趙磊 王虎成 王蓬 王中磊 雒淵乾

[摘? ? 要]文章設(shè)計(jì)了基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以在低功耗電池供電條件下將溫度、壓力、流量等重要數(shù)據(jù)傳到油田生產(chǎn)指揮中心，具有功耗低、覆蓋廣、低成本、高容量、高安全、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，降低了工程建設(shè)成本和施工周期，確保了信息安全，增加了設(shè)備接入量，為油田在偏遠(yuǎn)地帶、無市電供電等艱苦條件下的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)工作提供了一種新途徑。其具有很好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

[關(guān)鍵詞]NBIOT技術(shù);油田;采油;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TE938.2 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）11–00–02

Design of Oilfield Production Monitoring System Based on NBIOT Technology

Zhao Lei， Wang Hu-cheng， Wang Peng， Wang Zhong-lei， Luo Yuan-qian

[Abstract]The article designs an oilfield oil production monitoring system based on NBIOT technology， which realizes the remote transmission of important data such as temperature， pressure， and flow to the oilfield production command center under the condition of low-power battery power supply. It has low power consumption， wide coverage， and low power consumption. The characteristics of cost， high capacity， high security， and excellent architecture reduce the construction cost and construction period， ensure information security， increase the amount of equipment access， and monitor the production of oilfields under difficult conditions such as remote areas and no electricity supply. The work provides a new way with good promotion prospects and application value.

[Keywords]NBIOT technology; oil field; oil production; monitoring system

目前大多數(shù)現(xiàn)有的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過鋪設(shè)有線電纜的方式將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心的，其工程成本高、施工周期長(zhǎng)且地域覆蓋范圍有限。同時(shí)，也有一些采用無線通信的，如4G等方式。此方式也需要市電供電，不僅無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間電池供電將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，而且通信時(shí)系統(tǒng)的安全性也無法保證。

NBIOT技術(shù)是一種基于蜂窩通信演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)。其具有覆蓋廣、功耗低、容量大、成本低、高安全的技術(shù)特性，符合當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)通信的發(fā)展需求。NBIOT可以使用較窄的頻段實(shí)現(xiàn)廣覆蓋，大連接，與傳統(tǒng)的 LTE 網(wǎng)絡(luò)相比，成本會(huì)大大降低。與其他的LPWAN技術(shù)相比，NBIOT網(wǎng)絡(luò)基于授權(quán)頻譜組建網(wǎng)絡(luò)，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障。

文章設(shè)計(jì)了基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用NBIOT的技術(shù)特性，解決了上述所提到的油田生產(chǎn)監(jiān)測(cè)的實(shí)際問題，具有很好的推廣前景和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：NBIOT采集器、NBIOT服務(wù)器、SCADA系統(tǒng)服務(wù)器、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)服務(wù)器（見圖1）。其中，NBIOT采集器主要用于現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和傳輸。NBIOT服務(wù)器主要用于NBIOT采集器設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸。SCADA系統(tǒng)服務(wù)器位于油田工業(yè)網(wǎng)內(nèi)，主要負(fù)責(zé)油田工業(yè)網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。生產(chǎn)指揮系統(tǒng)服務(wù)器位于油田辦公網(wǎng)內(nèi)，主要用于油田辦公網(wǎng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、分析和應(yīng)用服務(wù)等。

2 系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 NBIOT采集器設(shè)計(jì)

NBIOT采集器采用鋰電池供電方式的低功耗設(shè)計(jì)，用于采集溫度、壓力等數(shù)據(jù)。其以固定時(shí)間間隔喚醒后采集溫度和壓力等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在濾波處理后通過NBIOT網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成后NBIOT采集器進(jìn)入休眠模式。

NBIOT采集器硬件選擇意法半導(dǎo)體公司推出的STM32低功耗系列單片機(jī)作為MCU，網(wǎng)絡(luò)NBIOT選擇上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)股份有限公司的BC25型號(hào)網(wǎng)絡(luò)模塊。在采集溫度模塊和壓力模塊數(shù)據(jù)的前提下，同時(shí)搭配了美信半導(dǎo)體的MAX17048電池管理芯片來監(jiān)控采集器的電池健康狀態(tài)，NBIOT采集器功能框圖如圖2所示。

2.2 通信設(shè)計(jì)

