CN115348552A - 油气田场站的数据传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种油气田场站的数据传输系统，包括场站内用于检测各类设备进行数据采集的传感器，用于将所述传感器采集的数据通过无线传输至协议转换器的无线通信模块，所述无线通信模与所述协议转换器均预先设定有相同的局域网无线标准，所述协议转换器与中心控制设备相连接，所述中心控制设备还与边缘计算机相连接，所述边缘计算机连接有预设通信协议的通信模块，所述通信模块用于与场内特定监控设备进行数据传输，所述场内特定监控设备连接有预设的与所述边缘计算机相同的通信协议的通信模块。本发明的有益效果是提高油气田场站内信号传输的质量和速度。
Description
技术领域
本发明属于油气田场站的检测监控技术领域，是实现场站标准化、无人值守、数字化管理的一种技术方法，具体是一种油气田场站的数据传输系统。
背景技术
在油气田开采低压全流程系统中，存在各种类型和数量的设备，包括但不限于阀门、流量计、液位计等传感器和控制设备。设备的数据集中采集到控制柜中的可编程控制器中，在控制柜的操作屏上可以进行设备控制、数据查看的操作。由于控制柜位置固定，进行操作时只能在控制柜前进行。为方便井场工作，需使用平板电脑对井场设备进行控制、数据查看。
如果用平板直接分别连接井场中的每个设备，各个设备的型号、厂家、数据采集方式、网络连接方式均不相同，平板电脑无法直接与设备进行通信，所以平板电脑只是与控制柜进行通信，通过控制柜来控制井场中的各个设备。
发明内容
为解决现有技术的技术问题，本发明提供一种油气田场站的数据传输系统，包括场站内用于检测各类设备进行数据采集的传感器，用于将所述传感器采集的数据通过无线传输至协议转换器的无线通信模块，所述无线通信模与所述协议转换器均预先设定有相同的局域网无线标准，所述协议转换器与中心控制设备相连接，所述中心控制设备还与边缘计算机相连接，所述边缘计算机连接有预设通信协议的通信模块，所述通信模块用于与场内特定监控设备进行数据传输，所述场内特定监控设备连接有预设的与所述边缘计算机相同的通信协议的通信模块。
更进一步的，所述协议转换器通过交换机与所述中心控制设备相连接，所述中心控制设备通过所述交换机与所述边缘计算机相连接。
更进一步的，所述中心控制设备通与所述交换机有线连接。
更进一步的，所述边缘计算机还与外部网络连接，还包括与所述外部网络连接的场外可移动监控端，所述场外可移动监控端用于与所述边缘计算机通过外部网络进行数据传输。
更进一步的，所述边缘计算机通过预定的消息队列遥测传输协议与外部网络进行数据传输。
更进一步的，所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均有预定的应用程序编程接口用于处理接受自所述中心控制设备传输的信号。
更进一步的，所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均设有用于处理所述中心控制设备所传输数据的应用程序编程接口。
更进一步的，所述通信模块通过串行接口与所述边缘计算机相连接。
更进一步的，所述中心控制设备通过预设程序用于识别各所述无线通信模块编号并进行重新定义。
更进一步的，所述通信模块预设的通信协议为LoRa局域网无线标准。
这种方式的优点有：通信协议格式针对油气田低压全流程进行设计，便于应用生成、解析。
通信协议数据包长度较小，适合各种低速率的网络技术使用。通信协议只定义井场设备类型，与具体的设备厂家、型号、数据采集方式无关，应用开发者可以只关注应用本身业务逻辑。
具体的：
1.由监控端直接读取控制柜中可编程控制器的内存信息，耦合度较高。在可编程控制器的软件逻辑改变时，平板端需要大量修改软件程序，本发明解决了这一技术问题。
2. 监控端需要的数据只是可编程控制器内存的一小部分数据，但可编程控制器的程序不会恰好将平板电脑需要的数据存放于连续区域，最极限情况下，可能需要读取可编程控制器的所有内存空间才能获取到需要的几个数据，造成了带宽的极大浪费；本发明解决了这个问题。
3.网络通信协议为可编程控制器厂家提供，在控制柜的可编程控制器品牌可能根据不同井场服务商的需求进行更换时，监控端的软件程序也要重新编写；本发明通过统一网络通信协议的方式解决了该问题。
4.控制柜中有多个可编程控制器时，监控端需要同时无线连接多台可编程控制器，增加了软件复杂性，降低了网络稳定性；本发明通过由控制中心统一接收、发送，解决了前述技术问题。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
