（机械设计及理论专业论文）基于gprs的分布式油田远程监控系统研究与实现.pdf

基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 摘要 网络和通讯技术的迅速发展，有力地推动了分布式油田自动化管理水平 的提高。采用无线监控系统实现对井场的数据采集、运行状态监控、措施方 案制定己成为一种必然趋势。本文提出和设计了一种基于g p r s 通讯方式的 分布式油田远程监控系统设计方案，旨在实现对分散式油田的数据采集传 输，提高油田的防盗能力和管理水平。 本文立足于陕北延长油田，分析其当前管理系统存在的弊端，提出了利 用多传感器信息融合技术、移动通信技术结合计算机技术，构建分布式无线 远程监控系统，提高管理效率，减小人为损失，防止偷盗油现象的发生。 首先，提出系统的总体设计方案，并将监控系统分为三个部分：数据采 集模块、数据传输模块、数据处理与监控模块。其次对g p r s 移动通信技术 进行详尽的研究，介绍了它的技术优势、网络结构、工作原理等，并分段对 数据传输速率进行了优化。另外介绍系统的硬件和软件设计。在硬件设计方 面，努力达到低能耗、高精度、高可靠性指标。重点研究了数据采集和无线 传输模块：选用r i s e n t s 超声传感器，对液位实时监控、准确测量；无线 传输模块采用b e n q 公司的g s m g p r sm 2 3 模块，并构建无线通信网络， 实现数据的透明式传输。 在软件设计方面，从软件的功能、性能、可用性出发，开发一个易于推 广易于使用的产品。对当前流行的数据库软件分析比较，选用s q ls e r v e r 2 0 0 5 作为后台数据库，以v i s u a lb a s i c n e t2 0 0 5 作为开发语言，对油田数据 库优化设计，并开发客户端软件，设计原油计量算法，实现中心控制室对井 场的远程监控。本文设计井网监控系统，旨在进一步发掘g p r s 通信技术的 行业应用潜力，对实现油井的现代化远程监控具有应用和借鉴价值。 关键词：g p r s ，分布式油田，实时监控，远程监控，监控中心 本文得到陕西省教育厅产业化项目( 0 7 j c 0 5 ) 资助 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t 2 t i o no f t h ed i s t r i b u t e do i l w e l ld a t a t r a n s p o r ts y s t e mb a s e do ng p r s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h el e v e l o fa u t o m a t i cm a n a g e m e n ti s g r e a t l yp r o m o t e di n t h ed i s t r i b u t e do i l w e l l a d o p t i n gw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mt oc o l l e c to i lw e l ld a t ea n dm o n i t o rt h e w o r k i n gs t a t e sh a sb e c o m ei n t oa ni n e v i t a b l et r e n d 砀ep a p e rp u t sf o r w a r da n d d e s i g nas c h e m eo f r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o rt h ed i s t r i b u t e do i l w e l lb a s e d o ng p r s ，w h i c hc a nc o l l e c ta n dt r a n s m i td a t eo fo i lw e l l s i tw i l lb eb e n e f i tt o e n h a n c et h em a n a g e m e n tl e v e lo ft h ed i s t r i b u t e do i l - w e l la n dm a k eg r e a t c o n t r i b u t i o n st ot h ee c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tm a n a g e m e n ts y s t e m sd i s a d v a n t a g ei n s h a a n x iy a n c h a n g p e t r o l e u m ( g r o u p ) c o l t d ，w ep r o p o s eas o l u t i o nw h i c h c o m b i n et h eu s eo fm u l t i s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g