口有线信号传递。

2、  如权利要求1所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述控制中心内采用PC机或PLC为分析、处理数据和控制的主机。

3、  如权利要求1所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述无线接收器设置于井场的总控室内，其与控制中心通过RJ接口或RS-485接口进行信号传递。

4、  如权利要求2所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述控制中心包括能够与远端的局域网服务器通讯的数据接口。

5、  如权利要求1或2或3或4所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述数据采集无线发射器包括传感器、单片机、模数转换电路、射频电路和电源管理电路，电源管理电路分别与其它元件连接以供应电源，单片机分别与模数转换电路、射频电路连接，传感器与模数转换电路连接。

6、  如权利要求5所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述数据采集无线发射器还包括与射频电路连接的信号放大器和外置天线，以及设置在传感器和模数转换电路之间的转换电路输入保护电路。

7、  如权利要求1所述无线钻井井场信息采集系统，其特征在于，所述采集系统还包括设置在井场多个位置的摄像头及与之连接的网络视频服务器和定向天线，设置在司钻房或总控室、与定向天线无线信号连接的视频信号接收端，以及和视频信号端连接的监控PC。

无线钻井井场信息采集系统
技术领域
本实用新型涉及钻井作业现场的信息采集系统。
背景技术
目前钻井现场一般利用各种传感器进行数据的采集工作，然后通过有线电缆将各传感器采集的信号处理后传输到控制中心，一般采用集中式布线和现场总线方式。这种信息采集系统存在以下一些不足：
1.集中式布线要求每一个采集仪都必须通过一根电缆连接到VFD房或司钻房的PLC，这需要多根电缆；现场总线技术虽然大大减少了从钻井现场到总控室的电缆数目，但是每个采集仪器到总线的连接依然有大量的电缆存在。由于钻井现场环境恶劣，并且钻井过程中起下钻杆等操作都是与重型、大型的设备打交道，所以这些沿井架管线或支架等铺设或架空的多条电缆造成本来就狭小的钻井现场更显杂乱。
2.由于石油钻井普遍采用的完井制度，这些采集仪所要求的安装时间较短，而铺设或架空线缆又受到井场设备、设施的制约，故整个安装布线过程非常紧张和复杂，直接影响钻井生产。这些线缆易受到施工过程中重物或人员的无意破坏，而由于有线网络的错综复杂，一旦出现故障，系统的使用和维护成本也较高。
由于有线系统受到钻井现场环境的制约，使得系统的可扩展性低，采集信号在传送过程中很容易受到周围强电环境的干扰，严重时造成数据错误，稳定性较差。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有有线采集系统存在的易受干扰、易受井场限制、扩展性差和成本较高的问题，提供一种无线钻井井场信息采集系统，具有易于扩展、安装简便、抗干扰能力更强、装用成本更低的优点。
本实用新型的目的通过下述技术方案来实现：
无线钻井井场信息采集系统，包括控制中心和数据采集器，所述采集系统还包括中继器和无线接收器，数据采集器为包含有发射部件的数据采集无线发射器，数据采集无线发射器通过其天线与中断器有无线信号传递，中继器与无线接收器通过彼此的天线有无线信号传递，无线接收器与控制中心通过数据接口有线信号传递。
所述控制中心内采用PC机或PLC为分析、处理数据和控制的主机。
所述无线接收器设置于井场的总控室内，其与控制中心通过RJ接口或RS-485接口进行信号传递。
所述控制中心包括能够与远端的局域网服务器通讯的数据接口。
所述数据采集无线发射器包括传感器、单片机、模数转换电路、射频电路和电源管理电路，电源管理电路分别与其它元件连接以供应电源，单片机分别与模数转换电路、射频电路连接，传感器与模数转换电路连接。
所述数据采集无线发射器还包括与射频电路连接的信号放大器和外置天线，以及设置在传感器和模数转换电路之间的转换电路输入保护电路。
所述采集系统还包括设置在井场多个位置的摄像头及与之连接的网络视频服务器和定向天线，设置在司钻房或总控室、与定向天线无线信号连接的视频信号接收端，以及和视频信号端连接的监控PC。
本实用新型采用上述结构，具有以下有益效果：
1.以无线方式实现与控制系统的无缝式通讯。
2.不需要铺设电缆、不需要桥架，不需要接线盒、机柜和I/O卡件，不需要接线，能够节省安装成本。
3.能够以99％以上的通讯可靠性实现实时数据的监控；能够确保工业级的安全，以及不干扰其它任何现有系统。
