石油开采油井监控系统GPRS无线组网方案方案

　　一、概述

　　由于油田所在地理位置往往具有特殊的环境，因而实现油田之间的通信首要问题就是要克服地理环境所带来的限制，架设一个庞大的通信系统是一个费时耗资金的过程，也给系统维护带来很大的困难，地形的起伏不平导致铺设电缆后不宜传导，同时电缆穿过炼油厂可能是潜在的危险。GPRS无线网络在油田油井监控系统中的应用充分发挥了它的优势，以上所描述的问题迎刃而解。目前，全国许多大油田都已经在使用GPRS无线技术，为油田的生产和管理提供了很大的便利，大大提高了生产效率，降低了生产成本。

　　二、系统特点

　　GPRS无线组网系统具备如下特点：

　　1、良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于GPRS具有实时在线特性，系统无时延，系统能够同时实时收取、处理多个/所有监测点的各种数据，无需轮巡就可以同步监测点的时钟可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。

　　2、远程仪器设备控制：由于采用GPRS双向传输系统，监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能;

　　3、建设成本低：可充分利用现有GPRS网络，设备安装即接通，而采用超短波通信时需要充分考虑现场环境，还需要配备天线铁架等附属设备。

　　4、安装调试简单，建设周期短：利用现有成熟GPRS网络，系统投入运行时基本不需要调试，安装简捷。采用超短波通信时安装调试工作量大，要先进行现场信号测试，天线铁架架设，天线方向角度调试等工作。

　　4、覆盖范围广。构建供水调度监控系统要求数据通信覆盖范围广，扩容无限制，接入地点无限制，能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。 由于管网监控点数量众多，分布在全市范围内，部分管网监控点位于偏僻地区，而且地理位置分散。采用超短波通讯方式，覆盖范围只有30多公里;而采用GPRS方式，理论上在无线GPRS网络的覆盖范围之内，都可以实现监控。

　　5、数据传输速率高。GPRS网络传送速率理论上可达171.2/372kbit/s，实际应用时数据传输速率在40-80Kbps左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2.4kbit/s或更低。

　　6、系统的传输容量大。监控中心站要和每一个管网监控点实现实时连接。由于管网监控点数量众多，系统要求能满足突发性数据传输的需要，而GPRS技术能很好地满足传输突发性数据的需要。

　　7、通信费用低，可按时间和流量进行收费。

　　8、系统易于扩展和维护。

　　三、系统组成

　　油田油井数据GPRS无线通讯系统采用集散式监控结构主要由监控中心、GPRS DTU(GPRS数据传输单元)、油井数据采集终端三部分组成。

　　1、油井数据采集终端

　　油井数据终端可检测抽油机的载荷、电潜泵井电机电流、功率因数、井口温度、井口压力、井底流量等数据。数据采集终端设备通过RS232/RS485/RS422串口把采集到的数据传送给GPRS DTU。通过GPRS DTU接入移动公司为油田中心站提供的专用的GPRS网络,网络对油田信息采集点的接入地点、时间、数量没有限制可以随时增减。可以满足山区、偏远地区和跨地区接入的需求。

　　采集终端主要功能：自动监测、记录采油设备上的电压、电流、电度、温度、压力、流量、液位、界面、含水、示功图、红外报警等数据。采集数据的格式为模拟、数字和串行通信口。还能完成流量和电度的积算。还有辅助分析功能及时发现停电、缺相、油管堵塞、盗油、液面过低、配重不平衡等异常情况。

2、GPRS DTU特点及介绍

　　DTU是指数据终端设备(Data Terminal uNIt),可以理解为下位GPRS发射终端，在进行通信时，传输数据的链路两端肯定存在DTU.在它的作用下对所传信息进行格式转换和数据整理校验。

　　GPRS DTU全称GPRS数据传输单元，在国内目前实际上对GPRS DTU具有更加明确的约定：GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS 网络进行传送的GPRS无线设备。

　　GPRS/CDMA功能及特点

　　◆内部集成TCP/IP协议栈

　　GPRS DTU内部封装了PPP拨号协议以及TCP/IP协议栈并且具有嵌入式操作系统，从硬件上，它可看作是嵌入式PC与无线GPRS MODEM的结合;它具备GPRS拨号上网以及TCP/IP数据通信的功能。

　　◆提供串口数据双向转换功能

　　GPRS DTU提供了串行通信接口，包括RS232,RS485,RS422等都属于常用的串行通信方式，而且GPRS DTU在设计上大都将串口数据设计成“透明转换”的方式，也就是说GPRS DTU可以将串口上的原始数据转换成TCP/IP数据包进行传送，而不需要改变原有的数据通信内容。因此，GPRS DTU可以和各种使用串口通信的用户设备进行连接，而且不需要对用户设备作改动。

　　◆)支持自动心跳，保持永久在线

　　GPRS通信网络的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRS DTU在设计上都支持永久在线功能，这就要求DTU包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线(当长时间没有数据通信时，移动网关将断开DTU与中心的连接，心跳包就是DTU与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连接不被断开)、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。

