一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统，现场终端子系统包括多个工艺参数采集设备和多个视频采集设备，采集该煤层气生产井中的工艺参数数据和视频图像数据；无线主干网子系统包括多个无线收发节点设备和一个无线收发根节点设备，每个无线收发节点设备与设置在该煤层气生产井中的工艺参数采集设备和视频采集设备相连接，并接收其所采集的工艺参数数据和视频图像数据，将所接收的工艺参数数据和视频图像数据无线发送给无线收发根节点设备。供电子系统分别为现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统供电。
【专利说明】一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及煤层气生产井监控领域，具体而言，涉及一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统。
【背景技术】
[0002]煤层气俗称“瓦斯”，存在煤层中以甲烷为主要成分、以吸附在煤基质颗粒表面为主、部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体，是煤的伴生矿产资源，属非常规天然气，I立方米纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤，其热值与天然气相当，可以与天然气混输混用，而且燃烧后很洁净，几乎不产生任何废气，是上好的工业、化工、发电和居民生活燃料。但其开采、集输的技术难度大，建设和运营成本较高。
[0003]煤层气具有不同于常规油气集输的生产特点:
[0004]煤层气井多、井距小、低压、低产(不足天然气井的1/10)，经济效益不高；
[0005]煤层气井场位于偏远山区，部分区域无无线公网信号的覆盖，通信困难；
[0006]自动化水平不高，采用就地仪表，依靠人工巡井抄表和人工操作；
[0007]井场分布广(井多)，地形复杂(山峦重叠、沟壑纵横)，人工巡井工作量巨大，恶劣天气时无法达到井场；
[0008]煤层气研究和开发在“十一五”取得了丰硕的成果，但实际生产中仍然存在的一定问题:
[0009]无信号覆盖区域成为监控盲区，过分依赖移动运营商；
[0010]视频监控成本居高不下；
[0011]工艺参数得不到及时调整，煤层气集输效益难以提高；
[0012]流程自动切换及突发事件应急处理不及时；
[0013]煤层气不同于常规油气(如天然气)，其具有低压、低产、井多并且多处于偏远山区等生产特点，自动化水平低、经济效益低、安全水平低严重阻碍了煤层气工业的发展。主要原因之一为井区的通信网络链路问题，即井场工艺数据/视频数据无法上行至中控室，中控室的控制指令无法下行至井场。
[0014]随着煤层气规模开发，提高集输的安全性和经济效益，这些问题显得更为突出。
【发明内容】
[0015]本发明提供一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统，用以克服现有技术中存在的上述问题。
[0016]为达到上述目的，本发明提供了一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统，其特征在于，包括:现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统以及供电子系统，其中:
[0017]现场终端子系统包括多个工艺参数采集设备和多个视频采集设备，每个工艺参数采集设备和每个视频采集设备设置在一个煤层气生产井中，采集该煤层气生产井中的工艺参数数据和视频图像数据；
[0018]无线主干网子系统包括多个无线收发节点设备和一个无线收发根节点设备，每个无线收发节点设备设置在一个煤层气生产井的井口处，与设置在该煤层气生产井中的工艺参数采集设备和视频采集设备相连接，并接收其所采集的工艺参数数据和视频图像数据，无线收发节点设备和无线收发根节点设备之间无线通信连接，将所接收的工艺参数数据和视频图像数据无线发送给无线收发根节点设备；
[0019]监控终端子系统与无线收发根节点设备相连接，无线收发根节点设备将所接收的工艺参数数据和视频图像数据发送给监控终端子系统，监控终端子系统将控制信号发送给无线收发根节点设备，无线收发根节点设备将控制信号发送给相应的无线收发节点设备，该无线收发节点设备将控制信号发送给与其相连接的执行装置；
[0020]供电子系统分别为现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统供电。
[0021]可选的，监控终端子系统包括接口模块、信息存储模块、信息显示模块和控制模块，其中:
