摘要：主要介紹了智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)與應(yīng)用。針對油田數(shù)據(jù)采集中存在的問題，如設(shè)備故障難排查、設(shè)備過多導(dǎo)致故障點(diǎn)增加以及采集造價(jià)高等，研發(fā)了一款精致小巧的智能測控網(wǎng)關(guān)設(shè)備。該設(shè)備具有多種功能特點(diǎn)，包括采集傳感器數(shù)據(jù)、交流用電信息和外部開關(guān)狀態(tài)信息等。通過與云端服務(wù)器的高速4G傳輸通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，可以滿足現(xiàn)場少量設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需求。

關(guān)鍵詞：智能網(wǎng)關(guān)；新能源數(shù)據(jù)采集；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；油田

一、前言

隨著油田數(shù)據(jù)采集規(guī)模的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法存在一些問題。首先，傳統(tǒng)的控制箱、電源、RTU、DTU等設(shè)備組合方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)場少量設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需求。其次，設(shè)備故障難以排查，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集中斷和效率低下。再次，設(shè)備數(shù)量龐大，導(dǎo)致故障點(diǎn)增加，增加了故障排查的復(fù)雜性。最后，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法造價(jià)高昂，不適合現(xiàn)場少量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集需求。由于這些設(shè)備存在故障難排查、故障點(diǎn)增加、采集造價(jià)高等問題，使建設(shè)運(yùn)維費(fèi)用居高不下，即使運(yùn)維人員投入大，上線率也無法保障，不便于規(guī)模推廣和應(yīng)用。

二、智能網(wǎng)關(guān)功能需求

為了解決上述問題，通過需求調(diào)研，發(fā)現(xiàn)對以下功能存在較大需求：

（一）采集傳感器數(shù)據(jù)

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)采集油田現(xiàn)場各種類型的傳感器數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、濕度等。

（二）交流用電信息采集

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠監(jiān)測和記錄油田現(xiàn)場的交流用電信息，包括電流、電壓、功率等。

（三）外部開關(guān)狀態(tài)信息采集和遠(yuǎn)程控制

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠檢測和記錄外部開關(guān)的狀態(tài)信息，如開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)的開閉控制等。

三、數(shù)據(jù)通信與云端服務(wù)器

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過高速4G傳輸通道與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。通過該通道，設(shè)備可以實(shí)時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器進(jìn)行存儲和分析。

四、智能網(wǎng)關(guān)的產(chǎn)品概述

智能網(wǎng)關(guān)是一款多功能高度集成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，具有采集傳感器數(shù)據(jù)、交流用電信息和外部開關(guān)狀態(tài)信息的功能。通過高速的4G傳輸通道與云端服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。該設(shè)備采用交流供電，工作電源范圍廣，同時(shí)帶有電量采集模塊，可采集電壓、電流、功率、電能等數(shù)據(jù)。智能網(wǎng)關(guān)還具有多路4～20mA采集接口，適應(yīng)不同傳感器的接入需求。此外，該設(shè)備還具有RS485接口，支持各種通信速率，方便與其他智能儀表進(jìn)行通信，見圖1[1]。

五、智能網(wǎng)關(guān)的功能特點(diǎn)

智能網(wǎng)關(guān)具有以下功能特點(diǎn)：

（一）廣泛的工作電源范圍

智能網(wǎng)關(guān)能夠適應(yīng)不同現(xiàn)場環(huán)境的供電需求，支持多種輸入電源電壓，如AC和DC等。

（二）電量采集

智能網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)采集電壓、電流、功率、電能等電量數(shù)據(jù)，使用戶能夠了解電能使用情況并進(jìn)行能源管理。

（三）多路4～20mA采集接口

智能網(wǎng)關(guān)提供多個(gè)4～20mA采集接口，方便連接各種傳感器，如溫度、壓力、濕度等，以采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。

（四）開關(guān)量接入支持

智能網(wǎng)關(guān)支持開關(guān)量接入，無需額外提供電源，可直接連接開關(guān)量傳感器或其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和控制。

（五） RS485通信接口

智能網(wǎng)關(guān)的RS485接口支持多種通信速率，便于與其他智能儀表、設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和集成。

（六）指示燈狀態(tài)顯示

智能網(wǎng)關(guān)上的控制面板具有指示燈，用于判斷與服務(wù)器通信是否正常，提供實(shí)時(shí)的狀態(tài)顯示。

（七）本地參數(shù)顯示

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備支持本地參數(shù)顯示功能，操作人員可以直接在設(shè)備上查看設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測和管理。

