1、行業(yè)背景
1.1、現(xiàn)狀
由于實際地形的原因目前我國的油井一般都很分散，分布范圍廣，地區(qū)偏遠(yuǎn)采油廠一般由多口油井、計量站、管匯閥組，轉(zhuǎn)油站，聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其它分散設(shè)施組成，整個采油廠的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)（主要有溫度、壓力、流量等）直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量。如果對每一個采集點都采用GPRS/CDMA+RTU的數(shù)據(jù)采集方案不僅成本高而且由于邊遠(yuǎn)地區(qū)移動信號盲點多且一般軟件將GPRS網(wǎng)絡(luò)綁定虛擬串口的查詢訪問方式造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的隱患，數(shù)據(jù)不能及時準(zhǔn)確地送到監(jiān)控中心，影響油井的動態(tài)分析和日常管理，不能及時有效地對油井的工作情況進行分析和管理，影響油井的正常工作，降低了工作效率，增加了不必要的成本。
1.2、需求分析
針對上述情況，必須采用新的技術(shù)進行便捷有效的升級改造，在保證數(shù)據(jù)及時、有效的傳送到監(jiān)控調(diào)度中心的前提下，又要考慮降低升級改造的成本，針對此應(yīng)用場合，采用Zigbee技術(shù)與力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl6.1相結(jié)合通過其功能組件CommBridge進行數(shù)據(jù)采集非常合適。
2、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以分為三個層次
1） 基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee傳感器節(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率。
2） 利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點。
3） 上位監(jiān)控組態(tài)軟件力控ForceControl6.1。力控數(shù)據(jù)服務(wù)器只需要利用ADSL或者靜態(tài)IP就對多個遠(yuǎn)程設(shè)備進行通訊，數(shù)據(jù)為并發(fā)處理、完全透明的解決方案，從而消除了一般軟件將GPRS網(wǎng)絡(luò)綁定虛擬串口的查詢訪問方式造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的隱患。
3、Zigbee技術(shù)簡介
3.1、Zigbee簡介
Zigbee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
國際上，IEEE802.15.4工作組及Zigbee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術(shù)的推廣工作，其中，IEEE802.15.4工作組主要負(fù)責(zé)制定Zigbee物理層及MAC層的協(xié)議，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以便于今后不同廠商設(shè)備的互聯(lián)互通； Zigbee聯(lián)盟則負(fù)責(zé)高層應(yīng)用及市場推廣工作。而于2002年成立的Zigbee聯(lián)盟如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司的加入。目前，F(xiàn)reescale、TI等國際巨頭都已推出了比較成熟的Zigbee開發(fā)平臺。
Zigbee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
3.2、Zigbee技術(shù)特點
1)設(shè)備省電
Zigbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間；
2)通信可靠
Zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；
3)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強
Zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；
Zigbee自愈功能：增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。
4)成本低廉
設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設(shè)備成本；
Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。
網(wǎng)絡(luò)容量大一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個Zigbee網(wǎng)絡(luò)。
5)數(shù)據(jù)安全
Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
4、GPRS技術(shù)和力控監(jiān)控組態(tài)軟件無線通訊特點
4.1GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點
GPRS網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網(wǎng)絡(luò)，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達128kbit/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。
4.2 力控監(jiān)控組態(tài)軟件無線通訊特點
