石油公司正在持续不断地在努力改善运营，通过尝试新科技和工作流程提高生产效率、增强安全性以及减少成本。他们面临的挑战是在一个监管前所未有严格的环境里，管理不断变得更加复杂的生产硬件。许多机器和工艺部分需要监控，不过人工的观测很慢、不定时而且容易因为疏忽而不精确。
　　解决途径是采用机械式监控器减少错误、提高速度，在有些情况下提供近乎连续的数据流。这个解决方案的一个关键点是无线传感器网络（WSN）,它正被用在炼油厂、石油化工厂、陆上油井现场和回收站、海底建设以及海上石油与天然气平台。
　　传感器和仪表网络在石油与天然气行业里的成功扩展是技术融合的结果。随着有线传感器系统的成本问题逐渐显露，新的科技已经激发了无线传感器网络的安装，由于显微机械加工技术的带动，创造了比以往更小的、耗电量低的传感器。计算机能力也变得微型化并植入到各种目标当中。不同的网络协议优化了这些微型计算机分享信息和资源的方式，并促进了更加有效的合作。传感器通过使用无线技术链接起来，这些无线技术可以以较低的数据传输速率使用无所不在的传感器网络，例如RFID、ZigBee以及蓝牙；更高的数据传输速率包括Wi-Fi网络、移动电话、卫星通讯。
　　传感器网络将数据送给那些“数字油田”，其关注于将信息科技用到石油产业的目标上。目的是油田开发的最大化、消除非生产时间、通过数据共享和整合工作流程提高盈利能力，这些都经常要涉及到自动化和与云相连接的解决方案。无论是有线还是无线方式，连接性都是关键。在下游部门中，通过传感器网络获取的数据被整合到生产设施的闭环控制中。
　　工程设计面临的挑战
　　现在的挑战是在满足全部监管要求的前提下对机器和系统进行远程监控，同时需要处在恶劣的环境下，还要保证人员和环境的安全。工程师想要安装、设置简单的性能可靠的传感器系统，并且可以以低成本提供有价值的数据。更好的数据会给人员、部件和工艺带来更加精确的计划和日程安排。
　　油田的传感器网络可以提供早期漏油检测并配有自动报警，还可以监控管线的完整性和碳氢化合物的流动。石油与天然气行业里到处可见旋转设备。状态监控是在机器工作的时候判定其状态的过程，可以使问题部件在故障之前进行维修或替换。传感器可以用在状态监控中对机器故障进行检测、分析和诊断。
　　涡轮机、压缩机和大型电机现在一般都装备有线的、在线状态监控及保护传感器系统。不过震动监控采集的动态数据阵列对无线传感器、网络和相关的组件提出了独特的要求，要求带宽大、动态范围广、噪音低以及处理能力水平高。

