《基于无源无线感知技术的油田油井一体化数据采集装置》
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[摘要] 结合无源无线传感技术和低功耗广域网技术,设计了一种一体化的油田油井数据采集装置.装置集成了无源无线仪表采集解析模块、无线本地查询模块、低功耗广域网数据远传模块及RFID资产管理模块.整合了油井工作状态管理所需的所有几乎功能,简化了管理流程,使单井成为物联网的一个全功能基本单元,为实现数据采集、资产信息和人员工作的融合统一管理提供了基础.
[关键词] 声表面波;无源无线;数据采集;LORA;低功耗广域网
doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 01. 040
[中图分类号] F270.7[文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2020）01- 0094- 04
0 引言
在油田日常运行管理中,油井的工作状态监控是重中之重.为清楚了解、有力监督油田油井的作业情况,各油田都建立了比较完善的油井巡检巡更制度.然而在实际工作中,由于油井数量繁多,油井位置偏远且分散,油井数据采集自动化程度低,人员劳动强度大疲劳程度高,巡检制度的执行往往无法到位,存在漏检、误报等情况,造成油井工作状况数据缺失或数据不实,给实际的生产监督造成困扰.同时,大量的管理数据依靠手工记录誊写,电子化程度低,并且与设备资产管理脱节严重,使油井管理信息更新滞后,缺乏统一性和综合性.
在油田进一步减员增效的背景下,对油井工作状态管理的自动化和智能化的要求越来越迫切.基于移动互联网和物联网技术,相关研究工作者提出了一些方案来提升其智能化水平,例如基于RFID和移动互联网的油井巡检系统[1],基于LoRa低功耗广域网技术的数据采集系统[2]等.但这些系统往往只考虑单一功能,对巡检、数据采集、资产信息、人员管理的整合缺乏综合考虑.这一方面是由于目前油井设备的自动化监测程度仍然不高,无线传感系统发展尚未成熟,仍然需要人员频繁地进行巡检维护及更换电池,另一方面油井监测传感设备和资产随年代不断增加且设备间各自为战,对采集设备本身的管理进一步增加了管理的复杂度,缺乏一种具有高集成度的采集装置来简化工作流程.
无源无线传感技术是近年发展起来的一种新型传感技术,其最大的优势在于传感器一侧无须任何电池供电,因此如果传感器本身不發生损坏,就无须考虑电池寿命等附加问题,同时其采集频次也不再受到电池容量的限制,并且在防爆环境中极易实现本质安全.实现无源无线传感的一种重要方法是声表面波（Surface Acoustic We,SAW）传感技术[3],目前已通过该技术实现了温度和压力的传感[4-6].本文结合无源无线传感技术和低功耗广域网技术,设计了一种一体化的油田油井数据采集装置,该装置集成了无源无线仪表采集解析模块、无线本地查询模块、低功耗广域网数据远传模块及RFID资产管理模块.无源无线仪表解析模块采用可重构的射频硬件结构,可兼容多种无源无线仪表和其他无线仪表;内部采用标准的485总线和Modbus协议,可对接多种低功耗广域网传输模块;一体化数据采集装置可同时实现无源无线仪表解析、数据远传平台记录、手持终端井口数据采集、资产管理和巡检,整合了油井工作状态管理所需的所有几乎功能,简化了管理流程,使单井成为物联网的一个全功能基本单元,为实现数据采集、资产信息和人员工作的融合统一管理提供了基础.
1 一体化数据采集装置架构与功能
一体化数据采集装置架构和实物如图1所示,由无源无线仪表解析模块、WiFi本地查询数据模块,低功耗广域网数据远传模块以及作为资产管理模块入口的户外特种RFID.一体化数据采集装置的电源采用12V直流供电,可以方便地布置在井口任意位置.
一体化数据采集装置的功能如图2所示,通过不同的模块可以完成如下功能：
①传感器数据采集;
②井口现场数据记录;
③数据远传和定期采集;
④资产管理和巡检.
无源无线仪表解析模块是该装置的核心,此模块完成所有的井口仪表数据的采集和解析.该模块由可重构的射频模块和数字处理模块构成,不仅可以读取无源无线仪表的信息,还可以读取其他无线传感器的信息,具备采集多种无线传感器的能力.该模块的原理和实现在本文之后的章节里介绍.
无源无线仪表解析模块通过485总线以Modbus协议与WiFi本地通讯模块和低功耗广域网远传模块通信,可兼容多种近距和远传通信方式.
WiFi本地查询模块与配套的手持终端配合,可以完成对仪表数据的本地查询和数据记录,既照顾了油田原有的生产巡检习惯,在远传通路出现故障时,也能保障监测工作的正常进行.
低功耗广域网数据远传模块通过以LoRa为代表的远距传输技术,将采集得到的信息按照设定的采集周期传输至远端的数据平台,完成数据的自动采集、记录和分析.
一体化数据采集装置集成有适用于户外的特种RFID,可作为资产信息管理和智能巡检的入口,目前已具有如下功能：①可记录油井的资产设备台账、维修、更换、位置等信息;②可调用后台数据库的实施信息及历史信息;③可扩展工作单下发、到场考勤、故障上传、巡检路径等工作.
通过应用一体化阅读器,可同时实现无源无线仪表解析、数据远传平台记录、手持终端本地抄表、资产管理和巡检等多种功能,使单井成为油田物联网的一个全功能基本单元,为实现生产数据、资产信息和人员工作的融合统一管理提供了基础.