y , m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n de s t a b l i s had i s t r i b u t e dw i r e l e s s r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，w h i c hc a ni m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a n a g e m e n t ， r e d u c et h ea r t i f i c i a ll o s s e s ，a n dp r e v e n tt h et h e f to fo i l f i r s t ，t h es y s t e md e s i g np r o g r a mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sd i v i d e di n t ot h r e e p a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，a n dd a t ap r o c e s s i n g a n dm o n i t o r i n gs u b s y s t e m t h e nd e t a i l e ds t u d yo ng p r st e c h n o l o g i e so fi t s t e c h n i c a ls u p e r i o r i t yi sc o n d u c t e d ，t h en e t w o r ks t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e ， a n do p t i m i z et h er a t eo fd a t at r a n s p o r t f i n a l l y , h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h i ss y s t e ma lei n t r o d u c e d a b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t oa c h i e v et h et a r g e to fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， h i 曲p r e c i s i o na n dh i g hr e l i a b i l i t y , t h er i s e n - t su l t r a s o n i cs e n s o r , b e n q g s m g p r sm o d u l e ，t og a t h e rt h ed a t aa n dc o m p o s et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o n a r ec h o s e n i nt e r m so ft h es o f t w a r ed e s i g n ，ap r o d u c ti ss t r i v e dt od e v e l o pa n e a s y - e a s y t o u s ef o l l o w i n gt h ep r i n c i p l e s o f f u n c t i o n a l i t y , p e r f o r m a n c e ， a v a i l a b i l i t y u s e dv b 2 0 0 5a st h ed e v e l o p m e n to fl a n g u a g e ，d i v i d e di n t oc l i e n t s o f t w a r ea n dd a t ac o l l e c t i o nc e n t r et w o ，a n db a c k g r o u n d u s i n gs q l 2 0 0 5 d a t a b a s e ，d a t am a n a g e m e n ta n dr e a l t i m e m o n i t o r i n go ft h e o i l w e l l t h e d i s t r i b u t e do i l w e llr e m o t es u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mt h a tw a sd e s i g n e di nt h i s p a p e r h a sf u r t h e r e x p l o r e d t h e p r o f e s s i o n a la p p l i c a t i o n o ft h eg p r