数据采集中继器在石油行业的应用

克拉玛依油田地处远离市区的荒漠地带，目前许多采油区还不具备大量密集使用4G 的条件。针对克拉玛依油田的实际情况，重油公司A11物联网设计方案对ZigBee通信设备的传输距离指标设定为500米(中石油A11无线变送器传输距离指标设定为300米)，近几年重油公司物联网建设(单井数据采集)，投用了大量的中石油A11招标入围供应商提供的压力、温度变送器。

实践测试证实，受具体安装位置的限制与周边环境的影响，投用的这批压力、温度变送器其无线传输距离只有10m～120m左右，与中石油A11无线通信设备300米的指标和重油公司A11无线通信500米的指标相差很大，数据无法采集传输到网关(网络设备)。为能从根本上解决现存问题，经研究和实验测试确定，需实施引用一批数据中继设备，将中石油A11招标入围无线通信设备的传输距离扩展到500米以上，以适应新疆克拉玛依油田的实际需要。

数据采集器(数据采集中继)产品设计制造及现场工程实施严格遵循国际、国家、中国石油天然气股份有限公司现行有关标准。列表如下：

GB/T 34039-2017 远程终端单元(RTU)技术规范

GB 30439.1-2013 工业自动化产品安全要求

HG/T 20507-2014 自动化仪表选型设计规范

GB/Z 16656.1002-2010 工业自动化系统与集成，产品数据表达与交换

GB 50093-2013 自动化仪表工程施工及质量验收规范(附条文说明)

GB50055-2011 通用用电设备配电设计规范

一、数据采集中继设备构成与工作原理

数据采集中继器由Digi ZigBee协调器、数据采集中继器(路由)两个核心数据处理单元构成。数据采集中继器内置Digi ZigBee协调器，用于接收附近多个相同网络识别码A11+GRM协议变送器数据，由内部总线传递到数据中继路由模块，数据采集中继路由核心处理器可实时读取电参、压力、温度和其它远程仪表数据，经压缩处理后，通过ZigBee无线网桥链路，实施无线远程传输到网关设备。

数据采集中继器是实时路由转发设备，可链接多个数据采集设备或中继器，当接收到无线采集终端发送的数据时,即刻转发到无线网桥链路直至数据网关。

数据采集中继器可实时双向通信，当接收到数据网关下传指令时，即刻转发给控制单元处理完成相应的控制操作。

数据采集中继器由多插座底板和不同功能模块插件电路板组成，可根据需要选配不同的功能模块插件。数据采集中继器具备24VDC转5VDC和太阳能加锂电池组两种工作电源，可根据现场实际情况选用不同的工作电源。

二、安装实施方案与技术需求

数据采集中继器其主体电路板需加隔离外壳，安装在抽油井配电箱的弱电箱内衬板上，由24VDC转5VDC电源供电(没有供电的注汽井采用自备太阳能加锂电池组电源供电)。

数据采集中继器兼容采集器控制终端全部功能。其电参模块通过485线缆与数据采集中继器主体相连接，电参模块安装在配电箱的弱电箱内衬板上，电参模块控制端口和信号采集端口通过导线连接到相应的触点上，双吸盘天线引出放在配电箱体上方。

如下图所示：

三、坑洼土丘地貌采集网络建设

克拉玛依油田重油作业区地形复杂，丘陵与坑洼盆地相间，油井分布地域大且地貌多样化。采油作业区只有部分的管理站实现了光纤网络通信，有些区域(井位)还不具备4G通信条件，采用无线方式直传到中心站或4G设备的星状网络结构，存在大量的通信盲区和网络死角。采用ZigBee网桥与树状采集传输网络，是目前实现规避土丘坑洼遮挡障碍，最简单有效和综合造价低廉的最佳模式。

选择合理的路由采集器地址对于网络覆盖的影响非常大，为了适应任意选址的需要，路由采集器必须具备自带不间断工作电源和不断电更换电池(约4年一次)功能。采油作业区路由器一般建立在相对位置较高处，以扩大覆盖面积减少投资。因为ZigBee 信号的波形的特性决定，位置过高也会适得其反，为保证最佳覆盖面，除了能够选择合适的地址外，还要具备根据不同的地形选址的经验及技术措施。

数据采集传输网络示意图：

四、系统设备性能及技术指标

1. 数据采集中继器传输采用无线2.4G开放频段，数据采集中继器直传距离500米(空旷地段无转发1km)，通过ZigBee网桥覆盖区域直径2000米，通过路由可实现无盲点通信;

2. 数据采集中继器可接入标准模拟量输出仪表;2路开关量采集接入抽油机启/停状态和手动/自动状态;2路继电器输出接控制抽油机启/停触点;DC24V工作电源;RS485接口通信，标准通信协议MODBUS-RTU;

3. 数据采集中继器无休眠运行工作，能够自动复位联网(采集器具备自动复位连网功能，当终端与采集网络失联时，采集终端系统软件自动复位连网，直至连接成功)。

4. 系统设备能够适应新疆油田恶劣环境与气候条件下使用(气温-40℃～75℃，戈壁滩风力可达14级);

5. 系统数据网关可配置划分油井管理区域范围，能够自动检测和标识管理区域内设备运行状态及故障，能够配置网络接口(网关、掩码、油田私网IP和外网IP),适应Modebus TCP通信协议与后台组态管理系统对接;

6. 系统网络通信设备支持互联网协议第六版(IPV6);

7. 系统运行稳定可靠适应恶劣环境及高寒高温气候条件下运行，平均数据上线率98%以上(人为造成的故障除外);

8. 系统井口采集器为本质安全防爆设计、隔爆多重防护，具备不低于EXibⅡC4Gb 防爆等级证。

从以上可以看出：

1.数据采集器设备主要用于中继扩展A11+GRM协议设备DIGI ZigBee通信传输距离达500米以上，实时采集A11+GRM协议设备数据和转发，能够自动链接多个中继建立通信链路，可多级扩展无线传输距离和规避土丘坑洼遮挡障碍，通过ZigBee无线网桥(中继链路)实现采油区无盲点通信监控，保障油田无敷设公网通信设施区域的双向通信和稳定的数据上线率。

2.数据采集器产品用于新疆油田抽油机(井)工况参数采集与无线远程传输及实时监控网络系统建设。

3.数据采集器产品能够适应新疆油田恶劣环境与气候条件下使用，其技术指标能够满足不同作业区(稀油、稠油热采)生产上的实际需求。

4.数据采集器产品，主要看重Digi ZigBee模块的功能和特点是：1)低功耗;2)满足传输距离;3)组网功能;4)简单易用，稳定可靠，性价比高。

审核编辑：汤梓红