（八）支持重定向使用

智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重定向使用，方便快速安裝和部署，減少設(shè)備配置和調(diào)試的工作量。

綜上所述，智能網(wǎng)關(guān)具有廣泛的工作電源范圍、電量采集、多路4～20mA采集接口、開關(guān)量接入支持、RS485通信接口、指示燈狀態(tài)顯示、本地參數(shù)顯示以及支持重定向使用等功能特點(diǎn)，能夠滿足不同場景的數(shù)據(jù)采集和通信需求。

六、智能網(wǎng)關(guān)的安裝方法

智能網(wǎng)關(guān)的安裝方法如下：

（一）端子分層

智能網(wǎng)關(guān)的端子分為兩層，方便連接不同類型的設(shè)備。

（二）開關(guān)量接入

智能網(wǎng)關(guān)提供兩路開關(guān)量接口，可以接入無源的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部提供隔離的24V電源，用于采集開關(guān)狀態(tài)。

（三）傳感器接口

智能網(wǎng)關(guān)提供三路傳感器接口，可以接收0～20mA/4～20mA的模擬量信號。支持兩線制、三線制和四線制傳感器的接線方式，見圖2。

（四）電源連接

智能網(wǎng)關(guān)的工作電源范圍廣，同時(shí)也是電壓測量輸入。電流互感線圈的兩根信號線，白色為正，黑色為負(fù)。將負(fù)載的L線套入互感線圈，注意線圈的方向，線圈上的箭頭指向負(fù)載側(cè)。

（五）控制輸出

智能網(wǎng)關(guān)具有常閉節(jié)點(diǎn)和常開節(jié)點(diǎn)的控制輸出，可以配合外部交流接觸器實(shí)現(xiàn)對大功率電器的啟?？刂疲妶D3。

（六）24V直流電源輸出

智能網(wǎng)關(guān)提供兩路24V直流電源輸出，最大電流為200mA。

（七） RS485通信接口

智能網(wǎng)關(guān)具有兩路RS485通信接口。第一路RS485用于連接其他智能儀表，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，默認(rèn)的通信波特率為9600bps。第二路RS485用于現(xiàn)場調(diào)試。

（八）綁定產(chǎn)品序列號

安裝完成后，需要將智能網(wǎng)關(guān)綁定到對應(yīng)的產(chǎn)品序列號，并上報(bào)至控制室[2]。

七、注意事項(xiàng)

在安裝和維護(hù)智能網(wǎng)關(guān)時(shí)，需要注意以下事項(xiàng)：

（一）操作安全

操作人員在安裝和維護(hù)過程中，應(yīng)穿戴好勞動(dòng)保護(hù)設(shè)備，禁止帶電操作，確保人身安全。

（二）天線安裝

安裝天線時(shí)，需要將天線接頭擰緊，確保信號連接良好。天線吸盤應(yīng)放置在信號良好且不易被破壞的地方，以保證信號質(zhì)量和設(shè)備穩(wěn)定性。

（三）設(shè)備安裝

安裝智能網(wǎng)關(guān)時(shí)，需要選擇牢固的安裝方式，如固定螺絲或支架等，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。如果發(fā)現(xiàn)安裝后有松動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行加固處理，避免設(shè)備的搖晃和脫落。

（四）供電保護(hù)

在設(shè)備供電前端，建議加裝空開或斷路器，以方便維護(hù)和保護(hù)設(shè)備。在需要進(jìn)行設(shè)備維護(hù)或緊急停電時(shí)，可以通過斷開電源來確保操作安全和設(shè)備的正常工作。

（五）互感線圈接線

互感線圈具有方向性，接線時(shí)需要注意正負(fù)極的接線。確?；ジ芯€圈的正確接線，避免反接或短路等問題。

（六）設(shè)備綁定和測試

安裝完成后，需要進(jìn)行設(shè)備綁定和測試，確保設(shè)備的接線正確，并與其他設(shè)備的通信正常。通過測試，可以驗(yàn)證設(shè)備的功能和性能，確保設(shè)備的正常運(yùn)行。

在安裝過程中，要遵循現(xiàn)場相關(guān)安全規(guī)范和操作指南，確保安裝的正確性和安全性。

八、智能網(wǎng)關(guān)采用的技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)采用了多種技術(shù)，包括以下幾個(gè)方面：