1）力控數(shù)據(jù)服務(wù)器只需要利用ADSL或者靜態(tài)IP就對多個遠(yuǎn)程設(shè)備進行通訊，數(shù)據(jù)為并發(fā)處理、完全透明的解決方案，從而消除了一般軟件將GPRS網(wǎng)絡(luò)綁定虛擬串口的查詢訪問方式造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的隱患；
2）心跳維護周期可單獨設(shè)置，有效的流量控制機制保證了遠(yuǎn)程應(yīng)用中節(jié)省通訊費用；
所有設(shè)備的驅(qū)動程序支持通過移動GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備進行通訊；
3）力控節(jié)點與其遠(yuǎn)程力控節(jié)點也可以進行移動通訊；
4）力控支持設(shè)備主動通過GPRS上傳數(shù)據(jù)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸；
5）支持移動APN專網(wǎng)固定IP等方式進行數(shù)據(jù)傳輸。
5、上位監(jiān)控組態(tài)軟件力控ForceControl6.1
5.1力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl6.1簡述
力控Forcecontrol6.1工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件是北京三維力控科技有限公司根據(jù)當(dāng)前的自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢，總結(jié)多年的開發(fā)、實踐經(jīng)驗和大量的用戶需求而設(shè)計開發(fā)的高端自動化軟件產(chǎn)品，是力控科技全體研發(fā)工程師集體智慧的結(jié)晶，該產(chǎn)品主要定位于國內(nèi)高端HMI/SCADA自動化市場及應(yīng)用，是企業(yè)信息化的有力數(shù)據(jù)處理平臺。
控Forcecontrol6.1產(chǎn)品在數(shù)據(jù)處理性能、容錯能力、界面容器、報表等方面產(chǎn)生了巨大飛躍，力控Forcecontrol6.1在秉承力控6.0成熟分布式應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，功能更強大。
5.2力控監(jiān)控組態(tài)軟件Forcecontrol6.1主要特點
1）、互聯(lián)網(wǎng)時代的驕傲
提供在Internet/Intranet上通過IE瀏覽器以“瘦”客戶端方式來監(jiān)控工業(yè)現(xiàn)場的解決方案；支持通過PDA掌上終端在Internet實時監(jiān)控現(xiàn)場的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支持通過移動GPRS、CDMA、GSM網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備或其它遠(yuǎn)程力控節(jié)點通訊；
面向國際化的設(shè)計，同步推出英文版和繁體版，保證對多國語言版的快速支持與服務(wù)；
力控軟件內(nèi)嵌分布式實時數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫具備良好的開放性和互連功能，可以與MES、SIS、PIMS等信息化系統(tǒng)進行基于XML 、OPC、ODBC、OLE DB等接口方式進行互連，保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時地傳送到以上系統(tǒng)內(nèi)。
2）、強大的移動網(wǎng)絡(luò)
支持通過移動GPRS、CDMA網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備或其它遠(yuǎn)程力控節(jié)點通訊,力控移動數(shù)據(jù)服務(wù)器與設(shè)備的通訊為并發(fā)處理、完全透明的解決方案，消除了一般軟件采用虛擬串口方式造成數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定的隱患，有效的流量控制機制保證了遠(yuǎn)程應(yīng)用中節(jié)省通訊費用。
3）、完整的網(wǎng)絡(luò)冗余及軟件容錯解決方案
作為民族產(chǎn)業(yè)的大型SCADA、DCS軟件，力控軟件支持控制設(shè)備冗余、控制網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控服務(wù)器（雙機）冗余、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)冗余、監(jiān)控客戶端冗余等多種系統(tǒng)冗余方式。
力控軟件支持控制設(shè)備冗余如SIEMENS公司的S7400H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式，支持普通的232、485、以太網(wǎng)等控制網(wǎng)絡(luò)的冗余，支持控制硬件的軟冗余切換和硬冗余切換。
4）、穩(wěn)定的通訊處理
支持通過RS232、RS422、RS485、電臺、電話輪循撥號、以太網(wǎng)、移動GPRS、CDMA、GSM網(wǎng)絡(luò)等方式和設(shè)備進行通訊。
支持主流的DCS、PLC、DDC、現(xiàn)場總線、智能儀表等1000多種廠家設(shè)備的通訊。
支持離線診斷，在開發(fā)環(huán)境下可以診斷是否正常通訊。
支持不同協(xié)議的設(shè)備在一條通訊鏈路進行通訊。
支持在大型SCADA系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程通道冗余通訊。
5）、圖形系統(tǒng)主要特點：
方便、靈活的開發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫面模板、可嵌入各種格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的圖片，方便畫面制作，大大降低了組態(tài)開發(fā)的工作量；