　　◆支持参数配置，永久保存

　　GPRS DTU作为一种通信设备，其应用场合十分广泛。在不同的应用中，数据中心的IP地址及端口号，串口的波特率等都是不同的。因此，GPRS DTU都应支持参数配置，并且将配置好的参数保存内部的永久存储器件内(一般为FLASH或EEPROM等)。一旦上电，就自动按照设置好的参数进行工作。

　　◆支持用户串口参数设置

　　不同用户设备的串口参数有所不同，DTU连接用户设备的串口时，要根据用户设备串口的实际参数对DTU端进行相应设置，保证用户设备的正常通信和可靠数据传输。

　　◆符合工业化设计适应恶劣环境能力更强

　　◆ RS232 串口速率高达230400 bps

　　◆ 支持RS232 三线标准或九线标准

　　◆ 内置TCP/IP 协议栈，支持TCP/UDP 网络协议

　　◆ 数据终端永远在线

　　◆ 掉线自动重拨功能

　　◆ 通过超级终端类似于AT 指令方式或专用设置程序来设置通信参数

　　◆ 设备之间透明传输/非通明传输

　　◆ 支持静态IP 或域名方式连接远程主机

　　◆ 供电：+5V，可根据客户需要定制宽电压输入

　　◆ 耗电：待机状态230~330mA;上网状态450~460mA;传输状态460~470mA

　　◆ 工作温度：-30℃ ~ +70℃

　　◆ 储存温度：-40℃ ~ +85℃

　　◆ 支持RS232/RS485/RS422串口进行通讯

　　3、数据监控中心

　　本系统中网络代理服务器可采用ADSL、LAN等INTELNET公网连接或移动提供DDN专线接入方式连接， GPRS数据传输终端上电后，它会根据预先设定在其内部的IP地址来主动访问网络代理服务器，通过代理服务器和监控中心建立TCP/IP链路。监控中心主站本身维护接入的每个终端的IP地址和ID号，当主站要向某个监控终端提出数据请求时，它会根据IP地址和ID号来找到对应的终端，将命令下发到该终端，终端响应后通过GRPS数据传输终端把数据发到网络代理服务器端口，通过端口影射转发到监控中心主站，即完成了一个应答式的通讯流程，当油田信息采集点数量增加，中心不用扩容即可满足需求。

　　在数据监控中心监控室能迅速准确掌握油田管理局辖区内各种油井的工作状态，及时发现隐患，遥控启停抽油设备。可以采集存储所有检测数据，如采油设备上的电压、温度、压力、流量、液位、界面、含水等参数。 同时也具有系统报警功能，系统综述功能。

　　四、安全可靠性

　　系统需要极高的系统安全保障和稳定性。安全保障主要是防止来自系统内外的有意和无意的破环，网络安全防护措施包括信道加密、信源加密、登录防护、访问防护、接入防护、防火墙等。稳定是指系统能够7×24小时不间断运行，即使出现硬件和软件故障，系统也不能中断运行。

　　数据中心可通过公网使用VPN接入到移动GPRS网，采用VPN方式成本比较低，企业不用租用专线，还可以利旧使用原有的VPN设备，移动终端需要安装具有VPN二次虚拟拨号的功能的软件。通过VPN方式，客户端在连接应用服务器前，要经过Radius服务器的认证整个数据传送过程得到了加密保护，安全性比较高，可充分保障速度和网络服务质量。

另外，数据中心也可以采用APN接入方式，租用专线接入到移动公司的GGSN设备上，这种成本高，安全性高、稳定可靠。

　　对于安全性要求非常高的系统，可考虑在专用APN接入的基础上再加上VPN接入方式的混合接入方式，进一步提高系统的安全性。

　　1、VPN虚拟专网模式：企业内部网络中配置VPN服务器，移动终端加载具有VPN二次虚拟拨号的功能的客户端软件。采用VPN安全技术，用户通过接入企业内部虚拟专网的方式与Internet进行隔离，可对 整个数据传送过程进行加密保护，有效避免非法入侵。

　　2、利用SIM卡的唯一性，对用户SIM卡手机号码进行鉴别授权，在网络侧对SIM卡号和APN进行绑定，划定用户可接入某系统的范围,只有属于指定行业的SIM卡手机号才能访问专用APN，移动终端与数据中心采用中国移动分配的专门的APN进行无线网络接入，普通手机的SIM卡号无法呼叫专门的APN。

　　3、对于特定用户，可通过数据中心分配特定的用户ID和密码， 其他没有数据中心分配的用户ID和密码的用户将无法登录进入系统，系统的安全性进一步增强。

　　五、总结

　　该监控系统中，使用组态软件和GPRS无线数传终端，系统无线遥测遥控主机(RTU)将检测到的单口采油井的现场状态，通过无线方式传送给监控中心，从而实现各单井状态的集中监控，减少人员投入，有力的缩短油井故障发现和排除时间，极大的提高了生产效率，同时系统的性价比特高。另外，本系统还非常适合输油管漏油，盗油监测，在实际应用中，取得了较好的经济效益和社会效益。

　　采用GPRS无线传输数据通讯方法解决了远程监测系统的通讯问题，比起其它有线通讯方式有着不可比拟的优越性。随着GPRS网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟，GPRS的应用领域也会越来越广阔。