如图1所示，油气田场站的数据传输系统，包括场站内用于检测各类设备进行数据采集的传感器，用于将所述传感器采集的数据通过无线传输至协议转换器的无线通信模块，所述无线通信模与所述协议转换器均预先设定有相同的局域网无线标准，所述协议转换器与中心控制设备相连接，所述中心控制设备还与边缘计算机相连接，所述边缘计算机连接有预设通信协议的通信模块，所述通信模块用于与场内特定监控设备进行数据传输，所述场内特定监控设备连接有预设的与所述边缘计算机相同的通信协议的通信模块。所述协议转换器通过交换机与所述中心控制设备相连接，所述中心控制设备通过所述交换机与所述边缘计算机相连接。所述中心控制设备通与所述交换机有线连接。所述边缘计算机还与外部网络连接，还包括与所述外部网络连接的场外可移动监控端，所述场外可移动监控端用于与所述边缘计算机通过外部网络进行数据传输。所述边缘计算机通过预定的消息队列遥测传输协议与外部网络进行数据传输。所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均有预定的应用程序编程接口用于处理接受自所述中心控制设备传输的信号。所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均设有用于处理所述中心控制设备所传输数据的应用程序编程接口。所述通信模块通过串行接口与所述边缘计算机相连接。所述中心控制设备通过预设程序用于识别各所述无线通信模块编号并进行重新定义。所述通信模块预设的通信协议为LoRa局域网无线标准；或者使用ZigBee局域网无线标准。
优选的，中心控制设备选用PLC作为控制设备。PLC设置有触摸显示屏。
优选的，场内特定监控设备使用平板电脑。场外可移动监控端可为手机、平板电脑或电脑等均可。
网络传输模块理论上不限制网络技术选型，在本方案中，综合井场需求，选取LoRa网络通信技术作为本方案的网络底层支持。
平板电脑与控制柜中安装的网络传输模块不区分主从与收发方，均为接收发送双向通信端，只是针对平板电脑和控制柜的接口，在连接方式和网络角色上有所区别。
多数情况下，网络结构为一对一网络。当井场中存在多个平板电脑时，实际上物理的网络组成是多对多网络，在本网络中，所有的消息均为广播发送，在多个平板电脑时，平板电脑会互相收到其他平板电脑的网络消息。为使网络硬件模块有通用性，减少使用前的设置工作，在硬件模块和网络物理层不做修改，而在平板电脑的软件逻辑和控制柜的软件逻辑中，进行消息过滤，即可将多对多的网状网络视为一对多的星状网络。
在本方案案例中，可移动监控端选用平板电脑，平板电脑与网络通信模块使用USB接口连接，转为串口通信。
控制柜中使用边缘计算主机，来收集控制柜中所有的可编程控制器采集的数据。网络通信协议处理解析的功能单独存放于此边缘计算主机，使涉及到修改的软硬件仅局限为边缘计算主机和平板电脑之间，无需修改原控制柜中可编程控制器的程序，保持原系统完整性、降低与原系统的耦合性。
主机通过交换机与可编程控制器有线连接，相较于低速率的无线网络，有线网络的延时可忽略。可把边缘计算主机和控制柜视为一个整体。
本发明的油气田开采低压全流程操控通信协议具体分为四个类型：握手协议、广播协议、操作协议、反馈协议。
此协议以3字节的固定帧头帧尾进行设计开发，方便在读取串口缓存时快速定位到帧头位置。
为了能够适配低速率的网络技术，为降低丢包率，此协议按照每帧在50字节以内，并且限制控制柜端的发送间隔为1秒，即速率推荐控制在每秒50字节。并设置校验位来校验数据的完整性和正确性。
所有的协议帧都包含帧头、帧尾、协议类型字段、具体内容字段、校验字段。帧头和帧尾为固定的数值，用于在网络请求中区别本协议。协议类型用于区分此次传输的是握手协议、广播协议、操作协议、反馈协议中的一种。具体内容字段根据协议类型，即承载不同的设备数据。校验字段用于校验数据帧是否完整正确，由内容字段和协议类型字段通过校验算法的计算获取到。具体：帧头3字节、协议类型1字节、内容帧为可变、校验位1字节，帧尾3字节。
握手协议，用于测试无线网络的通信状态。内容字段包含一个4字节握手值。平板电脑可发送一次握手协议到控制柜，控制柜会回复同样的握手值到平板端。平板端即可通过发送单次请求来确定网络通信是否可用，也可以通过一段时间内轮询发送一定数量的请求，通过接收到反馈信息的数量来统计网络的丢包率，从而估算出网络通信的质量。
广播协议，为控制柜定时进行广播发送，内容为油气井场中各个设备的数据。平板接收到数据后，在界面中进行展示等处理。广播帧内容字段的长度固定为42字节：命令类型1字节，分组1字节，数据4x10字节。