s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n di ti s v e r yh e l p f u l t or e a l i z et h ed i s t r i b u t e d o i l w e l la u t o m a t i o nm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：g p r s ，t h ed i s t r i b u t e do i l w e l l ，r e d t i m ec o n t r o l ，r e m o t e s u p e r v i s i o n ，c o n t r o lc e n t e r t h i sp a p e ri ss u b s i d i z e db ys h a a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n ti n d u s t r i a l i z a t i o np r o j e c t ( 0 7 j c 0 5 ) l v 基tg p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：别建辛 日 期： 2 0 07 年嘲 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 型l 建章导师签名：乞左当叁日期：2 0 0 上年嘲 基丁g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 1 绪言 1 1 课题研究背景及意义 能源是一个国家经济发展的命脉，它，“重制约着工业化进程的步伐。而石油能源又 被誉为“工业的血液”，因而一个国家石油的储量将很大程度影响该国经济发展的速度。 莅油韵重要性与不可再生性使得世界各国一方面想方设法扩大占有资源，另一方面在增 产增效，提高管理水平、减少跑冒滴漏方面深挖潜力。我国是一个石油资源不十分丰富 的国家，自1 9 9 3 年开始，我国便超越r 本成为仅次于美国的世界上第二大石油进口国。 能源机构预测显示，为了保持高经济增长势头在2 0 4 0 年，中国将有8 7 的原油依赖 于进口。 我国相当一部分油田的井场属于相距较远的分散布局，各井场储油罐相距较远，独 立储存，汽车运输。当前多采用看井工人工管理和统计每开原油灌的储存量，缺少必要 的监控手段，所以错报漏报甚至瞒报现象时有发生。从而使得不法分子有机可乘，方便 其作案。分布式油田指的是油井数量多且分4 l i t k 较零散，各个井场之间相隔几十甚至上 百公里，分散稚局在各个山头或沟壑，每个井场有自己的储油罐，且相对独立( 陕北油 田现状如图l i 所示) 。通过拉油车将原油运输到储油中心，而非用管道输送。目前这类 油田大多采用人工管理方式，每个井场派驻一个人员，记录油量并作一些阿常的维护。 我省的延长油田有一部分便是分柿式相局由于缺少必要的监控，看井工人经常会伙同 当地农民偷盗原油、变压器等财产使得公司蒙受巨大的损失。 囝1 i 陡北油日现状 f i g l - 1t h ec u r r e n c ys t a t eo f o i l - w e l l i n n o r l h e ms h a a a x i 我省志丹县地处陕北黄土高原延安市的西北部，境内沟壑纵横，石油储量十分丰富。 1 9 9 7 年，延长油矿管理局在志打县成立了西区勘探开发指挥部( 简称西区指挥部) 地 跨该县三乡两镇。就在国家对当地石油资源进行开采的同时，陕、甘两省交界处的儿个 乡镇也组成了一支庞大的偷油队伍，贩油车遍布各村各峁，收油点遍地开花。 随着石油短缺、价格上涨，当地一些农民甚至靠偷油度同，并延续至今。据当地人 陕两科技人学硕i j 学位论文 透露，这些地方的农民多数都靠偷油度同，只有少数人还在种田。由于广东等地闹油荒， 有人将油先贩卖到山西、成阳、郑州等地，然后再拉往广东，一般是以1 5 0 0 元屯至2 0 0 0 元吨的价格从收油点或小炼厂收购，再以6 0 0 0 元吨或更高的价格卖出。假如用8 到1 0 吨装载量的拉油车，每车油卖出去净赚3 万元。村民偷油的主要对象是延长油田和 长庆油田的散矿。偷油的村民一般是四五人组成一伙，结伴用蛇皮袋去“背油”。 另外一种赚取巨额利润的方式是在运油车上做手脚。在陕西志丹县，很多拥有运油 车的个体户在3 2 吨的油罐车里面加入了钢板，表面看是3 2 吨，实质上只能装2 4 吨。外 地人前来买油，一个大油罐车至少要损失七八吨。近年来，由于原油货源短缺，一些正 规、合法的炼油厂和化工厂亦成了盗油犯罪的销赃点。甚至，有的本地厂家见犯罪分子 把原油销赃n 多 i - 地而倍感不平，于是他们放任或怂恿犯罪分子到其处销油。有的化工厂 还派人晚上到犯罪分子指定的地点接车，共同犯罪的倾向十分明显，无形中助长了犯罪 分子的嚣张气焰。 按照每口井每天损失2 吨油，每吨2 0 0 0 元计算，一年每口井将损失1 4 0 多万元，而 在当地，延长油田有将近2 0 0 0 口油井，其损失之大难以估算。 