一种自动化钻井井场监测系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自动化钻井井场监测系统，包括无线传感器网络节点、协调器节点、司钻显示器和监控计算机，所述无线传感器网络节点设置在钻井井场监测区域和井口设备上，用于采集钻井参数；所述协调器节点用于管理无线传感器网络，所述协调器节点包括USB接口，所述USB接口插接在司钻显示器上，并用于将所述钻井参数传输给司钻显示器；所述司钻显示器用于显示钻井参数，所述监控计算机用于对钻井参数进行同步监测、数据分析和数据存储。本申请的钻井井场监测系统采用无线方式进行数据传输，能够灵活快速进行安装，协调器节点采用USB接口形式，即插即用，且携带方便，司钻显示器和监控计算机通过wifi无线传输方式，更大程度地节约空间。
【专利说明】
一种自动化钻井井场监测系统
技术领域
[0001]本发明涉及钻井井场监测系统，尤其涉及一种自动化钻井井场监测系统。
【背景技术】
[0002]我国是一个油气储藏量非常丰富的大国，有着数量众多的油气田及油气生产企业。在油气田的生产活动中，对钻井井场及其所属井口及设备的工作状况进行紧密监测是油气田生产自动化的一个重要研究方向，也是实现油气田产能升级及保障安全生产的主要因素之一。目前钻井井场利用各种传感器进行数据的采集工作，并广泛使用有线数据传输方式来构造钻井井场的自动化监控系统，例如采用光缆通讯方式来实现数据与图像的传输，通过在每口单井安装远程数据采集控制器(RTU)，用光缆连接使其与上位机通讯，这些电缆线不仅使得本来就狭小的井场显得更加凌乱，而且易受到施工过程中人员的无意破坏，而铺设或架空线缆又受到设备、设施的制约，整个安装布线过程非常紧张和复杂，直接影响钻井作业，给后期维护带来不便。具体地，现有技术方案具有如下的局限性及缺点:
[0003](— )井场工作范围过大或较复杂地形，会面临有线网络铺设工程施工上的困难和各种突发情况；
[0004](二)长距离缆线铺设和用来架空线路的支架会造成一定的电磁污染和环境破坏，提尚工程造价；
[0005](三)井场工作环境比较复杂，容易对固定缆线，设备及工作人员造成意外损害；
[0006](四)井场的生产活动中，各种工程设备及人员状况不断变化，固定网络设施后期维护非常困难。
[0007]由于上述局限性的存在，现有钻井井场监测系统的技术解决方案不利于推进井场生产自动化及促进生产效率的提升。
[0008]目前，无线传感器网络属于新一代的分布式随机网络，它是由一定数量的具有无线通信功能，搭载微型传感器，并具有较强计算能力的节点所组成的无定型的随机网络。无线传感器网络技术融和了微电子技术、分布式信息处理技术、现代网络及无线通信技术、嵌入式系统设计等先进技术。无线传感器网络在工业控制、环境监测、医疗监护、车辆监控等领域有了一定的应用成果，但是对于电磁干扰和遮挡干扰相当严重的钻井井场还没有实际应用，因此，将无线传感器网络应用在钻井信息化技术领域是相关研究人员的研究热点。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题在于如何克服现有的钻井井场监测系统采用电缆线造成井场布线凌乱、易受到破坏、后期维护不便等的缺陷。
[0010]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种自动化钻井井场监测系统，包括无线传感器网络节点、协调器节点、司钻显示器和监控计算机，所述无线传感器网络节点具有一个或多个，且设置在钻井井场监测区域和井口设备上，用于采集钻井参数，并将所述钻井参数通过短距离无线通信方式传输给协调器节点，其中，所述钻井参数的数据为数字信号；
[0011]所述协调器节点用于管理无线传感器网络，所述协调器节点包括USB接口和USB转串口模块，所述USB接口插接在司钻显示器上，并用于将所述钻井参数传输给司钻显示器；所述司钻显示器用于显示钻井参数，并将钻井参数通过无线通信方式传输给监控计算机，所述监控计算机用于对钻井参数进行同步监测、数据分析和数据存储。
[0012]进一步地，所述无线传感器网络节点包括传感器模块和电源模块，所述传感器模块用于采集钻井参数，所述电源模块用于为传感器模块供电；
[0013]所述电源模块包括壳体、双电源、芯片和传感器接口，所述双电源和芯片设置在壳体内，所述传感器接口设置在壳体外壁上；
[0014]所述芯片包括电源管理元件、第一微处理器、第一 Zigbee无线通信模块和第一外围电路模块，所述电源管理元件用于控制双电源自动切换，所述第一微处理器用于对所述钻井参数进行处理，将处理后的钻井参数通过第一 Zigbee无线通信模块传输给协调器节点，并用于设置所述第一 Zigbee无线通信模块的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述短距离无线通信方式为Zigbee无线通信方式，所述第一外围电路模块用于显示所述第一Zigbee无线通信模块的网络指示状态及接收数据包指示状态。