图1：无线技术图示。图片来源：SKF公司

　　传感器、节点与网络
　　大多数传感器是微机电系统（MEMS）。无线网络中的传感器节点可以做到采集、处理信息，并与其他节点进行通讯。一个传感器节点也被称为“微粒”，包括了一个微控制器（比微处理器的耗电量低）、一个收发器（发送器和接收器）、外部存储器（闪存）、电源（电池或可再生的）以及一个或多个传感器。请注意一个微粒是一个节点，不过一个节点不一定就是一个微粒。
　　网络拓扑结构主要包括线性阵列、星形（中心和辐射线）、或混合网状设计（使用耗电高和耗电低节点的模式）。全部的节点都是路由器而且不需要一直工作。例如，它们可以通过程序设定定期“唤醒”并构成一个网状网络，采集和传输信息，然后再次关闭以节省电量。限行阵列可以很长，经过多个（25-50个）数据中继跳跃直到基站。
　　泛在传感器网络（USN）指的是一个由智能传感器构成的网络可以在任何地方使用。一个USN包括小规模的传感器节点和有限的耗电要求，机动的并可以承受恶劣的环境条件。它具有一个动态的网络拓扑，节点的类型多种多样，并可以大规模的部署。
　　一个USN包括一个传感器网络（传感器加上电源进行数据传输）；一个USN接入网络（中间或“水槽”节点从一组传感器收集信息）；网络基础设施；USN中间件（用于采集和处理数据的软件）；以及一个USN应用平台。
　　无线传感器网络
　　企业部署无线传感器是因为它们比传统传感器便宜得多，需要的安装时间更少且可以联网。所以准备实施无线解决方案的第一步是进行一个成本收益分析。
　　SKF公司的Marty Herzog指出在陆地上的工厂里安装联网的、有线连接的传感器的费用可以高达一台加速度计费用的15倍。对于海上安装，安装一个有线连接的系统的费用可能高达一台加速度计费用的20到30倍。因此使用无线传感器等于让每一个测量点节省大约1500美金。“无线传感器通过缩短实现一口油井自动化所需要的时间，并提供连续的监控解决方案为石油与天然气生产商提供了帮助。”ON World研究总监Mareca Hatler说道。
　　无线传感和控制系统越来越多的部署在勘探、生产、管线和罐区生产中。他们被成功的用在预测性维护以及检测和防止健康与安全问题上。WSN采集的信息可以引导创新解决方案和工厂生产优化的进行。
　　下面是一些真实世界的案例，展示了无线传感器的应用如何促进生产。
　　井口监控
　　在井口使用传感器可以提供连续的监控并增加信息的有效性。也消除了操作员手动读取压力表数据的需要。BP公司在其位于英国Wytch Farm的其中一个油井现场安装了一个由40台无线Rosemount压力变送器构成的智能无线网络，用来连续监控井口压力。花了不到8个小时就拆除了旧的仪表并安装和标定了无线传感器。
　　BP的经理Chris Green说，“Wytch Farm对BP来说是一个至关重要的试点项目，通过它可以验证自组织的无线网络技术是否适用于其他类似的项目。这个安装成功以后，BP计划在海上平台的类似应用场合安装艾默生公司的智能无线变送器。
　　墨西哥国有公司PEMEX曾经动用一组人员监控数千个分散的不同陆上油田井口的温度和压力。该公司想要一个解决方案可以将1420台位于偏远井口的无线HART现场设备连接到其控制系统。Cooper Bussmann的ELPRO提供了一个高速无线解决方案，并部署了一个900MHz远距离以太网，使用945U-E工业以太网调制解调器解决这个问题。
　　一家位于澳大利亚昆士兰的大型煤层气供应商将其数千个矿井每年的LNG的产量提高到1200万公吨。该公司需要及时的生产数据、关闭矿井的能力、减少现场人员以及提升安全性。其解决方案是在数百个矿井之间架设了一套无线控制网状网络，在RDC500标准化井口引入了Cooer Bussman的ELPRO无线电。该无线电设计使用一个由无线接入点中继器站点构成的网络。每个站点采集煤层气流量、水流量、压力以及温度，并且可以关闭阀门或泵。
　　泄漏检测
　　在大的现场使用便携式泄漏检测器进行泄漏检测很困难。在比利时Geel的一个生产中心，BP最近使用艾默生过程管理公司提供的碳氢化合物传感器和智能无线技术来代替每天两次的步行巡查。泄漏监测系统由艾默生的Rosemount702无线独立变送器以及Pentair公司的Fast Fuel传感器和TraceTek的传感器电缆组成。
　　如果一个传感器检测二甲苯或苯，相配套的变送器向网关发送一条报警信号，再从网关发送到控制室，在那里操作员可以决定接下来采取什么样的操作。该无线系统是由BP的维护团队安装的，而且相比安装一套传统的有线连接的传感器系统所需要的费用和时间，使用该解决方案估计节省了50%的费用以及90%的时间。
　　管线完整性
　　BP的沥青公司处理了一起事故，其中位于澳大利亚布里斯班附近的炼油厂的常规燃料系统被关闭。临时LPG储罐仓促投入使用，BP使用智能无线技术监控转移管线的完整性。Rosemount无线压力变送器被快速部署用来管理燃料输送，同时使用温度变送器监控热沥青的流动。这些传感器被设计成立即向控制室内的操作员汇报意外状况，所以无线监控保持沥青工厂运行，每天为BP节省生产损失15600美元。
　　震动监控
　　传感器网络同样可以被用来监控震动，相比诸如测量温度或压力这样的纯数量的过程参数更加复杂。BP选择在其石油罐区安装Crossbow科技公司的基于MEMS的惯性传感器来监控引擎的震动。无线传感器网络取代了人工传感器读数，提供更持续的测量、更少的错误，最终结果是更低的机器维护成本。这证明了在恶劣环境下WSN的可靠性，因此被认可并获得BP的Helios奖。
　　状态监控
　　无线系统可以用来监控例如电机、泵以及风机等旋转设备，它们一般都是人工通过便携式数据采集器来进行监控的。去年，SKF推出了一款无线机器状态传感器，在一个紧凑的电池供电的设备里面集成了传感器、数据采集器和无线电。它可以被用来将基于状态的维护工作扩展到那些因为安装有线系统成本过高而被禁用的区域，同时使得现有的过程控制和信息系统可以获得相关数据。为了克服无线通讯的障碍问题，传感器可以配置为路由节点，允许它们传递来自于其他传感器（网格网）的数据。传感器使用无线HART通讯协议。
　　SKF的无线机器状态传感器采集三项关键的机器状态数据：温度（代表润滑问题、摩擦增加、研磨等等）；机器整体状态（位置不准造成的震动、不平衡、机械松动等等）；以及旋转部件轴承状态（可以进行损伤检测和分析，目标可以是球体/滚轴、罐笼、以及内部和外部辊道）。