NBIOT采集器與上位機(jī)通信采用TCP協(xié)議，默認(rèn)服務(wù)器端口為2306。NBIOT采集器采用定時(shí)喚醒的方式與上位機(jī)進(jìn)行通信，喚醒時(shí)間間隔默認(rèn)為30 min，其具體流程體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①在每一次喚醒后，NBIOT采集器會(huì)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，上位機(jī)收到數(shù)據(jù)后給予應(yīng)答，同時(shí)上位機(jī)可發(fā)送修改NBIOT采集器參數(shù)的配置信息（無配置信息則無該流程）;②NBIOT采集器接收到上位機(jī)的配置信息后進(jìn)行處理，處理完畢后并反饋給上位機(jī);③上位機(jī)發(fā)送結(jié)束命令，整個(gè)通信結(jié)束，NBIOT采集器斷開連接，進(jìn)入休眠模式（見圖3）。

NBIOT采集器與上位機(jī)通信協(xié)議的具體內(nèi)容如圖4所示。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括3個(gè)部分：①油田生產(chǎn)指揮系統(tǒng)軟件。其安裝于油田生產(chǎn)指揮系統(tǒng)服務(wù)器上，主要功能為生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)報(bào)警、生產(chǎn)動(dòng)態(tài)、生產(chǎn)管理、調(diào)度運(yùn)行、應(yīng)急處置。②油田SCADA系統(tǒng)軟件。其安裝于油田SCADA系統(tǒng)服務(wù)器中，主要功能包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)。其中，數(shù)據(jù)采集服務(wù)是將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)服務(wù)是將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)到油田生產(chǎn)指揮系統(tǒng)服務(wù)器中。③NBIOT服務(wù)軟件。其安裝于油田NBIOT服務(wù)器中，可部署到油田安全隔離區(qū)內(nèi)，主要功能為設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集、命令下發(fā)、消息推送等。

在油田的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，若已經(jīng)建成油田生產(chǎn)指揮系統(tǒng)和SCADA系統(tǒng)且較完善，可直接部署NBIOT服務(wù)軟件將NBIOT采集器接入已有系統(tǒng);若沒有建成，則需要根據(jù)實(shí)際情況在部署完NBIOT服務(wù)軟件后再設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)。

報(bào)警功能是油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要應(yīng)用功能。其應(yīng)用原理體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①系統(tǒng)應(yīng)用人員需要根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的高報(bào)警閾值和低報(bào)警閾值，閾值通過NBIOT服務(wù)軟件設(shè)置到NBIOT采集器中;②當(dāng)NBIOT采集器采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超過高報(bào)警閾值或低于低報(bào)警閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā)報(bào)警并上報(bào)給NBIOT服務(wù)軟件;③NBIOT服務(wù)軟件再將報(bào)警信息上報(bào)給油田SCADA系統(tǒng)軟件和油田生產(chǎn)指揮系統(tǒng)軟件。

3 案例應(yīng)用

基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某油田接入了約3 000個(gè)NBIOT采集器，將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、回壓、套壓、流量等數(shù)據(jù)傳回了生產(chǎn)指揮中心，覆蓋了全國(guó)多個(gè)省的偏遠(yuǎn)地區(qū)。NBIOT采集器每60 min會(huì)上傳一次數(shù)據(jù)，電池至少可用三年。其現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單施工成本低，系統(tǒng)已經(jīng)安全運(yùn)行三年多，應(yīng)用界面如圖5所示。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)了基于NBIOT技術(shù)的油田采油監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為油田在偏遠(yuǎn)地帶、無市電供電等艱苦條件下的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)工作提供了一種新途徑，解決了工程成本高、周期長(zhǎng)、信號(hào)覆蓋差、功耗高、信息不安全等問題。其經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用驗(yàn)證，解決了油田的實(shí)際應(yīng)用問題，具有較大的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 王曉周，藺琳，肖子玉，等.NB-IoT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].現(xiàn)代電信科技，2016（6）：5-12.

[2] 張匯鋒.基于NBIoT的車位管理系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2019.

[3] 梁福波.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的數(shù)字化油氣田設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2014（1）：155-157.

[4] 劉英，成書軍，肖翔.基于油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)采集與監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)維管理評(píng)估的幾個(gè)關(guān)鍵要素[J].信息系統(tǒng)工程，2016（6）：50-51.