[0022]接口模块连接在无线收发根节点设备与信息存储模块之间，信息显示模块与信息存储模块相连接，无线收发根节点设备将所接收的工艺参数数据和视频图像数据通过接口模块发送给信息存储模块进行存储，并进而发送给信息显示模块进行显示；
[0023]控制模块与接口模块相连接，控制模块将控制信号通过接口模块发送给无线收发根节点模块。
[0024]可选的，在每个无线收发节点设备处，供电子系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，其中:
[0025]太阳能电池板与无线收发节点设备相连接，太阳能控制器连接在太阳能电池板与蓄电池之间。
[0026]可选的，供电子系统还包括稳压模块和浪涌保护模块，稳压模块连接在太阳能电池板与无线收发节点设备之间，浪涌保护模块与太阳能电池板相连接。
[0027]上述实施例根据煤层气生产特点和实际需求，通过对煤层气工业的工艺过程、现场特点、自动化现状、生产需求的详细调研与分析，通过对有线网络、无线网络及无线网络技术的全方位的比较，最终确定了 “利用802.1ln技术建立主干网络，以树型冗余拓扑为主、静态结构优化与实时动态自愈合相结合”的无线节点网络技术方案，从而保证无线节点网络具有传输距离远、传输数据量大、实时性高、覆盖范围大、安全可靠、建设和运行维护费用低等特点。该无线节点网络应该具备以下技术优势:
[0028]摆脱了有线网络在煤层气田地处偏远山区应用环境下需要敷设线缆的束缚，不仅降低了建设成本和后期维护成本，而且缩短了建设周期；
[0029]克服了有线网络容易遭受人为或意外破坏的问题，降低了由于监控网络故障、失修而造成的无法实时监控的风险；
[0030]无线主干网络提供了宽带宽的通信链路(大于20Mbps)，满足煤层气集输工艺需要同时监测现场工艺变量和视频图像的多应用远程监控要求；
[0031]数据或视频图像采集终端直接与主干网络无线通信，摒弃了原有的RTU单元，从而减少了现场的供电设备以及隐含故障点；
[0032]易拓展的“根-枝-叶”的网络拓展形式，扩展费用低、扩展施工周期短，满足煤层气滚动开发且监测需求不断增长的要求；
[0033]“利用802.1ln技术建立主干网络，以根-枝-叶节点为主干元素，以树型冗余拓扑为主、静态结构优化与实时动态自愈合相结合”;使系统既具备802.1ln系统的传输速率高的优势，又具备MESH网络鲁棒性强特点，提高主干网的数据传输速度和可靠性，保障了无线节点网络在煤层气领域的有效应用；
[0034]该网络采用了自建无线网络的形式，规避了 GPRS/3G无线公网过渡依赖通信运营商的弊端，实现了生产区域的有效覆盖，扫清了监控盲点；
[0035]无线节点网络采用2.4GHz/5.8GHz的世界公用频段，无需申请，即插即用，而且由于是自建无线网络，无需租用，因此大大降低了数据采集及监控系统的运营成本，网络传输路径、流量、网络时延等主动可控；
[0036]该无线节点网络兼容多种国际开放标准，兼容性强，保护现有建设投资，降低建设成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]图1为本发明一个实施例的用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统示意图；
[0039]图2为本发明一个实施例的现场终端子系统示意图；
[0040]图3为本发明一个实施例的监控终端子系统示意图；
[0041]图4a为本发明一个实施例的无线网络管理子系统示意图；
[0042]图4b为本发明一个实施例的无线网络状态监控示意图；
[0043]图5为本发明一个实施例的无线节点网络拓扑结构示意图；
[0044]图6为本发明一个实施例的供电子系统示意图。
【具体实施方式】
[0045]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]图1为本发明一个实施例的基于无线节点网络的监控系统示意图；如图所示，该系统包括:现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统、无线网络管理子系统以及供电子系统，其中:
[0047]现场终端子系统包括多个工艺参数采集设备和多个视频采集设备，每个工艺参数采集设备和每个视频采集设备设置在一个煤层气生产井中，采集该煤层气生产井中的工艺参数数据和视频图像数据；
[0048]无线主干网子系统包括多个无线收发节点设备和一个无线收发根节点设备，每个无线收发节点设备设置在一个煤层气生产井的井口处，与设置在该煤层气生产井中的工艺参数采集设备和视频采集设备相连接，并接收其所采集的工艺参数数据和视频图像数据，无线收发节点设备和无线收发根节点设备之间无线通信连接，将所接收的工艺参数数据和视频图像数据无线发送给无线收发根节点设备，其中，当某个无线收发节点设备与无线收发根节点设备之间的无线通信链路受阻时，该无线收发节点设备通过与其临近的无线收发节点设备和无线收发根节点设备进行无线通信；
