基于无线传感器网络的钻井井场监测系统 【技术领域】
本发明涉及的是钻井井场监测系统，具体是采用无线传感器网络技术实现对钻井井场及所属井口的工作状态的监测。
背景技术
无线传感器网络属于新一代的分布式随机网络，它是由一定数量的具有无线通信功能，搭载微型传感器，并具有较强计算能力的节点所组成的无定型的随机网络。无线传感器网络技术融和了微电子技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术、嵌入式系统设计等先进技术。无线传感器网络在各个领域体现出了它广泛的应用潜能。
我国是一个油气储藏量非常丰富的大国，有着数量众多的油气田及油气生产企业。在油气田的生产活动中，对钻井井场及其所属井口及设备的工作状况进行紧密监测是油气田生产自动化的一个重要研究方向，也是实现油气田产能升级及保障安全生产的主要因素之一。当前广泛采用的技术解决方案是使用有线数据传输方式来构造钻井井场的自动化监控系统。例如采用光缆通讯方式来实现数据与图像的传输，通过在每口单井安装远程数据采集控制器(RTU)，用光缆连接使其与上位机通讯。现有技术方案具有如下的局限性及缺点：
(一)井场工作范围过大或较复杂地形，会面临有线网络铺设工程施工上的困难，和各种突发情况；
(二)长距离缆线铺设和用来架空线路的支架会造成一定的电磁污染和环境破坏，提高工程造价；
(三)井场工作环境比较复杂，容易对固定缆线，设备及工作人员造成意外损害；
(四)井场的生产活动中，各种工程设备及人员状况不断变化，固定网络设施后期维护非常困难。
由于上述局限性的存在，现有钻井井场监测系统的技术解决方案不利于推进井场生产自动化及促进生产效率的提升。相比较而言，本发明采用的无线传感器网络技术为解决上述问题提供了一个全新的技术手段。本发明采用无线传感器网络技术为基础，针对油气生产企业对钻井井场工作状态进行监测的需求，提供了以单井无线传感器监测网络为数据采集途径，以井间无线中继网络为数据传输骨干网，以中控数据分析系统为终端的整体系统解决方案。基于本发明的系统具有低成本，高灵活性，易于实现等优点。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络技术进行设计的钻井井场监测系统，使其具有不依赖于固定网络基础设施，采用无线方式进行数据传输，且能够快速、灵活的进行安装等特点.通过本发明所述系统，中控室可以对单井或多井实施工作状态监测，收集井场及各井口的物理状态数据，覆盖以往难以进行检测的地点，监视钻井设备的异常状况，以达到提高井场生产效率及人员安全防护的目的.同时，本发明所述系统避免了使用大量线缆和进行线路铺设，显著降低了系统的建设和维护成本.
本发明的系统设计组成包括三部分：单井无线传感器监测网络，井间无线中继网络和中控数据分析系统。单井无线传感器监测网络由一组传感器节点组成，安置在钻井井场监测区域及井口设备上，负责采集井压、电量模块数据、载荷和冲次数据、以及监控抽油机启停状况等数据。井间无线中继网络是由不定数量的中继节点所组成的多跳随机网络，为系统提供数据传输服务，并实现与中控室的中长距离无线连接。单井网络通过一个或多个中继节点与其他相邻单井网络组成二级井间无线中继网络。中控室设置工业控制计算机，及数据备份服务器，实现对多井工作状况的同步监测，数据存储和状态分析。
本发明还有具有以下技术特征：
所述的传感器节点由传感器模块与通用计算通信平台两个主要部分组成。其传感器模块可依据不同监测应用目的而选用多种类型传感器，传感器通过模数转换接口与计算通信平台进行连接，通用计算通信平台由高性能微处理器、无线收发器、存储模块、电源模块和天线模块组成。
所述的节点传感器模块根据数据采集对象的具体要求而采用不同类型传感器，其感应对象包括气体、温度、湿度、冲程等物理数据；
所述的节点通用计算通信平台支持运行嵌入式多任务软件控制系统，具有储存和处理采集的传感数据的能力，其无线收发器使用2.4GHz工控频段进行数据通信。
所述的节点电源模块通过电池或外部电源两种方式提供工作电源。当使用外部电源供电时，所述电源模块通过对220V交流电源进行变压后提供节点工作所需低压直流输入。
所述的单井无线传感器监测网络由一组传感器节点通过2.4GHz工控无线频段相互连接组网。组网形式为随机网络，网络结构可以为星型或网状。单井监测网络通过中继节点连接到井间中继网络。单井监测网络内部所属传感器节点具有唯一识别编号。