图2：SKF的无线机器状态传感器采集温度、机器整体状态以及旋转部件轴承。它具备ATEX的0区认证。

　　海底环境
　　海底建设使用联网的传感器和执行机构监控石油生产，既可以实现预防或检测石油及天然气泄漏，也可以促进油井的产品流量和产量，不像传统传感器那样体积大且部署在海底很昂贵。
　　苏格兰的8所大学曾参与过一个为期5年的合作项目：从2009到2014年的苏格兰传感器系统中心（S3C）。阿伯丁大学和罗伯特高登大学的科学家们研究了被用在偏远的海底建设上的不同类型的传感器系统。
　　阿伯丁大学的项目领导Richard Neilson博士说该大学专注于开发“创新的海底技术，会帮助提供新的或者提升现有的基于传感器的被用于工业领域的产品。”
　　2014年5月，Neilson在阿伯丁的机械工程师协会的海底工程会议上展示了S3C的工作。他说道未来的海底传感器系统网络会需要提供的生产数据包括流速、压力、温度、状态数据、腐蚀以及执行机构状态。S3C之后是一个新的大学合作项目，位于格拉斯哥的传感器和成像系统中心（CENSIS）。
　　微型化：未来之路
　　电子控制系统方面的科技进步：微型化（小型节点：加州大学伯克利分校的“智能尘埃”）提高了通讯能力并降低了成本，会在可预见的未来带动传感器发展和传感器市场的增长。最终，我们会看到完全集成的、嵌入式传感器和标准的工业协议。然而，无线传感器网络的发展意味着更多的数据被采集，而如何适当地分析和管理这些大数据会一直是一种挑战。（作者：Nina Rach）

　　微小传感器
　　“智能尘埃”是一项迅速发展的科技，包括一个无线通讯的微小传感器的系统。在1988年，加州大学伯克利分校的研究人员从美国国防部高级研究计划局获得资助开发和制造体积为1立方毫米（比一粒大米谷粒还小）的无线传感器节点。这个智能尘埃项目已经带动了许多其他的研究方向。
　　惠普公司使用该公司在过去25年间开发的流体MEMS技术，一直在研究一项新的惯性传感器技术，并认为它是“突破性的纳米级传感器研究”。在2010年，惠普宣布将要在全球部署一万亿个传感器的项目，被称为“地球中枢神经系统”（CeNSE）。
　　在CeNSE技术最初的商业应用中，惠普与壳牌公司合作开发下一代、陆上安装的、无线地震数据采集系统。通过大幅提成地震数据成像的质量，惠普说该新系统会让壳牌以更加简易和经济有效的方式开发困难的油气储层。他们计划开始阶段安装一百万个包含超级敏感的、耗电低的MEMS加速度计在内的火柴盒大小的传感器节点来测量15.5平方公里范围内的岩石震动和运动。
　　2013年新型微小传感器成功通过了在美国地质勘探局位于新墨西哥州的阿尔伯克基地震实验室进行的测试，壳牌的Dirk Smit重申“经济有效的、灵活的部署地震传感器网络”的必要性，还说道，“与惠普的合作展示了壳牌通过积极的合作推动创新科技解决方案的战略方向。”
　　无线传感器网络在石油与天然气生产中最适合的应用场合：
　　■ 井口自动化。
　　■ 井下传感器。
　　■ 地震勘测。
　　■ 管线运行。
　　■ 腐蚀监控。
　　■ 结构完整性监控。
　　■ 设备震动分析。
　　■ 罐区监控。
　　需要考虑的最重要的因素：
　　■ 即插即用的连接。
　　■ 安装计划会引起最小的破坏。
　　■ 扩展简便的网络。
　　■ 性能可靠–重叠及错误容忍度。
　　■ 电源管理–长寿命电池系统、能量清除模块。