[0049]在该无线主干网子系统中，无线收发节点设备与无线收发根节点设备组成无线节点网络，以根-枝-叶节点为主干元素，以树型冗余拓扑结构为主、静态结构优化与实时动态自愈合相结合。可以利用802.1ln技术建立主干网络，在此基础上保持MESH网络的动态自愈合能力，使系统既具备802.1ln系统的传输速率高的优势，又具备MESH网络鲁棒性强特点，其主要特点如下:
[0050]井场/集气阀组至增压站之间的无线主干网络采用基于802.1lN点对多点的树型网络拓扑，保障主干网的传输率；满足煤层气数据采集及监控系统快速、宽带宽、可靠、中距离的无线传输要求；利用802.1lN设备的通用性，提高系统的可维护性和今后的升级换代。此外，视频设备可只与主干网连接，通过UDP传输图像数据。
[0051]监控终端子系统与无线收发根节点设备相连接，无线收发根节点设备将所接收的工艺参数数据和视频图像数据发送给监控终端子系统进行存储和处理，监控终端子系统将与所接收的工艺参数数据和视频图像数据相应的控制信号发送给无线收发根节点设备，无线收发根节点设备将控制信号发送给相应的无线收发节点设备，该无线收发节点设备将控制信号发送给与其相连接的执行装置；
[0052]无线网络管理子系统与无线收发根节点设备相连接，用于生成、发布和管理所有无线设备接入网络的安全密匙，实现授权接入，以及获取每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备的通信链路、通信速率和故障报警信号，根据所接收的通信链路、通信速率和故障报警信号对每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备进行通信的通信链路进行规划，并将所规划的通信链路发送给无线收发根节点设备及相应的无线收发节点设备，每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备之间按照所规划的通信链路进行通信；
[0053]供电子系统分别为现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统和无线网络管理子系统供电。
[0054]图2为本发明一个实施例的现场终端子系统示意图；如图所示，在每个煤层气生产井处，现场终端子系统包括工艺参数采集设备、视频图像采集设备、视频图像压缩模块、第一编码模块、第一信息发送模块、第二编码模块、第二信息发送模块、信息接收模块和现场执行装置，其中:
[0055]第一编码模块将工艺参数采集设备采集的工艺参数数据进行编码，并通过第一信息发送模块发送给相应的无线收发节点设备；
[0056]第二编码模块将视频采集设备采集的视频图像数据进行编码，并通过第二信息发送模块发送给相应的无线收发节点设备；
[0057]信息接收模块用于接收相应的无线收发节点设备发送来的控制信号，并将控制信号发送给现场执行装置。
[0058]其中，工艺数据采集设备根据工艺要求采集工艺过程参数，如温度、压力、流量、液位、有毒可燃气体浓度等；视频图像压缩模块主要采用H.264、JPEG或MPEG4压缩方式；编码模块主要根据Modbus、TCP/IP等协议进行编码，可以广泛地满足煤层气多种自动化仪表的采集与监控。
[0059]图3为本发明一个实施例的监控终端子系统示意图；如图所示，监控终端子系统包括接口模块、信息存储模块、信息显示模块和控制模块，其中:
[0060]接口模块是监控终端子系统与无线主干网子系统间的接口，主要负责工艺参数数据和视频图像数据的接收以及控制指令信息的发送；
[0061]信息存储模块主要用于上行的工艺参数数据/视频图像数据的存储，以备形成趋势报告或生产日志；
[0062]信息显示模块主要用于上行的工艺参数数据和视频图像数据的集中显示；
[0063]操作员可以通过控制模块，根据现场工况，发送控制指令。
[0064]监控终端子系统与无线主干网子系统间的链接可以为有线方式，此外为了提高可靠性，还可采用冗余的有线链接方式。
[0065]图4a为本发明一个实施例的无线网络管理子系统示意图；如图所示，无线网络管理子系统包括无线设备监控模块和安全管理模块，其中:
[0066]安全管理模块用于生成、发布和管理所有无线设备接入网络的安全密匙，实现授权接入；