不仅在我省，由于全国油田有一部分属于分散式布局，管理相对落后，从1 9 9 3 年发 生第一起打孔盗油的案件一直到2 0 0 3 年7 月底，全国在十年间共发生打孔盗油的案件 3 8 4 7 起，造成了1 亿1 千万元的巨大的损失( 据中国石化提供的资料) 。 日益猖獗的原油偷盗犯罪不仅使政府遭受巨额经济损失，给社会带来不稳定因素， 而且使外资对我省石油的勘探和开发望而却步，这也是大多数石油跨国公司逐渐由陆上 石油转向深海石油开发的原因之一。 国民经济的高速发展，使得市场对石油的需求也日益增多，面对市场经济中石油企 业之间的激烈竞争，如何采用集中化、自动化、网络化的技术手段来对分布式油田的计 量与防盗进行监控，进一步降低生产运行维护成本，提高工作效率，以取得更好的经济 效益，是分布式油田面临的新挑战。 通过对油田的实地考察并与相关人员具体交流，得知现油田迫切需要解决的问题是 计量不准与偷油漏油问题。目前的计量统计系统全部采用人工测量填写，手段原始，效 率低下，从井场工人到采油大队到总公司逐级上报。由于井场分布广，又缺少必要的监 控手段，所以错报漏报甚至瞒报现象时有发生，以致造成虚假的数字，为油田高层领导 正确了解下请、做出科学决策造成很大的障碍。为此油田也曾下力整改，但收效甚微， 所以依据先进科技手段建立一套无人值守计量系统是十分必要的。与此同时，偷油现象 也十分猖獗，使得增产增效实现困难，国家资源流失，生产成本居高不下，职工收益下 降。所以在建立科学计量统计系统的同时附设偷油防盗报警功能，将会使整套系统更加 完善和实用。 2 基丁二g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 分布式油田远程监控系统就是分布式油田自动化的一个重要组成部分。因此，在分 布式油田防盗和计量过程中，如何有效地利用自动化监测技术，实现对众多分布式油井 的远程监控，提高生产效率与生产管理水平，是自动化技术在分布式油田生产中面临的 重要课题。 1 2 国内技术的发展状况 在无线传输数据方面，曾一凡工程师是采用g s m 网络【i 】，传输传感器测得的数据。 而g p r s 作为第2 5 代无线通信方式，是一种基于g s m 的移动分组数据业务，面向用户 提供移动分组的i p 或者x 2 5 连接。g p r s 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换数 据承载和传输方式，与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明 显的优势：更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输； 支持的数据传输的速率更高，于现有g s m 网9 6 k b s ，理论峰值可达1 7 1 2 k b s 【2 】；计费 方式更加灵活，可以支持按数据流量来进行计费；建立连接之后一直在线，无流量时不 占用频带资源；g p r s 还能支持在进行数据传输的同时进行语音通话等等。而且g p r s 提供了无缝、直接i n t e m e t 网连接，使得通信的一端可以是连接在i n t e m e t 上的某一设备 【3 l o 随着数据无线传输需求的骤增和中国移动g p r s 业务全面投入运营，无线数据通信 的应用越来越广泛。g p r s 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永 远在线和按流量计费等优点，且其本身就是一个分组型数据网，支持t c p b p 协议，无需 经过p s t n 等网络的转接，可直接与i n t e m e t 网互通1 4 】。因此g p r s 业务在无线上网、环 境监测、油田监控等行业具有无可比拟的性价比优势 s 1 1 6 1 。 在原油计量方面，目前，国外及国内的大型油田( 如大庆、胜利等) 的原油均采用 管线运输，集中储运与管理( 属于井场集中布局的模式) ，所以，计量较准，管理相对规 范。原油计量是油田开发生产中的一个重要环节，2 0 世纪8 0 年代末石油系统在原油计 量管理上推行了三级计量( 即分厂计量、分矿计量、分队计量) ，采用单独计量、计算管 理模式。该模式对于当时国内各油田都处于开发中期环境下，原油生产计量、外输交接、 生产管理与决策起到了很大的作用f 7 l ：李昌岭工程师用流量剂对原油进行实时测量，用 标量体积管来完成对流量剂的在线标定f 8 j ；刘晓良工程师采用三相工艺流程对原油进行 测量，用油气分离器和压力平衡器对液位进行标定 9 1 ：侯鹏倩工程师应用靶式流量计的 原理，对原油计量中的密度进行了修j 下，解决了含有泥沙杂质的原油计量问题( t o l 。长庆 气田采用差压式孔板流量计，实现了计算机连续测量，保证了计量的准确性【l l 】。袁波等 人应用玻璃管液面计量法，并结合研发的e c h 0 5 4 0 1 r i u 远程终端单元控制，编写应用 程序，实现对油田的遥控、遥测、无人值守的目的f 1 2 】。胜利油田采用超声波流量计对大 管径天然气监控，为西气东输提供了技术保障m l 。 陕两科技大学硕i ：学位论文 在原油防盗技术研究方面，国内目前的研究主要集中在对原油的管道运输防盗上。 