无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用_傅菲菲.pdf

43APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期无线WIA-PA技术在油田物联网建设中的应用Application of WIA-PA Technology in the Construction of Internet of Things in Oilfield傅菲菲（山东莱克工程设计有限公司，山东 东营 257100）Fu Feifei(Shandong Laike Engineering Co.,Ltd.,Dongying Shandong 257100)摘要：无线WIA-PA技术填补了我国在物联网领域自主技术的空白，得到了广泛的应用和认可。本文从WIA-PA技术和油田物联网建设的重要性入手，介绍了WIA-PA技术的特点；WIA-PA网络与ZigBee、LoraWAN无线网络的对比，以及WIA-PA技术在辽河油田物联网建设中的应用情况。关键词：物联网 无线传输 WIA-PAAbstract：The wireless WIA-PA technology has filled the gap of our countrys independent technology in the Internet of Things and has been widely used and endorsed.This paper starts with the importance of WIA-PA technology and iot construction in oilfield,introduces the characteristics of WIA-PA technology,the comparison of WIA-PA network with ZigBee and LoraWAN wireless network,and the application of WIA-PA technology in iot construction in Liaohe Oilfield.Key words：The Internet of things Wireless transmission WIA-PA收稿日期：2022-09-19作者简介：傅菲菲（1982-），女，山东滨州，汉族，硕士，自控工程师，主要研究方向为石油天然气工程自控系统及仪器 仪表。受国家科研成果的带来的好处，规范了相关产品的开发与应用，减小相关产品生产和使用风险；并且可以扩大我国在相关领域的自动化产品市场份额，为我国工业化和信息化的融合提供高端解决方案。当前，信息技术引领的新一轮科技革命正以前所未有的方式对社会变革的方向起着决定性作用。党的十九大报告提出：要推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合，建设数字中国、智慧社会。中国石油集团公司积极应用物联网技术，大力推进低成本油气生产物联系统建设工作，逐步实现经营决策分析智能化、生产组织扁平化和运行实时优化，大幅度提高劳动生产率。“油气生产物联网系统（A11）”是中石油集团公司“十二五”信息技术总引言随着计算机技术、电子技术、无线网络技术的发展，工业控制的智能化、网络化成为了目前工业发展的焦点，工业无线技术已经成为工业领域的研究热点1。我国自主无线标准WIA-PA成为国际IEC标准，对于我国的工业无线技术乃至整个自动化行业的发展具有重要的意义。它可以使更多的企业享44应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期维持正常的生产秩序。用户可根据WIA-PA网络面临的安全威胁及其出现的层次、要求的安全等级，实施不同的安全方案和措施。由于现场设备的计算资源和计算能力有限，WIA-PA网络应更多地强调边界安全措施。WIA-PA网络分层分级安全措施如表1所示。表1 WIA-PA网络分层分级安全措施WIA-PA网络 安全等级Level 0Level 1Level 2边界保护包过滤网关协议转换与数据包过滤网关IPSee转换与数据包过滤网关安全措施设备认证设备认证设备认证包校验访问控制访问控制包校验包校验异或加密加密1.2 分层的高效网络组织与管理架构，实现千点网络规模WIA-PA网络融合了“网状网”和“星型网”优势，具有复合结构的先进工业无线网络，动态网络的管理效率提高80%以上，网络规模达到千点级。WIA-PA网络架构如图1所示。1.3 自适应跳频实现高可靠通信，提升抗干扰能力WIA-PA网络具有射频环境认知能力的多级自适应跳频机制，是国际上工业无线网络独有的智能跳频技术。它使用多信道通信，并根据信道状况，采用不同的跳频机制，包括自适应跳频、自适应频率切换、时隙跳频。WIA-PA网络的跳频方式有效克服体规划重点建设的三大标志性工程之一，目标是利用物联网技术，实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警等功能，支持油气生产过程管理。WIA-PA技术在中石油物联网建设中大量的现场应用验证了这是一项面向大规模传感器信息采集和传输的智能组网和高可靠、高安全的无线通信技术。1 WIA-PA技术工业无线技术是一种能够在恶劣的工业现场环境下使用过的特殊无线传感网络2。其中，WIA-PA技术是一项面向大规模传感器信息采集和传输的智能组网和高可靠、高安全无线通信技术。WIA-PA网络是我国具有自主知识产权的工业无线网络规范，与ZigBee相比，具有自组织、高实时、高可靠、低功耗的技术优势3。1.1 自主安全可控油田现场数据是数字油田的基础与核心，基于无线通信的物联网技术是实现数据采集和传输的手段，其安全性直接决定了未来我国石油生产的安全。因此，以我国自主研发的WIA-PA技术构建油井数据采集和传输的通道，将极大提高数字油田的可控性，避免国外技术某些隐藏的“后门”造成关键数据外泄。