[0015]进一步地，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述传感器的种类根据监测参数进行选择。
[0016]进一步地，所述传感器为压力传感器、钩载传感器、绞车传感器、栗压传感器、钻井液液位和流量传感器、气体传感器中的一种或多种。
[0017]进一步地，所述协调器节点还包括第二微处理器、第二Zigbee无线通信模块和电源，所述第二微处理器用于控制所述传感器节点中的设备的睡眠与唤醒，将所述钻井参数传输给司钻显示器，并用于设置所述第二 Zigbee无线通信模块的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述第二 Zigbee无线通信模块用于接收所述第一 Zigbee无线通信模块传输的钻井参数。
[0018]进一步地，所述协调器节点还包括第二外围电路模块，所述第二外围电路模块用于显示所述第二 Zigbee无线通信模块的网络指示状态及接收数据包指示状态。
[0019]进一步地，所述第二Zigbee无线通信模块与第二微处理器之间通过第一通用异步收发传输器连接。
[0020]进一步地，所述第二微处理器与USB转串口模块通过第二通用异步收发传输器连接。
[0021]进一步地，所述系统还包括一个或多个路由器，所述路由器设置在无线传感器网络节点和协调器节点之间，用于接收传感器模块采集的钻井参数，并将所述钻井参数转发至协调器节点。
[0022]进一步地，所述司钻显示器和监控计算机之间的无线通信方式为wifi无线通信方式。
[0023]本发明的自动化钻井井场监测系统，具有如下有益效果:
[0024]1、本申请的钻井井场监测系统采用无线方式进行数据传输，能够灵活快速进行安装，协调器节点采用USB接口形式，即插即用，且携带方便，司钻显示器和监控计算机通过wifi无线传输方式，更大程度地节约空间，后期维护便利，且极大降低了工程造价，提高了工作效果。
[0025]2、本申请的无线传感器网络节点采用双电源供电模式，电池的续航能力极大提升，且传感器节点设备中耗电量最大的就是Zigbee无线通信，本申请中Zigbee无线通信模块在工作模式、冬眠模式和梦状态模式之间进行转换，遵循低功耗的原则，耗电量少。
[0026]3、本申请的协调器节点采用航空接头作为数据传输口，具备传输传感器信号、代码下载等功能，接口简单，功能强大。
[0027]4、本申请系统中多有元器件和硬件设备均满足_40°C?80°C的工作温度，且具备一定的防爆、防尘、防水、防震设计，适合环境较为恶劣的野外使用。
【附图说明】
[0028]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它附图。
[0029]图1是本申请的自动化钻井井场监测系统的结构框图；
[0030]图2是本申请的无线传感器网络节点的结构框图；
[0031]图3是本申请的协调器节点的结构框图；
[0032]图4是本申请的无线传感器网络节点的。
[0033]图中:1_无线传感器网络节点，11-双电源，111-电池，1111-导电触头，1112-凸块，112-电源仓，113-天线，114-指示灯，12-芯片，121-电源管理元件，122-第一微处理器，123-第一 Zigbee无线通信模块，124-第一外围电路模块，13-传感器接口，14-壳体，2_协调器节点，21-电源，22-第二Zigbee无线通信模块，23-第二外围电路模块，24-第二微处理器，25-USB转串口模块，3-司钻显示器，4-监控计算机。
【具体实施方式】
[0034]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作出创造性劳动的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。
[0035]如图1所示，本发明提供了一种自动化钻井井场监测系统，包括无线传感器网络节点1、协调器节点2、司钻显示器3和监控计算机4，所述无线传感器网络节点I具有一个或多个，且设置在钻井井场监测区域和井口设备上，用于采集钻井参数，并将所述钻井参数通过短距离无线通信方式传输给协调器节点2，其中，所述钻井参数的数据为数字信号；
[0036]当无线传感器网络传感器节点具有多个时，其对应的传感器种类不同，并由传感器节点1、传感器节点2等等组成无线网络传感器节点；
[0037]所述协调器节点2用于管理无线传感器网络，所述协调器节点2包括USB接口和USB转串口模块25，所述USB接口插接在司钻显示器3上，并用于将所述钻井参数传输给司钻显示器3;所述司钻显示器3用于显示钻井参数，并将钻井参数通过无线通信方式传输给监控计算机4，所述监控计算机4用于对钻井参数进行同步监测、数据分析和数据存储。