大港油田应用声波原理，以管道做信道，大地做回路实现了原油防盗及阴极保护参数自 动遥测监控系统，可实时对原油输送管道及阴极保护参数进行有效的检测【- 4 】。华北油田 安装数字视频监控系统，以视频替代了操作人员的巡视0 5 1 。李华工程师在长庆油田采用 瞬态负压波法，实现长输管道的泄漏定位，并实时反馈各控制中心【- 6 l 。孔令波工程师在 胜利油田应用流量预警器，开发了单井防盗报警系统p 7 。 纵览国内关于油田原油防盗与计量的研究现状及发展趋势，为油田原油防盗与计量 远程实时监控方面的研究奠定了扎实的基础。但在迅速发展的同时还应当看到对于集中 式储油的管线运输防盗与计量问题研究的相对较多，而对分布式井场原油防盗与计量和 现场设备防盗的研究相对较少。 1 3 目的和意义 针对分布式油田中存在的问题，我们提出了分布式油田远程监控系统的方案。该系 统的应用具有以下重要意义： ( 1 ) 将人工计量改为自动连续计量，杜绝了人为错报漏报等现象，能够提供更准 确更实时的油罐储油资料。 ( 2 ) 在油罐出油口及变压器等设备上安装传感器，实时监控其状态，从根本上遏 制了偷盗的发生，并做到准确及时报警，从而改善当地的社会风气。 ( 3 ) 实现计量站无人值守，减员增效，彻底改变计量站生产作业制度。 ( 4 ) 在现场生产自动化的基础上，实现中控室信息处理自动化，提高管理水平。 本课题来源于陕西省科技厅产业化项目，立足陕西，针对陕北延长油矿管理局原油 储运特点，结合实际，实用性强，可为我省能源的健康持续发展做出应有的贡献。 1 4 研究的主要内容 分布式油田原油防盗与计量远程监控系统就是要实现在生产管理控制中心，对分散 在各局部地域储油罐的实时监控，随时掌握各油罐的储油量及总体储油量，同时若有被 盗及时报警的功能，为管理者提供科学准确的决策依据，主要的研究内容有： ( 1 ) 储油罐液面的探测 油罐内部液面的变化直接反映着原油的储量和正常、异常放油的情况，因此，对原 油液面探测是系统实现的前提和关键。虽然有探测传感的产品，但是，油罐长期在野外， 风沙大，温差大，环境恶劣，因此，还必须研究在恶劣环境下工作，非接触式探测容积 变化的模式、方法，以及工作的准确性、可靠性和安全性等问题。 ( 2 ) 数据采集 通过传感器将液位变化的物理量、油罐阀门开启位置的变化量和红外探测器的状态 4 基t - g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 量转换为数字量，对数据实时采集、整理、前期运算处理，为数据传输奠定良好的基础。 针对液位采集点的数据量、阀门报警数据及井场设备报警等数据设计数据卡，并研究数 据采集卡在无人值守环境下，不易发觉、不被破坏等安全保障问题。 ( 3 ) 无线数据传输 由于各井场分散式布局，距离远，地形地貌复杂，从经济安全角度考虑，采用无线 数据传输技术。利用g p r s 网络，建立无线通信通道，把所采集的数据上传到监控中心。 ( 4 ) 原油计量运算模型的建立 根据间歇传送到控制中心的数据，即时分析计算出各个井场油罐的储油量以及全部 井场油罐的总储油量，其中运算模型的快速、实时和准确是主要研究的内容之一。 ( 5 ) 建立可靠的防盗报警系统 原油的防盗报警是首先要实现的功能，从三方面入手，一、研究放油阀门异常开启 的报警，即开关报警量；二、研究红外探测器的非正常时间异常报警。三、研究液位在 非正常时间，异常变化的报警，即模拟数字报警量，从而实现双重的原油防盗报警。考 虑现场经常也有其他设备被盗的现象，同时也要研究诸如变压器、电机等设备的防盗报 警功能。 ( 6 ) 最佳参数的优化及各类统计报表的建立 通过对油田现场实地的深入调查和研究，寻求对井场设备最佳运行参数的监测与控 制；利用流量的变化规律，探求液位变化的间隔时间段，实现对设备进行间歇控制运行， 从而达到节能降耗的目的；通过对原油流量、电机等设备电流变化规律的监控统计分析， 分析归纳出相对应的油井工作状态分析图，每口油井的实时液位变化图、油井产量实时 变化图，月、季度、年报表的汇总及输出打印等。 ( 7 ) 构建分布式油田原油防盗与计量远程监控系统 在各功能模块实现的基础上，运用计算机编程建立监控系统，实现在监控中心的及 时防盗报警和原油计量统计和输出打印。 本论文主要包括四部分的工作：下位机数字信号及模拟信号的采集与处理的软、硬 件设计：上位机监控系统的软件设计与调试；利用远传数据进行石油计量及防盗分析； 无线通信监控系统其它功能的实现。 s 基t - g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 2 总体方案设计 油田监控系统主要有两大功能：原油的计量和防盗。在一些大型的集中式的油田比 如大庆、胜利等，管理自动化程度较高，而在分布式油田方面，国内还是一片空白。本 文在系统方案设计上，考虑以无线数据传输网络为基础，以传感器技术为手段，辅以计 算机技术，构建一套较先进的分布式油田远程监控系统。该系统主要由三个部分组成： 数据采集模块、数据传输模块、数据处理与监控模块。 2 1 系统实施基础条件 该系统是一个全天候、2 4 小时运行的生产设备监测控制系统，而数据传输网络是整 个系统赖以j 下常运行的基础。