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的重要組成部分，采用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與傳輸。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等，為智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)提供了技術(shù)支持。

（二）嵌入式系統(tǒng)技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)通常采用嵌入式系統(tǒng)，具有高度集成和低功耗等特點(diǎn)。嵌入式系統(tǒng)技術(shù)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)，用于實(shí)現(xiàn)智能網(wǎng)關(guān)的功能和性能要求。

（三）數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)需要對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，包括模擬信號采集、數(shù)字信號處理、數(shù)據(jù)壓縮與加密等。相關(guān)的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)用于提取有效的信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。

（四）通信技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)需要與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，常用的通信技術(shù)包括以太網(wǎng)、WiFi、4G/5G等。這些通信技術(shù)為智能網(wǎng)關(guān)提供了可靠的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

（五）云計(jì)算與大數(shù)據(jù)技術(shù)

智能網(wǎng)關(guān)通過與云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行云端存儲、分析和處理。云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，幫助實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析和決策。

九、智能網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場景

智能網(wǎng)關(guān)在油田數(shù)據(jù)采集中具有廣泛的應(yīng)用場景，以下是一些典型的應(yīng)用場景：

（一）新能源分布式光伏數(shù)據(jù)采集與控制

智能網(wǎng)關(guān)可以實(shí)時(shí)采集光伏電站的電壓、電流、功率、電量等數(shù)據(jù)，并通過4G傳輸通道將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，實(shí)現(xiàn)對光伏電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。

（二） 分層注水采集與控制

智能網(wǎng)關(guān)可以連接分層注水設(shè)備的傳感器，采集注水壓力、流量等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，實(shí)現(xiàn)對注水過程的監(jiān)測和控制，提高注水效果和生產(chǎn)效率。

（三）油井油套壓力數(shù)據(jù)采集

智能網(wǎng)關(guān)可以連接油井油套壓力傳感器，實(shí)時(shí)采集油井油套壓力數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，幫助工程師監(jiān)測油井的工作狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況[4]。

（四）油井環(huán)境監(jiān)測

智能網(wǎng)關(guān)可以連接溫度、濕度、氣壓等傳感器，實(shí)時(shí)采集油井的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，幫助工程師了解油井環(huán)境變化，提前預(yù)防環(huán)境對油井設(shè)備的影響。

（五）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù)

智能網(wǎng)關(guān)可以連接設(shè)備的開關(guān)量傳感器，實(shí)時(shí)采集設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)，通過云端服務(wù)器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障或異常情況，提高設(shè)備的可靠性和維護(hù)效率。

以下為部分展示界面，見圖4、圖5、圖6、圖7。

十、結(jié)語

智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)在油田數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域取得了顯著的成果。通過智能網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)、電量信息和開關(guān)狀態(tài)的采集，通過云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制。智能網(wǎng)關(guān)具有設(shè)備故障率低、采集穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足現(xiàn)場少量設(shè)備數(shù)據(jù)采集的需求。在油田數(shù)據(jù)采集中，智能網(wǎng)關(guān)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個(gè)場景。智能網(wǎng)關(guān)的安裝方式靈活，能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境和現(xiàn)場要求。通過智能網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對油田設(shè)備的監(jiān)測、控制和維護(hù)，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備可靠性?？偟膩碚f，智能網(wǎng)關(guān)的研發(fā)和應(yīng)用為油田數(shù)據(jù)采集帶來了新的技術(shù)和解決方案，為油田運(yùn)營和管理提供了更高效、智能化的手段。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的深入推進(jìn)，智能網(wǎng)關(guān)在油田數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用前景將更加廣闊[5]。

參考文獻(xiàn)

[1]唐鼎，秦小偉.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用化智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)[J].信息通信技術(shù)，2013，7（06）：78-82.

[2]閆文耀，王志曉，李軍懷，等.基于多模智能網(wǎng)關(guān)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2015，41（09）：31-38.

[3]廖建尚，盧斯.基于Android系統(tǒng)智能網(wǎng)關(guān)型農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J].中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2017，19（06）：61-71.

[4]陳桂友，陳海峰，賀紅.物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2013.

[5]張立濤.基于智能網(wǎng)關(guān)的數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（09）：84-86+90.

作者單位：吉林油田數(shù)智技術(shù)公司

■ 責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