包括1字节数据类型、1字节设备分组，10个32位浮点数据，即40字节数据。其中设备类型用于标记返回的数据名，如阀门状态、流量器流量值等。设备分组则是从0开始的编号，代表此数据类型下的设备分组，按每组10台设备编组的分组号。后面的10组数据即为此组下的10台设备的数据。设备数值数据均为32位浮点数，根据IEEE-754标准将浮点数转换为4字节数组进行传输。如果获取到无效的数据，此字段传值0xffffffff进行占位。个别数据类型，如阀门状态等非浮点数类型，则使用协议规定的自定义数据结构进行解析。
例如，在协议规定中，数据类型为1表示液位计数值，设备分组传0时，即返回的是编号1~10的液位计的液位数值，分组编号为1时，则返回编号11~20的液位计液位数据。
广播协议可以根据需求，定义为定时的循环发送，也可以设置为响应式发送，平板主动请求时进行一次广播。
操作协议，为平板端发送的操控指令，控制柜端接收处理，平板端接收到此命令时忽略不作处理。内容为设备操作指令、请求广播指令等。指令帧内容长度为5字节，包括命令型1字节，设备编号/分组1字节，命令ID2字节，控制位1字节。
设备编号/分组：设备的编号或分组，如当命令类型为0-阀门控制时，此值即为阀门的编号。当命令为请求广播时，此字段为设备分组，控制柜会广播这组10台设备的数值。
命令ID：用于区分命令的唯一标识，由发送方生成的随机数。
控制位：命令要设置的值。
反馈协议，与操作协议成对出现，在控制柜接收到操作指令并执行后，发送反馈指令，平板端可通过是否接收到反馈指令来判断操作指令是否下达成功。
反馈帧内容长度为6字节，结构如下：命令ID2字节，数据4字节。
命令ID：同操作协议。
数据：命令操作返回的数据，目前暂无用途，预留后期使用。
Claims (10)
1.一种油气田场站的数据传输系统，包括场站内用于检测各类设备进行数据采集的传感器，用于将所述传感器采集的数据通过无线传输至协议转换器的无线通信模块，所述无线通信模与所述协议转换器均预先设定有相同的局域网无线标准，所述协议转换器与中心控制设备相连接，所述中心控制设备还与边缘计算机相连接，所述边缘计算机连接有预设通信协议的通信模块，所述通信模块用于与场内特定监控设备进行数据传输，所述场内特定监控设备连接有预设的与所述边缘计算机相同的通信协议的通信模块。
2.如权利要求1所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述协议转换器通过交换机与所述中心控制设备相连接，所述中心控制设备通过所述交换机与所述边缘计算机相连接。
3.如权利要2所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述中心控制设备通与所述交换机有线连接。
4.如权利要求1所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述边缘计算机还与外部网络连接，还包括与所述外部网络连接的场外可移动监控端，所述场外可移动监控端用于与所述边缘计算机通过外部网络进行数据传输。
5.如权利要求4所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述边缘计算机通过预定的消息队列遥测传输协议与外部网络进行数据传输。
6.如权利要求4所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均有预定的应用程序编程接口用于处理接受自所述中心控制设备传输的信号。
7.如权利要求4所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于，所述场内特定监控设备和所述场外可移动监控端均设有用于处理所述中心控制设备所传输数据的应用程序编程接口。
8.如权利要求1所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述通信模块通过串行接口与所述边缘计算机相连接。
9.如权利要求1所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述中心控制设备通过预设程序用于识别各所述无线通信模块编号并进行重新定义。
10.如权利要求1所述的一种油气田场站的数据传输系统，其特征在于：所述通信模块预设的通信协议为LoRa局域网无线标准。
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