GPRS油井監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用分析
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關(guān)鍵字：GPRS DTU；GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)通信
一、項目背景
油田是一個以油氣生產(chǎn)為主，集勘探、開發(fā)、施工作業(yè)、后勤輔助生產(chǎn)、多種經(jīng)營、社會化服務(wù)為一體的，專業(yè)門類齊全的國有特大型企業(yè)。油田的勘探、鉆井、測井、錄井等是野外作業(yè)，流動性強，點多、分散、距離長，施工現(xiàn)場與公司之間的信息交流長期以來沒有好的解決方案。油田管理層十分重視油田信息化建設(shè)，明確提出了未來一個時期油田信息化建設(shè)的具體目標(biāo)。
借助“油井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)”，管理人員足不出戶就可以通過該系統(tǒng)隨時觀測到油井的生產(chǎn)狀況。油井工作的相關(guān)數(shù)據(jù)每隔兩小時傳輸一次，機井一旦出現(xiàn)故障，示意圖就會標(biāo)示感嘆號，維護人員就能夠在最短的時間內(nèi)趕到現(xiàn)場，及時排除故障。以前，采油測試工要到每個現(xiàn)場進行測試，費時費力不說，對每口井的工作狀態(tài)也很難把握，有時一口井發(fā)生故障，往往許多天后才發(fā)現(xiàn)。
油田工作環(huán)境惡劣，雷擊、地震及人為破壞等時有發(fā)生，怎樣把油井運行的相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到中心控制室一直是個難題。以前，油田曾采用微波、數(shù)傳電臺的方式采集數(shù)據(jù)，但實際使用過程中，效果不理想，高成本的投入和頻繁的維護讓采油單位不堪重負。引入了GPRS鉆井?dāng)?shù)據(jù)上報系統(tǒng)之后，通過固定在機架上的傳感器，管理人員可以及時了解各個機井的工作壓力、采油時電壓、蒸汽溫度等數(shù)據(jù)，從而確保了油井的安全運轉(zhuǎn)。
油田還可依托GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了抄表自動化、精確化。用電控制中心對油廠用電的運行狀態(tài)可以通過電子顯示屏進行監(jiān)控，每個控制點將用電狀態(tài)以短信息的形式及時傳送到控制中心，這樣就可以自動、高效、及時地掌握油田用電情況，自動生成配電計劃，實行科學(xué)的電力營銷和管理。這套裝置克服了以前人工抄表準(zhǔn)確率低、費時費力、缺少集中有效的管理的弊端，解決了生產(chǎn)的后顧之憂。
二、GPRS方案優(yōu)點
中國移動GPRS系統(tǒng)可提供廣域的無線IP連接。在移動通信公司的GPRS業(yè)務(wù)平臺上構(gòu)建油井?dāng)?shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)的無線數(shù)據(jù)傳輸具有可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，降低建設(shè)成本的優(yōu)點，而且設(shè)備安裝方便、維護簡單。經(jīng)過比較分析，我們選擇中國移動的GPRS系統(tǒng)作為環(huán)保信息采集傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信平臺。
GPRS油井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)具備如下特點：
1、可靠性高：
與SMS短信息方式相比，GPRS DTU采用面向連接的TCP協(xié)議通信，避免了數(shù)據(jù)包丟失的現(xiàn)象，保證數(shù)據(jù)可靠傳輸。中心可以與多個監(jiān)測點同時進行數(shù)據(jù)傳輸，互不干擾。GPRS網(wǎng)絡(luò)本身具備完善的頻分復(fù)用機制，并具備極強的抗干擾性能，完全避免了傳統(tǒng)數(shù)傳電臺的多機頻段“碰撞”現(xiàn)象。
2、實時性強：
GPRS具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，并支持多點同時傳輸，因此GPRS監(jiān)測數(shù)據(jù)中心可以多個監(jiān)測點之間快速，實時地進行雙向通信，很好地滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集和傳輸實時性的要求。目前GPRS實際數(shù)據(jù)傳輸速率在30Kbps左右，完全能滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率（≥10Kbps）的需求。
3、監(jiān)控范圍廣：
GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)全國范圍內(nèi)覆蓋，并且擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和跨地區(qū)的接入需求。由于環(huán)保信息采集點數(shù)量眾多，分布在全省范圍內(nèi)，部分環(huán)保信息采集點位于偏僻地區(qū)，而且地理位置分散。因此采用GPRS網(wǎng)絡(luò)是其理想的選擇。
4、系統(tǒng)建設(shè)成本低：
由于采用GPRS公網(wǎng)平臺，無需建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只需安裝設(shè)備就即可，建設(shè)成本低；也免去了網(wǎng)絡(luò)維護費用。
5、系統(tǒng)運營成本低：
采用GPRS公網(wǎng)通信，全國范圍內(nèi)均按統(tǒng)一費率計費，省去昂貴的漫游費用, GPRS網(wǎng)絡(luò)可按數(shù)據(jù)實際通信流量計費，(1分-3分/1K字節(jié))，也可以按包月不限流量收費，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的低成本通信。
6、可對各監(jiān)測點儀器設(shè)備進行控制：
