油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘    要：本文提出了一種基于GPRS 的輸油管道遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)方案，簡要介紹了GPRS 技術(shù)的基本知識，描述了GPRS 無線傳輸應(yīng)用于石油化工數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法。通過實(shí)際應(yīng)用，獲得了理想的效果。

關(guān)鍵詞：GPRS；DDN；環(huán)保；輸油；在線；遠(yuǎn)程；監(jiān)控；油井

一、背景介紹

由于油田所在地理位置往往具有特殊的環(huán)境，因而實(shí)現(xiàn)油田之間的通信首要問題就是要克服地理環(huán)境所帶來的限制，架設(shè)一個龐大的通信系統(tǒng)是一個費(fèi)時耗資金的過程，也給系統(tǒng)維護(hù)帶來很大的困難，地形的起伏不平導(dǎo)致鋪設(shè)電纜后不宜傳導(dǎo)，同時電纜穿過煉油廠可能是潛在的危險。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在油井監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用充分發(fā)揮了它的優(yōu)勢，以上所描述的問題迎刃而解。目前，全國許多大油田都已經(jīng)在使用GPRS無線技術(shù)，為油田的生產(chǎn)和管理提供了很大的便利，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

二、系統(tǒng)特點(diǎn)

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)具備如下特點(diǎn)：

1、良好的實(shí)時響應(yīng)與處理能力：與短消息服務(wù)比較，由于GPRS具有實(shí)時在線特性，系統(tǒng)無時延，系統(tǒng)能夠同時實(shí)時收取、處理多個監(jiān)測點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)，無需輪巡就可以同步監(jiān)測點(diǎn)的時鐘可很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實(shí)時性的要求。

2、遠(yuǎn)程儀器設(shè)備控制：由于采用GPRS雙向傳輸系統(tǒng)，監(jiān)控中心可以反向?qū)崿F(xiàn)對儀器設(shè)備的時間校正、狀態(tài)報告、開關(guān)以及其他監(jiān)測、控制等功能；

3、建設(shè)成本低：可充分利用現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備安裝即接通，而采用超短波通信時需要充分考慮現(xiàn)場環(huán)境，還需要配備天線鐵架等附屬設(shè)備。

4、安裝調(diào)試簡單，建設(shè)周期短：利用現(xiàn)有成熟GPRS網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)投入運(yùn)行時基本不需要調(diào)試，安裝簡捷。采用超短波通信時安裝調(diào)試工作量大，要先進(jìn)行現(xiàn)場信號測試，天線鐵架架設(shè)，天線方向角度調(diào)試等工作。

5、覆蓋范圍廣：構(gòu)建油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)通信覆蓋范圍廣，擴(kuò)容無限制，接入地點(diǎn)無限制，能滿足山區(qū)，鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量眾多，部分監(jiān)控點(diǎn)位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。采用超短波通訊方式，覆蓋范圍只有30多公里；而用GPRS方式，理論上在無線GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍之內(nèi)，都可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

6、數(shù)據(jù)傳輸速率高：GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送速率理論上可達(dá)171.2Kbps，實(shí)際應(yīng)用時數(shù)據(jù)傳輸速率在40 Kbps左右，而目前一般的超短波數(shù)傳電臺傳送速率多為2.4kbit/s或更低。

7、系統(tǒng)的傳輸容量大：監(jiān)控中心站要和每一個管網(wǎng)監(jiān)控點(diǎn)實(shí)現(xiàn)實(shí)時連接。由于監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量眾多，系統(tǒng)要求能滿足突發(fā)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鳪PRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要。

8、通信費(fèi)用低，可按時間和流量進(jìn)行收費(fèi)。

9、系統(tǒng)易于擴(kuò)展和維護(hù)。

三、系統(tǒng)組成 

（圖）油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

GPRS油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用集散式監(jiān)控結(jié)構(gòu)主要由監(jiān)控中心，GPRS DTU（GPRS數(shù)傳），油井?dāng)?shù)據(jù)采集終端三部分組成。

1、油井?dāng)?shù)據(jù)采集終端

油井?dāng)?shù)據(jù)終端可檢測抽油機(jī)的載荷，電潛泵井電機(jī)電流，功率因數(shù)，井口溫度，井口壓力，井底流量等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備通過RS232/RS485/RS422串口把采集到的數(shù)據(jù)傳送給GPRS DTU。通過GPRS DTU接入移動公司為油田中心站提供的專用的GPRS網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)對油田信息采集點(diǎn)的接入地點(diǎn)，時間，數(shù)量沒有限制可以隨時增減?？梢詽M足山區(qū)，偏遠(yuǎn)地區(qū)和跨地區(qū)接入的需求。

采集終端主要功能：自動監(jiān)測，記錄采油設(shè)備上的電壓，電流，電度，溫度，壓力，流量，液位，界面，含水，示功圖，紅外報警等數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)的格式為模擬，數(shù)字和串行通信口。還能完成流量和電度的積算。還有輔助分析功能及時發(fā)現(xiàn)停電，缺相，油管堵塞，盜油，液面過低，配重不平衡等異常情況。

2、GPRS DTU介紹
DTU是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal unit),可以理解為下位GPRS發(fā)射終端，在進(jìn)行通信時，傳輸數(shù)據(jù)的鏈路兩端肯定存在DTU，在它的作用下對所傳信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)整理校驗(yàn)。