[0038]如图2所示，所述无线传感器网络节点I包括传感器模块和电源模块，所述传感器模块用于采集钻井参数，所述电源模块用于为传感器模块供电；
[0039]所述电源模块包括壳体14、双电源11、芯片12和传感器接口 13，所述双电源11和芯片12设置在壳体14内，所述传感器接口 13设置在壳体14外壁上；
[0040]所述芯片12包括电源管理元件121、第一微处理器122、第一 Zigbee无线通信模块123和第一外围电路模块124，所述电源管理元件121用于控制双电源11自动切换，所述第一微处理器122用于对所述钻井参数进行处理，将处理后的钻井参数通过第一 Zigbee无线通信模块123传输给协调器节点2，并用于设置所述第一 Zigbee无线通信模块123的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述短距离无线通信方式为Zigbee无线通信方式，所述第一外围电路模块124用于显示所述第一 Zigbee无线通信模块123的网络指示状态及接收数据包指示状态。
[0041]其中，如图4所示，双电源11由两块电池111组成，电池111设计有充电接口和供电接口，充电接口采用的2pin接头，即插即拔，方便使用，供电接口为弹簧触点设计，方便使用。所述外壳具有用于容纳所述电池111的电源仓112，所述电源仓112具有仓体和仓盖，所述仓体的内设有导电触头1111和凸块1112，所述双电源11具有供电接口和开关按钮，所述电池111安装在电源仓112内时，所述供电接口与所述导电触头1111相接触，所述凸块1112挤压并开启所述开关按钮。所述开关按钮为船型开关按钮，所述船型开关按钮具有OFF端和ON端，所述电池111安装在电源仓112内时，所述所述凸块1112挤压船型开关按钮的ON端，所述开关按钮还可以为轻触开关按钮，所述电池111安装在电源仓112内时，所述凸块1112挤压所述轻触开关按钮，所述外壳上设有天线113和用于指示电池111电量的指示灯114，所述指示灯114与所述电源管理模块连接。
[0042]所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述传感器的种类根据监测参数进行选择。
[0043]所述传感器为压力传感器、钩载传感器、绞车传感器、栗压传感器、钻井液液位和流量传感器、气体传感器中的一种或多种，或者其他传感器，本发明不限于实施例中的这几种传感器，可以根据监测需要进行选择。
[0044]如图3所示，所述协调器节点2还包括第二微处理器24、第二Zigbee无线通信模块22和电源21，所述第二微处理器24用于控制所述传感器节点中的设备的睡眠与唤醒，将所述钻井参数传输给司钻显示器3，并用于设置所述第二 Zigbee无线通信模块22的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述第二 Zigbee无线通信模块22用于接收所述第一 Zigbee无线通信模块123传输的钻井参数。
[0045]所述协调器节点2还包括第二外围电路模块23，所述第二外围电路模块23用于显示所述第二 Zigbee无线通信模块22的网络指示状态及接收数据包指示状态。
[0046]所述第二Zigbee无线通信模块22与第二微处理器24之间通过第一通用异步收发传输器连接。
[0047]所述第二微处理器24与USB转串口模块25通过第二通用异步收发传输器连接。
[0048]所述系统还包括一个或多个路由器，所述路由器设置在无线传感器网络节点I和协调器节点2之间，用于接收传感器模块采集的钻井参数，并将所述钻井参数转发至协调器节点2。
[0049]所述司钻显示器3和监控计算机4之间的无线通信方式为wifi无线通信方式。
[0050]本发明的自动化钻井井场监测系统，具有如下有益效果:
[0051]1、本申请的钻井井场监测系统采用无线方式进行数据传输，能够灵活快速进行安装，协调器节点采用USB接口形式，即插即用，且携带方便，司钻显示器和监控计算机通过wifi无线传输方式，更大程度地节约空间，后期维护便利，且极大降低了工程造价，提高了工作效果。
[0052]2、本申请的无线传感器网络节点采用双电源供电模式，电池的续航能力极大提升，且传感器节点设备中耗电量最大的就是Zigbee无线通信，本申请中Zigbee无线通信模块在工作模式、冬眠模式和梦状态模式之间进行转换，遵循低功耗的原则，耗电量少。
[0053]3、本申请的协调器节点采用航空接头作为数据传输口，具备传输传感器信号、代码下载等功能，接口简单，功能强大。
[0054]4、本申请系统中多有元器件和硬件设备均满足-40°C?80°C的工作温度，且具备一定的防爆、防尘、防水、防震设计，适合环境较为恶劣的野外使用。