通過GPRS數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的遠程控制，例如：遠程開關(guān)控制，遠程復(fù)位控制，遠程狀態(tài)查詢，遠程參數(shù)配置，遠程固件升級等。
7、系統(tǒng)的傳輸容量，擴容性能好：
油井監(jiān)控中心要和每一個油井?dāng)?shù)據(jù)采集點實現(xiàn)實時連接。由于油井?dāng)?shù)據(jù)采集點數(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�，而GPRS技術(shù)能很好地滿足傳輸突發(fā)性數(shù)據(jù)的需要；由于系統(tǒng)采用成熟的TCP/IP通信架構(gòu)，具備良好的擴展性能，一個監(jiān)控中心可輕松支持幾千個現(xiàn)場采集點的通信接入。
8、GPRS傳輸功耗小，適合野外供電環(huán)境：
雖然與遠在千里的數(shù)據(jù)中心進行雙向通信，GPRS數(shù)傳設(shè)備在工作時卻只需與附近的移動基站通信即可,其整體功耗與一臺普通GSM手機相當(dāng), 平均功耗僅為200毫瓦左右，比傳統(tǒng)數(shù)傳電臺小得多。因此GPRS傳輸方式非常適合在野外使用太陽能供電或蓄電池供電的場合下使用。
三、解決方案介紹
由于GPRS通信是基于IP地址的數(shù)據(jù)分組通信網(wǎng)絡(luò)，因此監(jiān)測中心計算機需要一個固定的IP地址或固定的域名，各個數(shù)據(jù)采集點采用GPRS模塊通過IP地址或域名來訪問該主機，從而進行數(shù)據(jù)通信。
（一）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1、油田信息采集點：
油田信息采集點通過油井控制器自動采集油井信息，通過RS232或RS485接口與GPRS DTU終端相連，油井控制器采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS DTU終端的內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)。
2、油田中心站：
a）公網(wǎng)接入方案：服務(wù)器采用公網(wǎng)方式接入Internet，如ADSL撥號/電信專線寬帶上網(wǎng)等，申請公網(wǎng)固定IP地址；可以實現(xiàn)中小容量的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
b）專網(wǎng)接入方案：服務(wù)器采用省移動通信公司提供的DDN專線, 申請配置固定IP地址，與GPRS網(wǎng)絡(luò)相連。由于DDN專線可提供較高的帶寬，當(dāng)油田信息采集點數(shù)量增加，中心不用擴容即可滿足需求，可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。
監(jiān)控中心RADIUS服務(wù)器接受到GPRS網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)后先進行AAA認證，后傳送到監(jiān)控中心計算機主機，通過系統(tǒng)軟件對數(shù)據(jù)進行還原顯示，并進行數(shù)據(jù)處理，這樣進一步增強了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信安全性能。
3、GPRS/GSM移動數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)：
油田信息采集點的數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)空中接口功能模塊同時對數(shù)據(jù)進行解碼處理，轉(zhuǎn)換成在公網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送的格式，通過中國移動的GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，最終傳送到監(jiān)控中心IP地址。
（二）系統(tǒng)方案
各采集點使用GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端，通過移動GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心相連。各采集點使用移動通信公司的GPRS普通數(shù)據(jù)卡或APN專用數(shù)據(jù)卡，同時監(jiān)控中心對各點GPRS終端編號進行登記, 并與采集點信息進行關(guān)聯(lián)，以便識別和維護處理。油田信息中心運行監(jiān)控軟件，實時采集油田數(shù)據(jù)。
經(jīng)授權(quán)的信息采集點均可以使用本系統(tǒng)：
1、油田信息采集點必須使用移動統(tǒng)一的APN卡，用戶使用本卡只能用于與油田信息監(jiān)孔中心通信。
2、終端設(shè)備使用成都眾山科技有限公司提供的GPRS移動數(shù)據(jù)通信終端。
3、用戶登記：符合油田管理部門的規(guī)定。
（三）產(chǎn)品特性
系統(tǒng)采用ZSD3120 GPRS DTU無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。產(chǎn)品基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強等特點，提供標(biāo)準(zhǔn)RS232/RS485接口, 可直接與PC、單片機系統(tǒng)、RTU測控終端、PLC、GPS接收機、數(shù)據(jù)集中器等連接，具有遠程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠端站點之間的數(shù)據(jù)采集和控制。
1、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，針對GPRS網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化
2、提供GPRS無線數(shù)據(jù)雙向傳輸功能
3、提供RS232/RS485/RS422接口
4、符合ETSI GSM Phase 2+標(biāo)準(zhǔn)
5、支持自動心跳，保持永久在線
