浅谈力控监控软件的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。

　　油田自动化信息系统建设主要包括油井远程监控、配电线路自动化系统、输油管线泄露监测、集输站库自动化监控等四个部分，其目的是利用现场监控系统，实现数据源头自动采集，借助油田现有网络资源自动加载到厂级实时数据库，为各级管理部门应用提供开放的数据平台，使生产和管理人员及时控制和掌握生产动态，从而实现整个生产过程的自动化；并可以对取得的实时数据进行统计、分析、优化，从而为保证生产设备正常运转、降低生产成本提供重要依据。

　　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。

　　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，使网络具有非常显着的优点。

　　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。

　　3、Zigbee技术简介

　　3.1、Zigbee简介

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和"嗡嗡"（zig）地抖动翅膀的"舞蹈"来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

　　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。

　　ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。

　　ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

　　ZigBee是一种无线连接，可工作在2.14GHz（流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术

　　与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee"基站"却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

　　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。

　　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。

　　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。

　　6）可靠

　　采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

　　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。

　　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

　　监控组态软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用软件，的特点是能以灵活多样的"组态方式"而不是编程方式来进行系统集成，缩短了自动化工程师的系统集成的时间，大大的提高了集成效率。

　　监控组态软件是在自动控制系统监控层的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与"第三方"的软、硬件系统来进行集成。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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，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。

　　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。