[0055]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种自动化钻井井场监测系统，其特征在于，包括无线传感器网络节点(I)、协调器节点(2)、司钻显示器(3)和监控计算机(4)， 所述无线传感器网络节点(I)具有一个或多个，且设置在钻井井场监测区域和井口设备上，用于采集钻井参数，并将所述钻井参数通过短距离无线通信方式传输给协调器节点(2)，其中，所述钻井参数的数据为数字信号； 所述协调器节点(2)用于管理无线传感器网络，所述协调器节点(2)包括USB接口和USB转串口模块(25)，所述USB接口插接在司钻显示器(3)上，并用于将所述钻井参数传输给司钻显示器(3); 所述司钻显示器(3)用于显示钻井参数，并将钻井参数通过无线通信方式传输给监控计算机(4)； 所述监控计算机(4)用于对钻井参数进行同步监测、数据分析和数据存储。2.根据权利要求1所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述无线传感器网络节点(I)包括传感器模块和电源模块，所述传感器模块用于采集钻井参数，所述电源模块用于为传感器模块供电； 所述电源模块包括壳体(14)、双电源(11)、芯片(12)和传感器接口(13)，所述双电源(11)和芯片(12)设置在壳体(14)内，所述传感器接口(13)设置在壳体(14)外壁上； 所述芯片(12)包括电源管理元件(121)、第一微处理器(122)、第一 Zigbee无线通信模块(123)和第一外围电路模块(124)，所述电源管理元件(121)用于控制双电源(11)自动切换，所述第一微处理器(122)用于对所述钻井参数进行处理，将处理后的钻井参数通过第一Zigbee无线通信模块(123)传输给协调器节点(2)，并用于设置所述第一Zigbee无线通信模块(123)的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述短距离无线通信方式为Zi gbee无线通信方式，所述第一外围电路模块(124)用于显示所述第一 Zigbee无线通信模块(123)的网络指示状态及接收数据包指示状态； 所述传感器接口( 13)用于与传感器模块相连接。3.根据权利要求2所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述传感器模块包括一个或多个传感器，所述传感器的种类根据监测参数进行选择。4.根据权利要求3所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述传感器为压力传感器、钩载传感器、绞车传感器、栗压传感器、钻井液液位和流量传感器、气体传感器中的一种或多种。5.根据权利要求2-4任意一项所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述协调器节点(2)还包括第二微处理器(24)、第二 Zigbee无线通信模块(22)和电源(21)，所述第二微处理器(24)用于控制所述传感器节点中的设备的睡眠与唤醒，将所述钻井参数传输给司钻显示器(3)，并用于设置所述第二 Zigbee无线通信模块(22)的工作模式、冬眠模式及梦状态模式，所述第二 Zigbee无线通信模块(22)用于接收所述第一 Zigbee无线通信模块(123)传输的钻井参数。6.根据权利要求5所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述协调器节点(2)还包括第二外围电路模块(23)，所述第二外围电路模块(23)用于显示所述第二 Zigbee无线通信模块(22)的网络指示状态及接收数据包指示状态。7.根据权利要求6所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述第二Zigbee无线通信模块(22)与第二微处理器(24)之间通过第一通用异步收发传输器连接。8.根据权利要求7所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述第二微处理器(24)与USB转串口模块(25)通过第二通用异步收发传输器连接。9.根据权利要求6-8任意一项所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述系统还包括一个或多个路由器，所述路由器设置在无线传感器网络节点(I)和协调器节点(2)之间，用于接收传感器模块采集的钻井参数，并将所述钻井参数转发至协调器节点(2)。10.根据权利要求6-8任意一项所述的自动化钻井井场监测系统，其特征在于，所述司钻显示器(3)和监控计算机(4)之间的无线通信方式为wifi无线通信方式。
【文档编号】G08C17/02GK106060151SQ201610486454
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】刘策, 于庆栋, 仇春松, 郝永杰, 梁任岳
【申请人】贝兹维仪器(苏州)有限公司