4.系统扩展的方便、快捷，增加新的测点非常容易；未来改造也无需考虑增加机柜、接线盒、卡件、桥架等。
5.系统布置简洁，没有电缆、机柜，和卡件的束缚；大大减少占用控制室的空间。
6.实现无线变送器的远程在线组态、校验、诊断，以及监控通讯，远程实时了解无线变送器的所有健康状态信息、组态信息、诊断信息、报警信息、以及测量参数。
7.安装简单，系统启动速度迅速。
8.后期维护费用也大大减少，不需要维护电缆、接线，无需维护机柜、接线盒、卡件等。
可见，采用上述结构的本实用新型，具有易于扩展、安装简便、抗干扰能力更强、装用成本更低的优点，可用于钻井井场作业时采集信息。
附图说明
图1是本实用新型的系统结构示意图；
图2是本实用新型中数据采集无线发射器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本实用新型作进一步的说明。
如图1所示，无线钻井井场信息采集系统包括控制中心和数据采集器，所述采集系统还包括中继器和无线接收器，数据采集器为包含有发射部件的数据采集无线发射器，数据采集无线发射器通过其天线与中断器有无线信号传递，中继器与无线接收器通过彼此的天线有无线信号传递，无线接收器与控制中心通过数据接口有线信号传递。
结合图1的网络结构，更具体而言，本系统的组成部分中，第一部分数据采集无线发射器可称为如图1所示的无线传感器节点，它采集各类变送器或传感器的数据，然后通过无线射频方式将数据传送到中心节点；第二部分中继器可称为如图1所示的中心节点，它接收采集器发来的数据并无线转发给接收器，本实施例中，采用在需要时才唤醒某个采集器的模式，控制各个采集器发送数据的时序，减小多个采集器同时发送数据造成数据碰撞的概率，减小功耗；第三部分无线接收器，它在总控室(VFD房)内通过无线接收中继器发来的数据，并通过RJ45口接入局域网或者通过RS-485接口接入PLC；第四部分为控制中心，可以通过PLC或者PC机对数据进行分析和处理或者进一步通过远程方式传送到后方企业服务器上，供相关人员远程监控钻井状况。
第一部分、第二部分设置在井场作业区，第三部分、第四部分设置在井场监控区。
本实施例中，数据采集无线发射器(可简称为采集器)其功能主要是完成传感器信号输入、模数转换(脉冲输出型流量计无需进行模数转换，可以直接由单片机进行检测)、采集和记录传感相关数据，并通过无线射频方式将采集到的信息无线发送到中继器。采集器内部结构如图2所示，包括传感器、单片机、模数转换电路、射频电路和电源管理电路。
电源管理电路分别与其它元件连接以供应电源，单片机分别与模数转换电路、射频电路连接，传感器与模数转换电路连接。
如图2所示，采集器还包括与射频电路连接的信号放大器和外置天线，以及设置在传感器和模数转换电路之间的转换电路输入保护电路。
本实施例中，接收器位于控制中心内，能够接收到中继器发送过来的无线射频信号，然后进行数据的整合处理，并能将处理后的数据存储于自带的FLASH存储器中，最后通过局域网或者RS-485接口将数据传送到PLC。可以采用有线电源供电，因此可以用高性能的嵌入式CPU和大功率收发模块来实现。
为了保证所有数据采集模块采集数据被准确接收，接收器定期向所有采集器广播时钟同步信号，各个采集器接收到此信号后再根据自身的编号做时间不等的延迟，然后将自身的采集数据发给中继器。这样在中继器看来是各个采集器在一个采集周期内依次将数据发过来的，避免了突发数据冲突和相互干扰。
此外，接收终端还有一个重要功能是作为网关和PLC通信，无缝挂载在Profibus-DP总线上。可采用PLC的RS-485接口作为自由通信口和网关通信，做RS-485到Profibus-DP的协议转换，使网关作为一个从站挂接到总线上。
本实施例中，采集系统还包括设置在井场多个位置的摄像头及与之连接的网络视频服务器和定向天线，设置在司钻房或总控室、与定向天线无线信号连接的视频信号接收端，以及和视频信号端连接的监控PC。
每个摄像头通过与之连接的定向天线，指向司钻房的接收天线，组建成点对多点的星形无线网络，在监控前端采用网络视频服务器，将普通摄像头的模拟信号转换为数字信号，并通过无线网桥无线传输到司钻房无线接收端，接收端连接监控PC，实时监控无线网络内的摄像头。
在应用中，可通过选择不同的无线网桥达到需要的传输距离，最远传输距离可达20-30千米，完全满足井场需要，监控PC可以通过CDMA或GPRS等接入Internet，可供相关人员在远端通过Internet实行远程监控，同时视频信息也可以保存下来供检索回放。
本实施例中，采用Zigbee无线网络，可以组成星形网、Mesh网状网和树形(簇状)网以满足不同的需要。Zigbee(IEEE802.15.4)是一种高可靠的无线传输网络，类似CDMA，通信距离为10～200米，并且支持无线扩展，其低速传输、低功耗、低成本、网络覆盖范围大、网络容量大的特点适合用于井场无线传感器网络。