[0067]无线设备监控模块用于获取每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备的通信链路、通信速率和故障报警信号，根据所接收的通信链路、通信速率和故障报警信号对每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备进行通信的通信链路进行规划，并将所规划的通信链路发送给无线收发根节点设备及相应的无线收发节点设备，每个无线收发节点设备与无线收发根节点设备之间按照所规划的通信链路进行通信。其中，在现场设置好各无线收发节点设备的基础上，可以预先完成全局网络路由静态优化，在优化时以流量平衡和最短路径为约束条件，减少阻塞，实现负载平衡，降低传输转跳次数，提高数据(尤其是视频图像数据)传输效率。在实际使用过程中，还可实时动态对通信链路进行重新规划，以提高主干网的数据传输速度和可靠性。
[0068]图4b为本发明一个实施例的无线网络状态监控示意图；如图所示，在状态SI~S4中，通过同时检测当前节点与父节点的联通情况和无线信号强度实现正常和异常检测。图中状态转换对应的操作定义如下:
[0069]Al:发送节点通信流量和连接状态；睡眠Tl秒；
[0070]A2:发送节点连接状态；睡眠T2秒(Τ1ΧT2)；
[0071]A3:发送节点连接状态；系统热重启；
[0072]A4:发送节点连接状态；睡眠T3秒(Τ1ΧT3)；
[0073]A5:根据静态网络规划，选择新的父节点，切换链路连接。
[0074]上述转换操作与网络静态规划相结合，通过链路切换，实现对网络异常错误的实时动态自愈合。
[0075]图5为本发明一个实施例的无线节点网络拓扑结构示意图；如图所示，无线主干网子系统主要是由无线节点组成，每个无线节点都具有自动路由功能，按照功能又可分为叶节点、枝节点和根节点，叶节点一枝节点一根节点间为无线通信。根节点是所有叶节点和枝节点的信息传递的目标节点，主要用于将主干网上的信息通过有线的方式传递到监控终端子系统。如图所示，叶节点为无线主干网的末端节点(如3/4/5/6/8/10/11/12/n#节点)，主要负责收集分支级网络上行的信息并传递给上层节点。叶节点并不是固定的，可能当周围叶节点或枝节点到上层节点无线通信链路受阻时而成为相应节点的枝节点。如7#节点原本是叶节点，但由于6#叶节点与2#根节点受到通信掩体的遮挡无法无线通信，6#叶节点通过7#节点实现与2#根节点的通信，因此7#由叶节点转变为枝节点。
[0076]枝节点为无线主干网的中间节点(如7#节点、9#节点)。枝节点除了具有叶节点的功能外，还具有中继的功能，即将其他叶节点的信息中转给上层节点。由于无线通信具有每一跳带宽衰减的特性，因此应避免叶节点到根节点的多枝结构，即避免多跳。
[0077]无线节点间采用无线连接方式；根节点与监控子系统间采用有线连接方式；叶节点与现场终端子系统间主要采用有线连接方式。
[0078]针对位于增压站内的监控终端子系统和无线网络管理子系统采用有线供电方式；针对现场终端子系统中低功耗的模块采用电池供电；针对无线主干网子系统中的节点等功耗较大的模块采用太阳能电池供电模式。由于有线供电和电池供电比较简单，因此不再赘述，在此仅描述太阳能电池供电。
[0079]图6为本发明一个实施例的供电子系统示意图。如图所示，在每个无线收发节点设备处，供电子系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，其中:
[0080]太阳能电池板与无线收发节点设备相连接，太阳能控制器连接在太阳能电池板与蓄电池之间，太阳能电池板安装在安装支架上，蓄电池可以设置在地下，既美观又安全。
[0081]太阳能电池板模块是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。
[0082]太阳能控制器模块的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，在无光照时(如阴雨天、夜间)将电能释放出来，供用电设备使用。浪涌保护模块、稳压模块等附件的主要功能是防止在室外空旷的场所里受到雷击而损坏设备以及提供稳定电压的附属模块。
[0083]上述实施例根据煤层气生产特点和实际需求，通过对煤层气工业的工艺过程、现场特点、自动化现状、生产需求的详细调研与分析，通过对有线网络、无线网络及无线网络技术的全方位的比较，最终确定了 “利用802.1ln技术建立主干网络，以树型冗余拓扑为主、静态结构优化与实时动态自愈合相结合”的无线节点网络技术方案，从而保证无线节点网络具有传输距离远、传输数据量大、实时性高、覆盖范围大、安全可靠、建设和运行维护费用低等特点。该无线节点网络应该具备以下技术优势:
[0084]摆脱了有线网络在煤层气田地处偏远山区应用环境下需要敷设线缆的束缚，不仅降低了建设成本和后期维护成本，而且缩短了建设周期；
[0085]克服了有线网络容易遭受人为或意外破坏的问题，降低了由于监控网络故障、失修而造成的无法实时监控的风险；
[0086]无线主干网络提供了宽带宽的通信链路(大于20Mbps)，满足煤层气集输工艺需要同时监测现场工艺变量和视频图像的多应用远程监控要求；