GPRS通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)之一就是支持GPRS終端設(shè)備持續(xù)在線，因此GPRS DTU在設(shè)計上都支持持續(xù)在線功能，這就要求DTU包含了上電自動撥號、采用心跳包保持持續(xù)在線（當(dāng)長時間沒有數(shù)據(jù)通信時，移動網(wǎng)關(guān)將斷開DTU與中心的連接，心跳包就是DTU與數(shù)據(jù)中心在連接被斷開之前發(fā)送一個小數(shù)據(jù)包，以保持連接不被斷開），支持?jǐn)嗑€自動重連，自動重?fù)芴柕忍攸c(diǎn)。

3、數(shù)據(jù)監(jiān)控中心

本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器可采用ADSL，LAN等INTELNET公網(wǎng)連接或移動提供DDN專線接入方式連接，GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端上電后，它會根據(jù)預(yù)先設(shè)定在其內(nèi)部的IP地址來主動訪問網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器，通過代理服務(wù)器和監(jiān)控中心建立TCP/IP鏈路。監(jiān)控中心主站本身維護(hù)接入的每個終端的IP地址和ID號，當(dāng)主站要向某個監(jiān)控終端提出數(shù)據(jù)請求時，它會根據(jù)IP地址和ID號來找到對應(yīng)的終端，將命令下發(fā)到該終端，終端響應(yīng)后通過GRPS數(shù)據(jù)傳輸終端把數(shù)據(jù)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)代理服務(wù)器端口，通過端口影射轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心主站，即完成了一個應(yīng)答式的通訊流程，當(dāng)油田信息采集點(diǎn)數(shù)量增加，中心不用擴(kuò)容即可滿足需求。

在數(shù)據(jù)監(jiān)控中心監(jiān)控室能迅速準(zhǔn)確掌握油田管理局轄區(qū)內(nèi)各種油井的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)隱患，遙控啟停抽油設(shè)備?？梢圆杉鎯λ袡z測數(shù)據(jù)，如采油設(shè)備上的電壓，溫度，壓力，流量，液位，界面，含水等參數(shù)。 同時也具有系統(tǒng)報警功能，系統(tǒng)綜述功能。

四、系統(tǒng)安全性

系統(tǒng)需要很高的系統(tǒng)安全保障和穩(wěn)定性。安全保障主要是防止來自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無意的破壞，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運(yùn)行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運(yùn)行。

數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)使用VPN接入到移動GPRS網(wǎng)，采用VPN方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，還可以利舊使用原有的VPN設(shè)備，移動終端需要安裝具有VPN二次虛擬撥號的功能的軟件。通過VPN方式，客戶端在連接應(yīng)用服務(wù)器前，要經(jīng)過Ｒａｄｉｕｓ服務(wù)器的認(rèn)證整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護(hù)，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。另外，數(shù)據(jù)中心也可以采用APN接入方式，租用專線接入到移動公司的GGSN設(shè)備上，這種成本高，安全性高，穩(wěn)定可靠。

對于安全性要求非常高的系統(tǒng)，可考慮在專用APN接入的基礎(chǔ)上再加上VPN接入方式的混合接入方式，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性。

1、VPN虛擬專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置VPN服務(wù)器，移動終端加載具有VPN二次虛擬撥號的功能的客戶端軟件。采用VPN安全技術(shù)，用戶通過接入企業(yè)內(nèi)部虛擬專網(wǎng)的方式與Internet進(jìn)行隔離，可對 整個數(shù)據(jù)傳送過程進(jìn)行加密保護(hù)，有效避免非法入侵。

2、利用SIM卡的號碼，對用戶SIM卡手機(jī)號碼進(jìn)行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對SIM卡號和APN進(jìn)行綁定，劃定用戶可接入某系統(tǒng)的范圍,只有屬于指定行業(yè)的SIM卡手機(jī)號才能訪問專用APN，移動終端與數(shù)據(jù)中心采用中國移動分配的專門的APN進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機(jī)的SIM卡號無法呼叫專門的APN。

3、對于特定用戶，可通過數(shù)據(jù)中心分配特定的用戶ID和密碼，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的用戶ID和密碼的用戶將無法登錄進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步增強(qiáng)。

五、總結(jié)

該監(jiān)控系統(tǒng)中，使用組態(tài)軟件和GPRS無線數(shù)傳終端，系統(tǒng)無線遙測遙控主機(jī)（RTU）將檢測到的單口采油井的現(xiàn)場狀態(tài)，通過無線方式傳送給監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)各單井狀態(tài)的集中監(jiān)控，減少人員投入，有力的縮短油井故障發(fā)現(xiàn)和排除時間，極大的提高了生產(chǎn)效率，同時系統(tǒng)的性價比特高。另外，本系統(tǒng)還非常適合輸油管漏油，盜油監(jiān)測，在實(shí)際應(yīng)用中，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

采用GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)通訊方法解決了遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的通訊問題，比起其它有線通訊方式有著不可比擬的優(yōu)越性。隨著GPRS網(wǎng)絡(luò)的逐漸完善和應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，GPRS的應(yīng)用領(lǐng)域也會越來越廣闊。