WIA-PA作为一个开放系统，存在潜在的安全风险。因此，必须采取一定的安全措施，以保证WIA-PA用户的安全操作，保护系统内部的资源和图1 WIA-PA无线网络架构示意图45APPLICATION RESEARCH 应用研究中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期通信质量较好的路径。Zigbee协议只有路由器之间才能实现Mesh路由，不支持端到端的多路径传输，也不支持路径的健康检测。LoRaWAN协议基站到仪表端采用星形网络，点对点通信，容易受到干扰中断。WIA-PA网络采用TDMA/CSMA混合技术进行通信。其中，TDMA访问机制可以提供无冲突的、确定的通信关系，提高网络的可靠性；CSMA用于网络中设备的快速加入，命令和告警信息的发送。Zigbee采用CSMA-CA的碰撞避免机制技术进行信道接入，很难满足通信的高可靠性要求。WIA-PA网络使用多信道通信且采用不同的跳频机制，可以实现高可频通信，提升抗干扰能力。WIA-PA网络的跳频方式可以有效克服工业环境中的干扰和信道衰减，实现与其他无线网络的共存。WIA-PA网络在同频干扰环境下的通信可靠性达到99%。LoRa网络不具备跳频能力，无法应对同频干扰的情况。（2）数据实时性高WIA-PA网络采用的TDMA模式保证了通信的强实时性，缩短了通信时延。Zigbee网络采用CSMA-CA机制，容易造成设备一直得不到资源无法进行通信，不能满足通信实时性要求，增大了通信时延；LoRa网络采用CSMA-CA机制，弊端同Zigbee网络。WIA-PA网络采用250kbps的传输速率，而LoRa采用最大支持37.5kbps的传输速率，数据传输时延上，WIA-PA优于LoRa。（3）网络规模大，可维护性高WIA-PA网络支持至少20口油井的数字化采集和控制，更适应油田的工作模式和现场应用；Zigbee工业环境中的干扰和信道衰减，实现与其他无线网络的共存。WIA-PA网络在同频干扰环境下的通信可靠性达到99%。WIA-PA网络自适应跳频实现情况如图2所示。1.4 联合调度模式，保证系统实时性发明在多跳无线自组网中时空频联合调度的实时通信技术，对频谱资源在时间、频率、空间三维进行高效利用，保证通信实时性，时延指标达到国际先进水平。1.5 微秒级高精度同步，实现微瓦级超低功耗突破传统单源时钟和固定周期的同步框架，发明多源随机选择和周期自适应的时间同步方法，采用多时钟源、按需同步，同步精度达到100s，功耗指标达到国际先进水平。低功耗实现模式如图3 所示。图3 WIA-PA无线网络低功耗实现示意图2 WIA-PA网络与其他无线网络的对比目前，油田物联网项目中常用的无线传输协议有ZigBee、LoraWAN和WIA-PA等。WIA-PA技术在油田物联网应用中有其他无线技术无法比拟的技术优势，主要表现在以下几个方面。（1）数据可靠性高WIA-PA网络采用Mesh路由技术，支持冗余路径，以保证网络可靠性；支持路径的健康检测，当一条路径因干扰被中断时，设备可以自动切换到其它图2 WIA-PA无线网络自适应跳频实现示意图46应用研究 APPLICATION RESEARCH CHINA INSTRUMENTATION2023年 第2期的油汽水井一般都比较偏远，井口的数据采集和传输是比较有难度的部分。由于辽河油田物联网建设中涉及的油汽水井均为生产井改造，新敷设电缆施工困难、施工费用高，且修井作业阶段需要拆除电缆和保护管，因此井场新增温度、压力变送器、电参采集模块等均采用无线传输方式。在油田物联网建设中常应用ZigBee、Lora、WIA-PA 3种无线仪表传输方式，基于表2中WIA-PA与其他无线仪表的对比优势，辽河油田物联网建设中的井场仪表信号传输采用WIA-PA方式。WIA-PA无线仪表传输方式如图4所示。目前，WIA-PA无线仪表传输方式已经在辽河油田的锦州采油厂、高升采油厂等多个采油厂投入使用，实际应用效果显著，满足物联网建设的需求，得到了广泛的认可。4 结论我国自主研发安全可控的WIA-PA技术具有多种优点，基于WIA-PA无线网络的仪表传输方式已在延长油田、辽河油田、吉林油田、大庆油田等各大油田进行了大量的现场应用，验证了其现场设备可靠性、网络传输稳定性、可维护性高等技术优点。WIA-PA无线网络技术未来将在油气田建设项目中有更广泛的现场应用。网络的管理架构和管理能力无法达到如此的规模，对于井场数字化系统的管理和维护投入更多；LoRaWAN在传输时延上的限制决定在油田数据采集上无法达到很大规模，同样在管理和维护投入 更多。（4）时间同步技术实现示功图和电功图的精准同步对抽油机井示功图、电功图采集的应用，WIA-PA网络微妙级的同步精度针可以实现示功图和电功图的同步采集，真正做到示功图、电功图上下死点的位置同步，对于精确分析和诊断提供良好的数据支撑服务。Zigbee网络和LoRa网络只有时钟定时，无时钟同步，无法做到示功图和电功图的同步采集。3 WIA-PA技术在辽河油田物联网建设中的应用辽河油田油气生产物联网系统建设的总体目标是利用物联网技术，建立覆盖辽河油田油气地面生产各环节的数据采集与监控子系统、数据传输子系统、生产管理子系统。主要工作是将作业区油汽水井、接转站、注汽站、联合站等通过数据采集与监控子系统实现生产数据自动采集、生产过程实时监控、生产环境自动监测、物联设备的动态管理，其中表2 无线仪表传输方案对比表类别Zigbee LoRaWIA-PA 工作频率2.4G、868/915MHz433、868、915MHz2.4G、868/915MHz传输距离50200m515km0.21.5km，可中继续传传输速率250kbps40kbps250kbps技术特点短距离、低成本窄带、远距离远距离、网关调度、时分复用、节点中继网络规模理论254点，实际32点8000点理论254点，实际150点抗干扰性抗干扰差易受天气、遮挡物影响；相互干扰影响大抗环境干扰能力强；分布密集时相互干扰大抗干扰能力强网络协议国外标准，开源国外标准、开源标准中国自主物联网协议供电电