基于RTU的井场数据图像混合传输系统

郭向前 ，张乃禄 ，黄 伟

（1西安石油大学电子工程学院 陕西 西安 710065）

（2陕西省油气井测控技术重点实验室 陕西 西安 710065）

（3西安海联石化科技有限公司 陕西 西安 710065）

1 引言

近年来，随着物联网技术的推进，我国油气田建设由数字化逐步向智慧化迈进[1]，油田井场数据图像主要通过有线光纤传输，或者无线网桥转光纤传输。油田井场生产数据由RTU采集和接入以太网，井场图像由网络摄像机拍摄，并通过接入以太网，光端机接入有线光纤传输至监控管理中心。大多数偏远油井难以构成油田数字化网络，只能采用GPRS或CDMA进行数据图像传输，数据和图像传输成为井场信息传输系统的瓶颈。本文针对长庆油田第十一采油厂西峰作业区偏远油井数据图像传输，提出一种基于RTU的井场数据图像混合传输系统，设计了以RTU为核心的数据图像传输三层物联网架构，以及RTU硬件和系统软件。该系统实现油田井场生产数据图像可靠采集与传输，确保油井与监控中心的智能控制和智慧化管理，在陕北油田数字化与智慧化建设中具有典型应用推广价值。

图1 基于RTU的井场数据图像混合传输系统构成

2 基于RTU的井场数据图像混合传输系统构成

基于RTU的井场数据图像混合传输系统构成，如图1所示。

（1）采集与传输终端。RTU是采集与传输数据的核心单元，采用无线检测仪表对井场各项生产数据进行实时测量，通过网络摄像机对井场进行拍摄，RTU对无线仪表测量的数据以及摄像机拍摄的图像进行采集与传输；另外，RTU可实现对现场电磁阀的控制。

（2）传输网络。RTU将数据与图像进行混合处理，通过CDMA网络进行传输。

（3）监控管理中心。井场生产数据和图像进行分析处理与监控，以及实时、历史数据与图像存贮与管理。

3 井场数据图像混合传输RTU的硬件构成

数据图像混合处理RTU的硬件原理如图2所示，由CPU模块、供电模块、数据图像采集模块、数据存储模块和数据图像传输模块构成。

实现混合传输功能RTU的CPU模块选用ST的含Cortex-M4内核的32位STM32F407ZGT6芯片为主控芯片；供电模块采用蓄电池加太阳能电池板，光线充足时由太阳能板供电并对蓄电池充电夜晚或阴雨天光线不足时由蓄电池供电；数据图像采集模块中通过US-ART联通RS-232，RS-485和ZigBeeS2b[2]，通过以太网TCP/IP模块，由内嵌的Zigbee模块与无线检测设备连接并采集油井生产数据，通过以太网TCP/IP与摄像机连接并采集图像，实现数据图像的汇集；数据存储模块通过SPI联通，选用大容量的SD卡将数据备份；数据图像传输模块通过CDMA通讯模块与监控主机通讯，上传数据图像并接收控制命令。实现混合传输功能RTU的硬件构成如图2所示。

图2 实现混合传输功能RTU的硬件构成

4 井场数据图像混合传输系统软件开发

井场数据图像混合传输系统的软件开发分为两部分，即监控管理软件和RTU程序。监控管理软件采用Force Control V2.1组态软件在Windows操作平台上开发。RTU程序内核选择Linux操作系统进行移植，通过C语言进行RTU数据图像采集、混合传输及协议转换应用程序设计[3-4]。

4.1 监控管理软件程序设计

监控管理中心向RTU发送上传命令，RTU将数据图像通过CDMA上传给监控中心，供监控管理软件采集与显示。监控管理软件程序流程图如图3所示。

图3 监控管理软件程序流程

4.2 RTU程序设计

（1）数据图像采集程序设计

RTU的采集方式有主动和被动两种，主动方式下RTU对无线仪表和摄像机的采集周期进行设定，通过读取定时时间，由智能RTU向仪表发送数据读取命令或者向摄像机发送定时抓拍、手动抓拍或者闯入抓拍命令，等待响应后进行数据读取或图像接收，并将数据存储在SD卡中，同时将图像存储在FTP服务器。被动方式下RTU被动接收仪表数据后进行存储。数据图像采集模块程序流程图如图4所示。

（2）数据图像混合传输程序设计

RTU监测到监控中心发出的上传命令时，则进入中断程序，读取SD卡的数据或FTP服务器的图像，并将数据进行协议转换，通过内置的CDMA模块将采集的数据和图像传输至监控中心。数据图像传输模块程序流程图如图5所示。

图4 数据图像采集程序流程

图5 数据图像传输程序流程

（3）协议转换程序设计

数据传输需要遵循传输协议，进行协议转换，即将数据根据协议类型过滤，并将有效数据拆包，根据监控中心所用的通讯协议进行重组；对于无效数据，记录系统日志，供管理人员维护系统时使用[5-6]，协议转换程序流程如图6所示。RTU中加载有基于TCP/IP协议、RTSP协议以及FTP协议开发的图像采集协议，因此对FTP服务器的图像直接读取并传输至视频传输服务软件。

图6 协议转换程序流程

5 系统运行与结果

基于RTU的井场数据图像混合传输系统已在长庆油田第十一采油厂西峰作业区投入运行。井场的无线检测仪表实时测量井场的生产数据：原油液位、柴油液位、动液面高度和抽油机示功图，同时，网络摄像机拍摄井场的图像，通过该系统成功传输至监控中心，其运行效果如图7所示。实际运行表明，该系统性能稳定，实现了数据图像的混合传输。

图7 基于RTU的数据图像混合传输系统运行效果

6 结语

本文设计了一种基于RTU的井场数据图像混合传输系统，实现了油田井场生产数据图像可靠采集与传输，确保了油井与监控中心的智能控制和智慧化管理。解决了偏远油井难以构成油田数字化网络，井场信息传输系统的瓶颈问题，方便后期的管理维护，在智慧化油田建设方面具有很好的应用前景[7]。

[1]颜瑾，张乃禄，刘雨，等.基于智能RTU的气田井场监控系统[J].西安石油大学学报(自然科学版)，2017，32(4)：61-66.

[2]陈钊，黄凤辰，花再军.基于GPRS网络的低功耗远程图像采集RTU设计[J].工业仪表与自动化装置，2016(3)：37-39.

[3]王志强.基于ZigBee技术的工业仪表无线数据采集系统设计[J].工业仪表与自动化装置，2015(02)：45-48.

[4]彭越.基于物联网技术的油田数字化建设[J].油气田地面工程，2014(4)：61-62.

[5]李颖.视频监控系统用于油田生产物联网的建设[J].油气田地面工程，2014(7)：73-74.

[6]白凯，夏宏南，印森林，等.基于4G技术的油田井场无线视频监控系统设计与实现[J].电子设计工程，2017，25(6)：177-180.

[7] PAN Yi，XIAO Lizhi， ZHANG Yuanzhong. Remote realtime monitoring system for oil and gas well based on wire-less sensor networks[C]. 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering，2010:2427-2429.