基于力控监控软件的Zigbee技术在油井数据采集中的应用

1、行业背景
  1.1、现状
    由于实际地形的原因目前我国的油井一般都很分散，分布范围广，地区偏远采油厂一般由多口油井、计量站、管汇阀组，转油站，联合站、原油外输系统、油罐以及油田的其它分散设施组成，整个采油厂的各种设施的工作状态及采出油品的数据（主要有温度、压力、流量等）直接关系到油田生产的稳定及原油质量。如果对每一个采集点都采用GPRS/CDMA+RTU的数据采集方案不仅成本高而且由于边远地区移动信号盲点多且一般软件将GPRS网络绑定虚拟串口的查询访问方式造成数据传输不稳定的隐患，数据不能及时准确地送到监控中心，影响油井的动态分析和日常管理，不能及时有效地对油井的工作情况进行分析和管理，影响油井的正常工作，降低了工作效率，增加了不必要的成本。
   1.2、需求分析
针对上述情况，必须采用新的技术进行便捷有效的升级改造，在保证数据及时、有效的传送到监控调度中心的前提下，又要考虑降低升级改造的成本，针对此应用场合，采用Zigbee技术与力控监控组态软件ForceControl6.1相结合通过其功能组件CommBridge进行数据采集非常合适。
 2、系统网络拓扑图

   整个监控网络可以分为三个层次
   1） 基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率。
   2） 利用GPRS网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，使网络具有非常显著的优点。
   3） 上位监控组态软件力控ForceControl6.1。力控数据服务器只需要利用ADSL或者静态IP就对多个远程设备进行通讯，数据为并发处理、完全透明的解决方案，从而消除了一般软件将GPRS网络绑定虚拟串口的查询访问方式造成数据传输不稳定的隐患。
3、Zigbee技术简介
  3.1、Zigbee简介
    Zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。
国际上，IEEE802.15.4工作组及Zigbee联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作，其中，IEEE802.15.4工作组主要负责制定Zigbee物理层及MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，以便于今后不同厂商设备的互联互通； Zigbee联盟则负责高层应用及市场推广工作。而于2002年成立的Zigbee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前，Freescale、TI等国际巨头都已推出了比较成熟的Zigbee开发平台。
   Zigbee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
   3.2、Zigbee技术特点
   1)设备省电
   Zigbee技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间；
    2)通信可靠
    Zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
    3)网络的自组织、自愈能力强
    Zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
    Zigbee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
   4)成本低廉
   设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；
   Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。
网络容量大一个Zigbee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个Zigbee网络。
   5)数据安全 
    Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 
4、GPRS技术和力控监控组态软件无线通讯特点
   4.1GPRS网络优点
    GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高可达128kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。
   4.2 力控监控组态软件无线通讯特点
   1）力控数据服务器只需要利用ADSL或者静态IP就对多个远程设备进行通讯，数据为并发处理、完全透明的解决方案，从而消除了一般软件将GPRS网络绑定虚拟串口的查询访问方式造成数据传输不稳定的隐患；
   2）心跳维护周期可单独设置，有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用；
所有设备的驱动程序支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备进行通讯；
   3）力控节点与其远程力控节点也可以进行移动通讯；
   4）力控支持设备主动通过GPRS上传数据的方式进行数据传输；
   5）支持移动APN专网固定IP等方式进行数据传输。

5、上位监控组态软件力控ForceControl6.1
 5.1力控监控组态软件ForceControl6.1简述
　　力控Forcecontrol6.1工业监控组态软件是北京三维力控科技有限公司根据当前的自动化技术的发展趋势，总结多年的开发、实践经验和大量的用户需求而设计开发的高端自动化软件产品，是力控科技全体研发工程师集体智慧的结晶，该产品主要定位于国内高端HMI/SCADA自动化市场及应用，是企业信息化的有力数据处理平台。
 
　　