在正常工作状态下，单井无线传感器监测网络所属各传感器节点独立工作，根据预设频率周期性通过传感器模块采集所需数据，通过模数转换接口交由计算通信平台进行处理。计算通信平台根据网络连接形式，将预处理后的数据传送至所属单井网络的对应中继节点。当对应中继节点位于欲发送数据的传感器节点通信范围内时，该传感器节点采用直接连接方式与对应中继节点进行通信；反之则采用多跳传递方式进行连接。
所述中继节点仅包含有通用计算通信平台。其通用计算通信平台由高性能微处理器、无线收发器、存储模块、电源模块和天线模块组成。中继节点具有网络路由服务功能，并具有数据处理能力。
所述的井间中继网络由一组中继节点组成。中继节点以无线自组网络形式相互连接，形成传输骨干网络。井间中继网络与所属钻井井场所有单井监测网络通过无线信道进行连接。同时，井间中继网络最终通过网关接入远端中控数据分析系统。
所述的中控数据分析系统主要由工控计算机组成，提供数据分析，储存，监测，控制等服务。用户可通过中控数据终端实现对系统的管理，并通过预先设定警戒参数等手段，由系统对突发事件进行自动报警。
同现有技术进行比较，本发明具有以下创新之处：
1、在井场监测区域完全实现无缆线设计，有效避免了复杂的环境条件对固定线路和架空设备安装的限制.另外，本发明的无线数据通信采用2.4GHz开放公用频段.
2、传感器节点采用传感器模块与通用计算通信平台分体设计，不同类型传感器可通过通用接口与计算通信模块连接，降低了硬件成本，提高了系统地灵活度和维护效率。
3、所述系统具有显著分布式的特征。各个传感器节点以及中继节点独立工作，自行组网，不依赖于任何共用的存储设备、通信设备或者电源供应。所述系统具有高度健壮性，可以在部分传感器节点损坏的情况下保持系统的持续运行，仅需更换损坏节点。
4、所述系统具有高度随机的网络组织形态。在单井监测网络中，传感器节点根据数据采集要求选择安装位置。当钻井井场环境发生变化时，传感器节点以及中继节点可根据需要快速调整安装位置，具有高度适应性。
5、所述系统具有优良的可扩充性。当井场钻井口数量增加时，可通过增设单井监测网络并通过中继节点接入整体系统进行规模的扩充；当单井监测网络内的监测点增加时，可通过增加传感器节点数量进行功能的扩充。
本发明提出了一种全新的基于无线传感器网络技术铺设的钻井井场监测系统。所述系统摆脱了对传统固定网络基础设施建设的依赖，同时具有布置灵活、快速、易于维护的特点。通过无线方式对钻井井场及井口工作设备进行监测数据收集与传输，用户可以在中控室实现对单井或多井的工作状态可视化人工或自动监测。
【附图说明】
图1为本发明的系统三部分组成结构图。
图2为本发明的单井监测网络示意图。
图3为本发明的传感器节点组成模块示意图。
图4为本发明的传感器节点工作流程图。
图5为本发明的中继节点组成模块示意图。
图6为本发明的中继节点工作流程图。
具体实施方案
以下结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，并提出了详细的系统设计方案与系统运行过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1所示，本发明所述系统由三部分组成的，包括单井无线传感器监测网络、井间无线中继网络、以及中控数据分析系统。
如图2所示，本实施例中所设计的单井监测网络包含五个传感器节点，通过2.4GHz工控无线频段自行组成网状随机网络结构。传感器节点安装于井口及抽油机设备上，通过与传感器节点相连接的数据采集设备或数据记录仪器监测钻井各项工作状态。在本实施例中，具体监测量点包括井口回压、各项电气指标参数、载荷、抽油机冲程与冲次、以及抽油机的启停状态等。单井监测网络内每个传感器节点使用内嵌的唯一识别代码进行区分。
结合图3，传感器节点采用16位微处理器搭配2.4GHz频段无线收发器(CC2420)，通信距离为50-100米，采用电池或外部电源变压后供电.微处理器支持嵌入式多任务操作系统对节点的工作状态进行节能控制，以达到延长工作寿命的效果.传感器节点在采集指定监测数据的同时，对数据进行简单处理与传送.传感器节点本身具有一定储存能力以及数据服务能力.维护人员可以使用手持移动设备(PDA等)与网络的任意节点进行直接通讯，以便检修或作为应急手段使用.