因此，系统方案的实施应基于以下基本条件： ( 1 ) 局域网已铺设到所有基层采油小队、采油矿、采油厂。 ( 2 ) 连接到以上各基层应用单位的局域网是安全、可靠的，不能出现时断时续的情 形。 ( 3 ) 中国移动的信号连续、稳定的覆盖分散式井场所在地周围。 2 2 系统工作原理 本系统由两部分组成：一是无线远程防盗系统；二是无线远程计量系统。无线远程 防盗系统由红外线警戒探测器、接近开关、a t m e g a 6 4 l 型m c u 、b e n qm 2 3g s m g p r s 模块等组成。其中红外线警戒探测器用来监控是否有人非法进入井场，接近开关用来监 控油罐阀门是否处于正常开启状态，如有异常报警立即采取行动。无线计量系统由超声 波液位传感器、a t m e g a 6 4 l 型m c u 、b e n qm 2 3g s m g p r s 模块等组成。 这两个系统可捆绑在一起使用，又可独立分别使用。同时又可以利用建立起来的通 道传递示功图、控制抽油机的运行、检测设备状态等。将传感技术、数据采集技术、g p r s 和计算机技术结合，建立一个油田原油防盗与计量远程监控系统。在每个油罐顶部安装 液位传感器，数据采集模块采集液面的高度值，然后通过g p r s 发射终端接入i n t e m e t ， 通过t c p i p 协议寻址接入监控服务器；利用编制的原油监控系统软件对数据进行分析。 并通过开关状态、红外对射探测器状态对井场安全进行监控。系统技术方案示意图如图 2 1 所示。 系统工作过程：系统上电后，g s m g p r s 通信模块主动与具有独立i p 地址的数据 中心进行t c p 连接，并将之前测量并保存的数据逐条以g p r s 方式发送给数据中心以供 分析和存档；在数据中心再实现数据转换和数据分析处理工作。同时，数据中心也可以 实现对计量防盗系统的命令控制。当g p r s 连接建立时，数据中心可把操作命令按规定 的帧格式发送给计量防盗系统，由计量防盗系统执行命令，并将执行结果以规定的帧格 式回应给数据中心。 7 陕两科技人学硕l ：学位论文 图2 - 1 技术方案示意图 f i 9 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et e c h n i c a lp r o g r a m 2 3 系统构成 2 3 1 系统硬件构成 分布式油田远程监控系统采用g p r s 通讯模式，系统硬件由传感器组、数据采集模 块、数据传输模块、数据中心服务器等组成。 ( 1 ) 传感器组包括超声波液位传感器、接近开关、红外线警戒探测器组成。超声波 液位传感器安装在储油罐顶部，负责采集储油罐液位高度。将接近开关和储油罐放油阀 结合，设计出一种可以显示放油阀状态的阀门。接近开关的开启状态即放油阀的状态， 并把信号传送给数据采集模块。将四对红外线警戒探测器安装在井场四周，形成“红外线 栅栏”，当有人进入井场时，红外线警戒探测器发出报警信号，现场警铃响起，以便工作 人员确认是否为非法盗油者。 ( 2 ) 数据采集模块由主数据采集板和显示键盘组成，如图2 2 所示。主数据采集板 采用a t m e g a 6 4 l 微处理器。一方面它要利用自己的a d 转换器将采集来的模拟量进行 转化，另一方面要对转化后的数据进行存储处理及传输。显示键盘采用z l g 7 2 9 0 处理器。 它的主要功能是设置系统时间，显示实时液位高度，设置服务器的i p 和端口号，调整液 位零点，修改超声波液位传感器的量程，设置井场号等等。系统上电后，数据采集模块 1 0 m s 采集一个数据，采集1 2 个数据之后滤波，取滤波后的1 0 个数据求平均值，然后换 算成实际的物理量，再送往显示屏显示。 ( 3 ) 数据传输模块采用b e n qg s m g p r sm 2 3 通讯模块。系统上电后，该模块首先 通过a t 指令，采用t c p i p 协议连接数据中心服务器。连接建立以后，该模块将数据采 集模块所采集到的数据按一定的数据格式发送给数据中心服务器。 ( 4 ) 数据中心服务器有两个基本功能：一是运行数据库并存储下位机发送过来的所 有数据。二是运行数据中心软件，使数据中心软件处于2 4 小时侦听状态。 8 基1g p r s 的分布式油田逆样监控系统研究与实现 图2 - 2 敷据采集模块 f i 醇- 2 d a t a a c q u i s i t i o n m o d u l e 2 3 2 系统软件构成 分布式油田远程监控系统软件由数据库管理软件、通讯软件、数据处理软件、报警 和事件处理软件、安全控制软件、图形制作软件和图形界面软件组成，功能简介如下： ( 1 ) 数据库是存储数据及数据问逻辑关系的集合体，通过数据库管理系统可以对数 据进行建立、存取和维护，并为用户提供有效的服务。 ( 2 ) 通讯软件主要负责通过设定的通讯规约和接口与现场设备进行通讯，获取现场 设备所采集的数据或向现场设备发送数据和指令。 ( 3 ) 数据处理软件主要负责将通讯软件得到的原始数据按现场采集点的类型进行转 换、判断是否需要产生报警及数据存储管理。 ( 4 ) 报警和事件处理软件负责实现预定的报警效果、对报警和事件进行记录、存储。 ( 5 ) 安全控制软件负责管理系统用户的认证和授权信息，对系统用户进行身份认证 和权限检查。 ( 6 ) 图形制作软件和图形界面软件用于生成和显示用户图形界而。 2 4 系统实现的功能 ( 1 ) 采集数据并处理发送给上位机。包括：液位随度值、接近开关状态、红外探测 器状态。通过传感器将液位变化的物理量、油罐阀门开启位置的变化量和红外探测器的 状态量转换为数字量，对数据实时采集、整理、前期运算处理，为数据传输奠定良好的 基础。 ( 2 ) 现场数采模块具各显示和设黄功能。井场的现场要显示每个储油罐的液位高度。 用键盘设置数据采集模块的参数键盘的主要功能包括设最系统时间，显示实时液位高 度，设置服务器的i p 和端口号，调整液位初始值，修改超声波液位传感器的量程，设置 井场号等等。便于书u 始安装及以后的调试。 ( 3 ) 实现无线数据传输功能。要从经济、安全可靠性等角度多方而考虑，选择台适 陕两科技火学硕i ：学位论文 的数据传输模块，制定合适的通信协议。利用g p r s 网络，建立无线通信通道，把所采 集的数据上传到监控中心。 ( 4 ) 建立原油计量运算模型。数据中心软件要根据间歇传送到控制中心的数据，即 时分析计算出各个井场油罐的储油量以及全部井场油罐的总储油量，以便实现快速、实 时和准确的原油计量。 ( 5 ) 建立可靠的防盗报警系统。原油的防盗报警是首先要实现的功能，从三方面入 手，一、研究放油阀门异常开启的报警，即丌关报警量；二、研究红外探测器的非正常 时间异常报警。三、研究液位在非正常时间，异常变化的报警，即模拟数字报警量，从 而实现双重的原油防盗报警。考虑现场经常也有其他设备被盗的现象，同时也要研究诸 如变压器、电机等设备的防盗报警功能。 ( 6 ) 各类统计报表的建立。包括每口油井的实时液位变化图、油井产量实时变化图， 月、季度、年报表的汇总及输出打印等。 2 5 小结 为实现分布式油田管理的自动化、网络化、实时化，提出了分布式油田远程监控系 统的总体思路和设计方案。根据油田的实际情况，分析了系统方案的实施应具备的基本 条件、系统的软硬件组成以及系统应实现的基本功能。 1 0 基于g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 3 数据采集系统的设计 在第二章总体方案设计中提出了监控系统的组成部分：数据采集模块、数据传输模 块、数据处理与监控模块。本章将详细介绍数据采集模块的设计，内容包括采集模块硬 件设计，传感器的选择及安装，系统软件设计，显示键盘设计等等。 数据采集对本项目而言，主要是指在系统正常运行时，等间隔的取样超声波液位传 感器数值、油罐阀门开启位置的变化量和红外探测器的状态量等。数据格式由这些数据， 以及时间量、井场号、油罐号、起始码和结束码组成。所有的参量采集完毕后，每条数 据的数据量为2 5 个字节。 数据采集完毕后，要传送到监控中心。由于各项参量数据不是独立传送的，所以首 先要采用t l v ( 标识、长度、数据) 的格式对所有的数据按顺序进行编码打包。如果数 据量过大，就要以固定的长度对打包好的数据进行分块，分块的目的是保证每次送入网 络的数据长度适中，易于网络传输，之后再调用数据传输子程序把每块数据顺序发送出 去。 程序功能是完成各路传感器的a d 转换，将数字信号采集到单片机中，经过微控制 器的处理，由其串口送进g p r s 模块，再由g p r s 模块完成与上位机的数据传输。 3 1 采集系统硬件设计 微控制器是下位机数据采集、处理系统的核心，一方面它要利用自己的a d 将采集 来的模拟量进行转化，另一方面要对转化后的数据进行存储处理及传输，再加上系统要 求的长期工作可靠性、低功耗、低工作电压的环境，因此本系统的单片机要求具有高性 能、硬件功能强大的特点，为此选用了a t m e l 公的a v r 系列m c u 单片机a t m e g a 6 4 l 。 3 1 1 单片机硬件结构特点 a v r 单片机是1 9 9 7 年由a t m e l 公司研发出的增强型内置f l a s h 的r i s c ( r e d u c e d i n s t r u c t i o ns e tc p u ) 精简指令集高速8 位单片机。a v r 的单片机可以广泛应用于计算 机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域【1 8 】。 a v r 的主要特性是高可靠性、功能强、高速度、低功耗和低价位。这些特性一直是 衡量单片机性能的重要指标，也是单片机占领市场、赖以生存的必要条件。 早期单片机主要由于工艺及设计水平不高、功耗高和抗干扰性能差等原因，所以采 取稳妥方案：即采用较高的分频系数对时钟分频，使得指令周期长，执行速度慢。以后 的c m o s 单片机虽然采用提高时钟频率和缩小分频系数等措施，但这种状态并未被彻底 改观。此间虽有某些精简指令集单片机( m s c ) 问世，但依然沿袭对时钟分频的作法。 a v r 单片机的推出，彻底打破这种旧设计格局，废除了机器周期，抛弃复杂指令计 算机( c i s c ) 追求指令完备的做法；采用精简指令集，以字作为指令长度单位，将内容 陕两科技人学硕j ：学位论文 丰富的操作数与操作码安排在一字之中( 指令集中占大多数的单周期指令都是如此) ，取 指周期短，又可预取指令，实现流水作业，故可高速执行指令。