6、透明數(shù)據(jù)傳輸：為用戶的數(shù)據(jù)設(shè)備提供雙向100K大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，支持大數(shù)據(jù)包傳輸
7、自動撥號連接：DTU上電自動撥號上網(wǎng)、連接網(wǎng)絡(luò)，支持用戶端發(fā)起命令連接或遠程喚醒連接
8、提供短信通道，內(nèi)置Unicode國際編碼轉(zhuǎn)換表
9、支持遠程短信/電話喚醒
10、實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)連接情況，掉線自動重撥功能
11、支持中心為固定IP或動態(tài)域名
12、心跳報告時間間隔用戶可設(shè)定
13、支持點對點、點對多點、多點對多點對等 數(shù)據(jù)傳輸
14、支持APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)業(yè)務(wù)
15、安裝靈活、使用方便、可靠
16、支持多數(shù)據(jù)中心，自動切換
17、適應(yīng)低溫和高溫工作環(huán)境
18、EMC抗干擾設(shè)計，適合電磁惡劣環(huán)境應(yīng)用
19、復(fù)合式看門狗技術(shù)，永不當(dāng)機
20、整機低功耗技術(shù)，在線待機電流<20mA
（四）系統(tǒng)功能
1、數(shù)據(jù)檢測功能：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。
2、數(shù)據(jù)共享功能：所測數(shù)據(jù)以及采油設(shè)備的工作狀態(tài)可以傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)上，實現(xiàn)多方遠程數(shù)據(jù)共享。
3、顯示功能：總流程顯示、分組流程顯示、全部數(shù)據(jù)列表、分組數(shù)據(jù)列表、單個儀表歷史數(shù)據(jù)列表，對于日、月、年顯示、故障列表顯示。
4、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。
5、報警功能：如果檢測值超過設(shè)定范圍，即聲光告警，并能在屏幕上顯示出現(xiàn)問題的儀表名稱以及參數(shù)超出的范圍，若有多個數(shù)據(jù)報警，將按順序顯示超值列表。
6、權(quán)限設(shè)置功能：權(quán)限設(shè)置分一般操作員、管理員、超級系統(tǒng)管理三種。利用輸入用戶名和密碼加以限制
（五）安全措施
本系統(tǒng)需要極高的系統(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環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護措施包括信道加密、信源加密、登錄防護、訪問防護、接入防護、防火墻等。穩(wěn)定是指系統(tǒng)能夠7×24小時不間斷運行，即使出現(xiàn)硬件和軟件故障，系統(tǒng)也不能中斷運行。
數(shù)據(jù)中心可通過公網(wǎng)接入,或者到移動專網(wǎng)接入，采用公網(wǎng)接入方式成本比較低，企業(yè)不用租用專線，而使用數(shù)據(jù)專線接入時，GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備要經(jīng)過Radius服務(wù)器的認證, 整個數(shù)據(jù)傳送過程得到了加密保護，安全性比較高，可充分保障速度和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。
1、APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)模式：企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中配置APN服務(wù)器，移動終端使用APN數(shù)據(jù)專網(wǎng)，由于采用數(shù)據(jù)專網(wǎng),服務(wù)器與公網(wǎng)Internet隔離,可以有效避免非法入侵。
2、用SIM卡的唯一性，對用戶SIM卡手機號碼進行鑒別授權(quán)，在網(wǎng)絡(luò)側(cè)對SIM卡號和APN進行綁定，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進行無線網(wǎng)絡(luò)接入，普通手機的SIM卡號無法呼叫專門的APN。
3、可以為每個GPRS數(shù)據(jù)傳設(shè)備單獨配置 DTU ID號和密碼，通過數(shù)據(jù)中心在其登陸時進行應(yīng)用層認證，其他沒有數(shù)據(jù)中心分配的DTU ID號和密碼的GPRS的設(shè)備將無法登錄進入系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全性進一步增強。
4、數(shù)據(jù)加密：可對整個數(shù)據(jù)傳送過程進行加密保護。
5、網(wǎng)絡(luò)接入安全鑒定機制：采用防火墻軟件，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)和安全防范功能，保障系統(tǒng)安全。
四、結(jié)論
數(shù)據(jù)中心采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用約800~1500元/月。采集點采用GPRS無線方式，流量費用目前有包月制和按數(shù)據(jù)量兩種收費方式，按流量計算0.01元-0.03元/KB，而包月制20元/月有1024KB流量，可滿足目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)量，估計日后其費用會逐步降低。
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（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，在多家采油場中使用，取得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。
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