強大的分布式報警、事件處理，支持報警、事件網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)斷線存儲，恢復(fù)功能；
支持操作圖元對象的多個圖層，通過腳本可靈活控制各圖層的顯示與隱藏；
強大的ActiveX控件對象容器，定義了全新的容器接口集，增加了通過腳本對容器對象的直接操作功能，通過腳本可調(diào)用對象的方法、屬性；
全新的、靈活的報表設(shè)計工具：提供豐富的報表操作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制，包括：腳本調(diào)用和事件腳本，可以提供報表設(shè)計器，可以設(shè)計多套報表模板，報表文件格式兼容Excel工作表文件，支持圖表顯示自動刷新，可輸出多種文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
6）分布式的結(jié)構(gòu)
力控監(jiān)控組態(tài)軟件在軟件功能模塊的分布式體系結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在各個組件程序間的關(guān)系上，圖形界面系統(tǒng)VIEW和實時數(shù)據(jù)庫DB之間是分布式的，力控科技在圖形VIEW級率先提出了"數(shù)據(jù)源"的概念，使一個圖形界面可同時連接多個不同的機器上的實時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)源，而各個分布式的數(shù)據(jù)庫分別對連接自己的I/O Server進行采集數(shù)據(jù)和處理，如輸入數(shù)據(jù)的量程變換、流量累積、報警檢查，以及PID運算等，這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性在于，各組件任務(wù)分配更合理，使您的系統(tǒng)實時性更好，穩(wěn)定性更高。
5.3監(jiān)控中心軟件的設(shè)計
5.3.1形象逼真的實時監(jiān)控界面
借助于力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl6.1方便、靈活的開發(fā)環(huán)境，提供各種工程、畫面模板、大大降低了組態(tài)開發(fā)的工作量可以設(shè)計形象逼真的實時監(jiān)控界面。
5.3.2強大的數(shù)據(jù)報表功能
全新的、靈活的報表設(shè)計工具：提供豐富的報表操作函數(shù)集、支持復(fù)雜腳本控制，包括：腳本調(diào)用和事件腳本，可以提供報表設(shè)計器，可以設(shè)計多套報表模板。
5.3.3實時/歷史趨勢組合顯示
自動生成各用戶的瞬時流量、溫度、壓力、累計流量的并行歷史曲線，并可查詢?nèi)我庥脩?、任意參?shù)、任意時段的歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)和曲線應(yīng)便于轉(zhuǎn)存和打印。
5.3.4方便的報警/事件管理
實時顯示并記錄就地流量測量系統(tǒng)的各種報警信息，如流量/壓力/溫度的超限、儀表工作電源不正常、不間斷電源的電池欠壓、交流市電消失、非法闖入、通訊故障等報警信息。
5.3.5完備的安全保護機制
力控提供了完備的安全保護機制，以保證生產(chǎn)過程的安全可靠，力控的用戶管理具備多個級別，并可根據(jù)級別限制對重要工藝參數(shù)的修改，以有效避免生產(chǎn)過程中的誤操作；力控提供了安全區(qū)的概念，同級別，不同安全區(qū)的數(shù)據(jù)不可以互相操作，保證了數(shù)據(jù)的分布式的管理。提供基于遠(yuǎn)程的用戶管理，增加更多的用戶級別及安全區(qū)，管理所有用戶的遠(yuǎn)程登陸信息。
5.3.6實時高效的數(shù)據(jù)庫DB
軟件內(nèi)嵌分布式實時數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是整個軟件的核心，負(fù)責(zé)將采集的實時數(shù)據(jù)進行處理、發(fā)布；分布在網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)庫節(jié)點可以充當(dāng)為IO通訊服務(wù)器、報警服務(wù)器、歷史服務(wù)器等；實時數(shù)據(jù)庫完成歷史數(shù)據(jù)的存儲、歸檔，報警的檢查，報警數(shù)據(jù)的存儲等功能；數(shù)據(jù)庫具備強大的數(shù)據(jù)處理功能，豐富的參數(shù)類型，內(nèi)置的多種功能塊，可實現(xiàn)累計、統(tǒng)計、控制、線形化、PID控制、各種運算等功能；數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)按區(qū)域、單元、子單元管理，分為6層結(jié)構(gòu)，方便數(shù)據(jù)的管理；用戶可根據(jù)實際需要自定義自己的各類數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，方便對數(shù)據(jù)的管理和查找。
5.3.7 專用的Zigbee通訊方式
力控監(jiān)控組態(tài)軟件針對Zigbee特點，開發(fā)了Zigbee通訊服務(wù)組件，可以方便用戶與硬件設(shè)備的組態(tài)，保證了通訊網(wǎng)絡(luò)的安全可靠和數(shù)據(jù)采集傳送的實時性準(zhǔn)確性。
6、本方案特點
基于力控監(jiān)控軟件ForceControl的油井無線監(jiān)測系統(tǒng)，采用Zigbee新技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合力控組態(tài)軟件的特點將油井與監(jiān)控主站之間緊密的聯(lián)系在同一個信息圈中，實現(xiàn)了油井監(jiān)測的信息化。一方面，節(jié)省了升級改造的成本，提高了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集、傳送的實時性和準(zhǔn)確性；另一方面，力控組態(tài)軟件良好的開放性和互聯(lián)功能可以與MES、SIS、PIMS等信息化系統(tǒng)進行基于XML、OPC、OLE DB等借口方式互聯(lián),使得后期新增站庫可以低成本無縫接入。