图4所示为一个单井监测网络内的传感器节点工作流程示意。传感器节点在初始化之后即进入工作循环，由硬件时钟周期性触发中断。节点相应时钟中断，执行数据采集和无线通信任务。传感器模块采集的数据通过模数转换传送到MCU中央微处理器进行数据处理。预处理后的传感数据根据需要进行存储或通过RF无线收发模块进行发送。同时，MCU也对RF无线收发模块接收到的数据包及系统指令进行处理。
井间中继网络介于单井监测网络与中控数据分析系统之间，由承担无线收发功能的中继节点组成。如图5所示，所述的中继节点不配备传感器模块，只承担网络功能服务及部分数据处理任务。中继节点主要承担以下三个主要功能：
1、中继节点通过中距(100-500米)相互连接形成骨干传输网络，以多跳形式连接至中控室，并最终通过USB接口与工控计算机连接。
2、每个单井设置一个或多个中继节点，作为单井网络与井间网络连接的网关。各个单井监测网络采集的数据通过中继网络传送到中控室。
3、中继节点对单井监测网络内采集的数据进行集合处理。本实施例中由五个不同类型传感器节点采集的不同类型数据由中继节点收集并进行预处理，再通过中继网络传输至中控室。
中继节点的工作流程如图6所示。在模块初始化完成之后，中继节点进入以RF无线收发模块侦听为主的工作循环状态。当中继节点收到数据包后，其根据任务要求对数据包进行存储，或执行数据包向所属单井网络内或向中控数据分析系统的双向转发任务。同时，所有中继节点应通过中间件服务维持中继网络的基本功能，包括路由的建立与维持，时序同步等。
本实施例中，中控室设置二联工控计算机，与井间中继网络以多跳方式实现互联。单井监测网络采集的各项数据通过中继网络实现中、长距离无线传输，最终传送至到中控室计算机。本实施例中使用一台计算机作为接收监测数据与存储历史数据使用；另一台供管理人员进行工况监测，以及实现其他用户终端功能。其软件主要实现以下功能：
1、中控数据终端采用数据库管理，将从中继网络接收的各井监测数据按状态、类别、采集日期等进行分类存储，同时进行应急备份。
2、中控数据终端通过可视化界面显示各个传感器节点对应的安装位置，并以状态曲线形式对单井以及多井数据进行对比和可视化显示。
3、中控数据终端提供数据库查询服务，可以随时根据管理人员需求调阅分类历史数据，并提供钻井工况的对比分析。
4、中控数据终端提供可选择的数据分析工具，如状态数据均值，波动幅度分析以及进行中短期状态数据预测。
5、用户可以根据工程实际及系统要求预设各项安全警戒参数，中控数据终端根据接收的数据及分析结果对非正常波动值发出异常状态警报。