[0087]数据或视频图像采集终端直接与主干网络无线通信，摒弃了原有的RTU单元，从而减少了现场的供电设备以及隐含故障点；[0088]易拓展的“根-枝-叶”的网络拓展形式，扩展费用低、扩展施工周期短，满足煤层气滚动开发且监测需求不断增长的要求；
[0089]“利用802.1ln技术建立主干网络，以根-枝-叶节点为主干元素，以树型冗余拓扑为主、静态结构优化与实时动态自愈合相结合”;使系统既具备802.1ln系统的传输速率高的优势，又具备MESH网络鲁棒性强特点，提高主干网的数据传输速度和可靠性，保障了无线节点网络在煤层气领域的有效应用；
[0090]该网络采用了自建无线网络的形式，规避了 GPRS/3G无线公网过渡依赖通信运营商的弊端，实现了生产区域的有效覆盖，扫清了监控盲点；
[0091]无线节点网络采用2.4GHz/5.8GHz的世界公用频段，无需申请，即插即用，而且由于是自建无线网络，无需租用，因此大大降低了数据采集及监控系统的运营成本，网络传输路径、流量、网络时延等主动可控；
[0092]该无线节点网络兼容多种国际开放标准，兼容性强，保护现有建设投资，降低建设成本。
[0093]本领域普通技术人员可以理解:附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0094]本领域普通技术人员可以理解:实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
[0095]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1.一种用于煤层气井无线节点通信网络的监控系统，其特征在于，包括:现场终端子系统、无线主干网子系统、监控终端子系统以及供电子系统，其中: 所述现场终端子系统包括多个工艺参数采集设备和多个视频采集设备，每个所述工艺参数采集设备和每个所述视频采集设备设置在一个煤层气生产井中，采集该煤层气生产井中的工艺参数数据和视频图像数据； 所述无线主干网子系统包括多个无线收发节点设备和一个无线收发根节点设备，每个所述无线收发节点设备设置在一个煤层气生产井的井口处，与设置在该煤层气生产井中的工艺参数采集设备和视频采集设备相连接，并接收其所采集的工艺参数数据和视频图像数据，所述无线收发节点设备和所述无线收发根节点设备之间无线通信连接，将所接收的工艺参数数据和视频图像数据无线发送给所述无线收发根节点设备； 所述监控终端子系统与所述无线收发根节点设备相连接，所述无线收发根节点设备将所接收的工艺参数数据和视频图像数据发送给所述监控终端子系统，所述监控终端子系统将控制信号发送给所述无线收发根节点设备，所述无线收发根节点设备将所述控制信号发送给相应的无线收发节点设备，该无线收发节点设备将所述控制信号发送给与其相连接的执行装置； 所述供电子系统分别为所述现场终端子系统、所述无线主干网子系统、所述监控终端子系统供电。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述监控终端子系统包括接口模块、信息存储模块、信息显示模块和控制模块，其中: 所述接口模块连接在所述无线收发根节点设备与所述信息存储模块之间，所述信息显示模块与所述信息存储模块相连接，所述无线收发根节点设备将所接收的工艺参数数据和视频图像数据通过所述接口模块发送给信息存储模块进行存储，并进而发送给所述信息显示模块进行显示； 所述控制模块与所述接口模块相连接，所述控制模块将控制信号通过所述接口模块发送给所述无线收发根节点模块。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，在每个所述无线收发节点设备处，所述供电子系统包括太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池，其中: 所述太阳能电池板与所述无线收发节点设备相连接，所述太阳能控制器连接在所述太阳能电池板与所述蓄电池之间。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述供电子系统还包括稳压模块和浪涌保护模块，所述稳压模块连接在所述太阳能电池板与所述无线收发节点设备之间，所述浪涌保护模块与所述太阳能电池板相连接。
【文档编号】H04N7/18GK203801024SQ201320828713
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年12月16日 优先权日:2013年12月16日
【发明者】裴红, 赵猛, 谢加才, 赵文学, 刘偌伍, 李阅明, 潘艳华, 闫日雄, 韩克江, 刘帅 申请人:中国寰球工程公司