当然这种速度上的升跃， 是以高可靠性为其后盾的。 a v r 单片机硬件结构采取8 位机与1 6 位机的折中策略，即采用局部寄存器存堆( 3 2 个寄存器文件) 和单体高速输入输出的方案( 即输入捕获寄存器、输出比较匹配寄存器 及相应控制逻辑) 。提高了指令执行速度( 1 m i p s m h z ) ，克服了瓶颈现象，增强了功能； 同时又减少了对外设管理的开销，相对简化了硬件结构，降低了成本。故a v r 单片机在 软硬件开销、速度、性能和成本诸多方面取得了优化平衡，是高性价比的单片机。 a v r 单片机内嵌高质量的f l a s h 程序存储器，擦写方便，支持i s p 和i a p ，便于产 品的调试、开发、生产、更新。内嵌长寿命的e e p r o m 可长期保存关键数据，避免断电 丢失。片内大容量的r a m 不仅能满足一般场合的使用，同时也更有效的支持使用高级 语言开发系统程序，并可像m c s - 5 1 单片机那样扩展外部r a m 。 a v r 单片机的i o 线全部带可设置的上拉电阻、可单独设定为输脯出、可设定( 初 始) 高阻输入、驱动能力强( 可省去功率驱动器件) 等特性，使得i o 口资源灵活、功 能强大、可充分利用。 a v r 单片机片内具备多种独立的时钟分频器，分别供u r a t 、1 2 c 、s p i 使用。其中 与8 1 6 位定时器配合的具有多达1 0 位的预分频器，可通过软件设定分频系数提供多种 档次的定时时间。a v r 单片机独有的“以定时器计数器( 单) 双向计数形成三角波，再 与输出比较匹配寄存器配合，生成占空比可变、频率可变、相位可变方波的设计方法( 即 脉宽调制输出p w m ) ”更是令入耳目一新。 增强性的高速同异步串口，具有硬件产生校验码、硬件检测和校验侦错、两级接收 缓冲、波特率自动调整定位( 接收时) 、屏蔽数据帧等功能，提高了通信的可靠性，方便 程序编写，更便于组成分布式网络和实现多机通信系统的复杂应用，串口功能大大超过 m c s 5 1 9 6 单片机的串口，加之a v r 单片机高速，中断服务时间短，故可实现高波特率 通讯。 面向字节的高速硬件串行接口t w i 、s p i 。t w i 与1 2 c 接口兼容，具备a c k 信号硬 件发送与识别、地址识别、总线仲裁等功能，能实现主从机的收发全部4 种组合的多 机通信。s p l 支持主从机等4 种组合的多机通信。 a v r 单片机有自动上电复位电路、独立的看门狗电路、低电压检测电路b o d ，多 个复位源( 自动上下电复位、外部复位、看门狗复位、b o d 复位) ，可设置的启动后延 时运行程序，增强了嵌入式系统的可靠性。 a v r 单片机具有多种省电休眠模式，且可宽电压运行( 5 2 7 v ) ，抗干扰能力强， 可降低一般8 位机中的软件抗干扰设计工作量和硬件的使用量。 基y - g p r s 的分布式油田远程监控系统研究与实现 a v r 单片机技术体现了单片机集多种器件( 包括f l a s h 程序存储器、看门狗、 e e p r o m 、同异步串行口、t 、s p i 、a d 模数转换器、定时器计数器等) 和多种功 能( 增强可靠性的复位系统、降低功耗抗干扰的休眠模式、品种多门类全的中断系统、 具输入捕获和比较匹配输出等多样化功能的定时器计数器、具替换功能的i o 端 口) 于一身，充分体现了单片机技术的从“片自为战”向“片上系统s o c ”过渡的发展 方向。 3 1 2a v rc p u 内核结构 为了获得最高的性能以及并行性，a v r 采用了h a r v a r d 结构，具有独立的数据和程 序总线。程序存储器里的指令通过一级流水线运行。c p u 在执行一条指令的同时读取下 一条指令( 在本文称为预取) 。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可 以在线编程的f l a l s h 【1 9 l 。图3 1 为a v r 架构的方块图。 快速访问寄存器文件包括3 2 个8 位通用工作寄存器，访问时间为一个时钟周期。从 而实现了单时钟周期的a l u 操作。在典型的a l u 操作中，两个位于寄存器文件中的操 作数同时被访问，然后执行运算，结果再被送回到寄存器文件。整个过程仅需一个时钟 周期。 寄存器文件里有6 个寄存器可以用作3 个1 6 位的间接寻址寄存器指针以寻址数据空 间，实现高效的地址运算。其中一个指针还可以作为程序存储器查询表的地址指针。这 些附加的功能寄存器即为1 6 位的x 、y 、z 寄存器。 a l u 支持寄存器之间以及寄存器和常数之间的算术和逻辑运算。a l u 也可以执行 单寄存器操作。运算完成之后状态寄存器的内容得到更新以反映操作结果。 程序流程通过有无条件的跳转指令和调用指令来控制，从而直接寻址整个地址空 间。大多数指令长度为1 6 位，亦即每个程序存储器地址都包含一条1 6 位或3 2 位的指令。 程序存储器空间分为两个区：引导程序区( b o o t 区) 和应用程序区。这两个区都有 专门的锁定位以实现读和读写保护。用于写应用程序区的s p m 指令必须位于引导程序 区。