    力控Forcecontrol6.1产品在数据处理性能、容错能力、界面容器、报表等方面产生了巨大飞跃，力控Forcecontrol6.1在秉承力控6.0成熟分布式应用技术的基础上，功能更强大。
    5.2力控监控组态软件Forcecontrol6.1主要特点
    1）、互联网时代的骄傲
　  提供在Internet/Intranet上通过IE浏览器以“瘦”客户端方式来监控工业现场的解决方案；支持通过PDA掌上终端在Internet实时监控现场的生产数据，支持通过移动GPRS、CDMA、GSM网络与控制设备或其它远程力控节点通讯；
　面向国际化的设计，同步推出英文版和繁体版，保证对多国语言版的快速支持与服务；
　力控软件内嵌分布式实时数据库，数据库具备良好的开放性和互连功能，可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML 、OPC、ODBC、OLE DB等接口方式进行互连，保证生产数据实时地传送到以上系统内。
  2）、强大的移动网络
  支持通过移动GPRS、CDMA网络与控制设备或其它远程力控节点通讯,力控移动数据服务器与设备的通讯为并发处理、完全透明的解决方案，消除了一般软件采用虚拟串口方式造成数据传输不稳定的隐患，有效的流量控制机制保证了远程应用中节省通讯费用。
  3）、完整的网络冗余及软件容错解决方案
　作为民族产业的大型SCADA、DCS软件，力控软件支持控制设备冗余、控制网络冗余、监控服务器（双机）冗余、监控网络冗余、监控客户端冗余等多种系统冗余方式。
　力控软件支持控制设备冗余如SIEMENS公司的S7400H,GE的GE9070系列PLC的冗余模式，支持普通的232、485、以太网等控制网络的冗余，支持控制硬件的软冗余切换和硬冗余切换。
  4）、稳定的通讯处理
　支持通过RS232、RS422、RS485、电台、电话轮循拨号、以太网、移动GPRS、CDMA、GSM网络等方式和设备进行通讯。
　支持主流的DCS、PLC、DDC、现场总线、智能仪表等1000多种厂家设备的通讯。
　支持离线诊断，在开发环境下可以诊断是否正常通讯。
　支持不同协议的设备在一条通讯链路进行通讯。
　支持在大型SCADA系统中的远程通道冗余通讯。
   5）、图形系统主要特点：
　方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、可嵌入各种格式（BMP、GIF、JPG、JPEG、CAD等）的图片，方便画面制作，大大降低了组态开发的工作量；
　强大的分布式报警、事件处理，支持报警、事件网络数据断线存储，恢复功能；
　支持操作图元对象的多个图层，通过脚本可灵活控制各图层的显示与隐藏；
　强大的ActiveX控件对象容器，定义了全新的容器接口集，增加了通过脚本对容器对象的直接操作功能，通过脚本可调用对象的方法、属性；
　全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板，报表文件格式兼容Excel工作表文件，支持图表显示自动刷新，可输出多种文件格式： Excel、TXT、PDF、HTML、CSV等。
  6）分布式的结构
  力控监控组态软件在软件功能模块的分布式体系结构体现在各个组件程序间的关系上，图形界面系统VIEW和实时数据库DB之间是分布式的，力控科技在图形VIEW级率先提出了"数据源"的概念，使一个图形界面可同时连接多个不同的机器上的实时数据和数据源，而各个分布式的数据库分别对连接自己的I/O Server进行采集数据和处理，如输入数据的量程变换、流量累积、报警检查，以及PID运算等，这种体系结构的优越性在于，各组件任务分配更合理，使您的系统实时性更好，稳定性更高。

   5.3监控中心软件的设计
     5.3.1形象逼真的实时监控界面
    借助于力控监控组态软件ForceControl6.1方便、灵活的开发环境，提供各种工程、画面模板、大大降低了组态开发的工作量可以设计形象逼真的实时监控界面。

    5.3.2强大的数据报表功能
    全新的、灵活的报表设计工具：提供丰富的报表操作函数集、支持复杂脚本控制，包括：脚本调用和事件脚本，可以提供报表设计器，可以设计多套报表模板。 

    5.3.3实时/历史趋势组合显示
    自动生成各用户的瞬时流量、温度、压力、累计流量的并行历史曲线，并可查询任意用户、任意参数、任意时段的历史数据，历史数据和曲线应便于转存和打印。

 
   5.3.4方便的报警/事件管理
   实时显示并记录就地流量测量系统的各种报警信息，如流量/压力/温度的超限、仪表工作电源不正常、不间断电源的电池欠压、交流市电消失、非法闯入、通讯故障等报警信息。

    5.3.5完备的安全保护机制
   力控提供了完备的安全保护机制，以保证生产过程的安全可靠，力控的用户管理具备多个级别，并可根据级别限制对重要工艺参数的修改，以有效避免生产过程中的误操作；力控提供了安全区的概念，同级别，不同安全区的数据不可以互相操作，保证了数据的分布式的管理。提供基于远程的用户管理，增加更多的用户级别及安全区，管理所有用户的远程登陆信息。
  

    5.3.6实时高效的数据库DB
    软件内嵌分布式实时数据库，数据库是整个软件的核心，负责将采集的实时数据进行处理、发布；分布在网络的实时数据库节点可以充当为IO通讯服务器、报警服务器、历史服务器等；实时数据库完成历史数据的存储、归档，报警的检查，报警数据的存储等功能；数据库具备强大的数据处理功能，丰富的参数类型，内置的多种功能块，可实现累计、统计、控制、线形化、PID控制、各种运算等功能；数据库对数据按区域、单元、子单元管理，分为6层结构，方便数据的管理；用户可根据实际需要自定义自己的各类数据库结构，方便对数据的管理和查找。 
    5.3.7 专用的Zigbee通讯方式
   力控监控组态软件针对Zigbee特点，开发了Zigbee通讯服务组件，可以方便用户与硬件设备的组态，保证了通讯网络的安全可靠和数据采集传送的实时性准确性。

 
6、本方案特点
    基于力控监控软件ForceControl的油井无线监测系统，采用Zigbee新技术的优势结合力控组态软件的特点将油井与监控主站之间紧密的联系在同一个信息圈中，实现了油井监测的信息化。一方面，节省了升级改造的成本，提高了系统的安全性、稳定性和数据采集、传送的实时性和准确性；另一方面，力控组态软件良好的开放性和互联功能可以与MES、SIS、PIMS等信息化系统进行基于XML、OPC、OLE  DB等借口方式互联,使得后期新增站库可以低成本无缝接入。