2 无源无线传感器
在井口参数传感方面,数据采集装置采用基于声表面波的无源无线传感器为核心,该类传感器不需要电池,对于油井这种户外分散的环境下,在维护和安装上具有很大的优势.其基本技术是SAW谐振器,原理如图3 所示,阅读器通过阅读器天线发射窄带电磁波,该电磁波被传感器天线接收,激励由压电工艺制作的单端口SAW谐振器,通过逆压电效应,叉指换能器（IDT）将传感器天线接收的电磁波转换为SAW.单端口声表面波谐振器的实际谐振频率則由谐振腔的结构以及基片所处的环境影响决定（如被测物处的温度、应变等）.当激励消失之后,带内各频率分量的声表面波会以不同的时间常数自由衰减振荡,只有频率与SAWR固有谐振频率相同的电磁波持续时间最长.IDT通过压电效应将SAW再次转化为电磁波并由天线辐射出来.阅读器接收被测量影响的衰减振荡电磁波后估计出其谐振频率,可实现相关传感量的无线测量.
由SAW的工作原理可知,如果仅以单个SAW谐振器进行测量,则谐振频率必然会受到工作环境变化的影响,导致测量结果失真,同时现场还存在其他干扰.为此,每个SAW传感器均采用两个谐振器组成差动结构,两个谐振器布置在基片上的不同位置,将两个谐振器之间的频率差值作为测量的依据,从而抵消干扰的影响.
结合油田工况的实际需要,我们设计研发了压力和温度两种传感器,其中压力传感器量程0～6MPa,敏感区间0～3.5MPa,敏感区间内精度达到0.5级.温度传感器测量范围-40℃～200℃,敏感区间-40℃～160℃,敏感区间内精度达到0.5级.图4、图5分别是用于油井的温度传感器和压力传感器实物,两者封装均兼容现有油井的标准安装接口,安装工艺和原有机械仪表一致.
从工作原理可知,对该类传感器的数据解析不能通过传统的无线通信方式进行,需要设计专门的解析模块,该模块也将成为一体化数据采集装置的核心.在本文的第3部分将对该模块的实现进行详细的介绍.
3 无源无线仪表解析模块的实现
从第2部分的SAW工作原理和油田的实际应用需求可知,无源无线解析模块不能简单地采用一般的无线数字通信体制,并且差动结构的传感器还对解析模块查询的动态型提出了要求.另一方面,为了兼容其他类型的无线传感器,需要针对SAW无源无线传感器的特点,开发具备可重构能力的解析模块.同时为了利于推广,模块的成本也不宜过高.
为在可控成本内实现这些要求,解析模块采用了如图6的框架结构,整个模块由发射链路和接收链路组成.两个集成发射器和一个合路器用于产生同时包含两个谐振器频率的激励信号,从而可以同时激励差动式传感器的两个谐振器,具备很好的查询动态性,同时相比过去采用高速DA和混频器的方案,成本显著降低.图7是采用这种发射架构得到的传感器回波信号.
激励信号经过功率放大后经天线发射至传感器,传感器被激励后反射回波信号,回波信号经过天线和低噪声放大器后,被下变频器直接下变频至基带,经滤波和调理后由AD进行数字化,再由数字信号处理器进行解析.
这种结构具备良好的查询动态性,相较高速DA和混频器方案具备显著的成本优势.同时收发结构可以直接兼容其他的数字调制方式如FSK、PSK、ASK等,可以直接兼容其他的无线传感器.
4 现场应用
在新疆油田公司某油田选取了25口生产井进行了无源无线传感器和一体化数据采集装置.图8是现场安装情况.
测量数据通过Lora网络传输至监控平台,传感器运行状况良好,数据稳定,如图9所示.
同时进行了配套手持终端的部署和应用,通过手持终端可完成对数据的现场获取和对油井各种设备的资产信息管理,如图10所示.
5 结论
本文结合无源无线传感技术和低功耗广域网技术,设计了一种一体化的油田油井数据采集装置,该装置集成了无源无线仪表采集解析模块、无线本地查询模块、低功耗广域网数据远传模块及RFID资产管理模块.针对无源无线仪表特点,设计了解析模块,且无源无线仪表解析模块采用可重构的射频硬件结构,可兼容多种无源无线仪表和其他无线仪表;内部采用标准的485总线和Modbus协议,可对接多种低功耗广域网传输模块;一体化数据采集装置可同时实现无源无线仪表解析、数据远传平台记录、手持终端井口数据采集、资产管理和巡检,整合了油井工作状态管理所需的所有几乎功能,简化了管理流程,使单井成为物联网的一个全功能基本单元,为实现数据采集、资产信息和人员工作的融合统一管理提供了基础.
主要参考文献
[1]黄慧鹏.油田采油井站巡检系统设计与应用[J].信息技术,2016（6）：170-172,176.
[2]孟开元,韩佳佳,曹庆年,等.基于LoRa技术的油田井口数据监测系统设计[J].智能计算机与应用,2017,7（6）：83-85.
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汇总:上述文章是一篇关于无源和无线和感知和技术和油井和一体化和数据和采集和装置方面的相关大学硕士和数据采集本科毕业论文以及相关数据采集论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
数据采集引用文献:
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