（检测技术与自动化装置专业论文）抽油机电机参数的检测与数据远传.pdf

摘要 抽油机电机是油田系统中重要的设备之一，其运行状况关系到油田的产油量。而在 各油田，为了保证抽油机工作在正常状态，需要掌握整个抽油机的电能消耗及各种电压 电流等参数，依靠人工来读取参数，存在着投入人力大、效率低、检测周期长、易发生 失误等诸多问题。因此，迫切需要一种快速、准确、易用以及成本低的解决方案来代替 人力巡检的方式。c d m a 是一种新兴的数据传送业务，它基于扩频技术，通过和i n t e m e t 的连接就可以实现数据的远距离传输，运行稳定可靠，漏码误码极少，而且不需组建自 己的网络，大大节省了组网成本。针对此特点，本文采用c d m a 无线数据通讯技术、下 位机采集终端和监测中心主机三者相结合的方法，对基于c d m a 通讯的抽油机网络监 测系统进行了设计和研究。 本系统主要包含三部分：下位机采集单元、数据远程传输单元和监测中心主机单元。 下位机采集单元以c 8 0 5 1 f 0 1 5 单片机为核心，可以完成电压、电流等数据的采集及功率、 功率因数等的计算，实现数据的发送、接收处理；数据远程传输单元通过c d m a 无线 数据传输网络，将数据传送至具有固定i p 地址的监测中心，这样监测中心就可以通过 网络收到现场设备的工作状态数据；监测中心数据处理单元是用v i s u a lb a s i c 6 0 开发的， 通过它可以实现对抽油机数据的存储、工作状态的显示、电压电流信号图的绘制等功能。 关键词：抽油机，采集，数据传输，c d m a d e t e c t i o no fp u m p i n gm o t o rp a r a m e t e r sa n dd a t at r a n s m i s s i o n s h iy a h ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t i no i lf i e l d s ，p u m p i n gm o t o ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n te q u i p m e n t ，i t sw o r k i n g c o n d i t i o nr e l a t e dt ot h eo u t p u to fo i lf i e l d i nt h ew o r k i n gc o u r s eo ft h eo i lm a c h i n e ，w en e e d t oo b t a i ns u c hd a t aa se l e c t r i cc u r r e n ta n dp o w e ro fe l e c t r o m o t o rf o rr e g u l a t i n gt h ew o r k i n g s t a t eo ft h eo i lm a c h i n e t r a d i t i o n a l l y , i ti sn e c e s s a r yt oo b t a i nt h ed a t ab yh a n d ，b u ti ta l s oh a s t h ed i s a d v a n t a g es u c ha sc o s to fm a n p o w e r , l o w e f f i c i e n c y , l o n ge x a m i n a t i o np e r i o da n d f a l l i b i l i t y t h e r e f o r e ，w en e e dt od e s i g nak i n do fs y s t e mt os o l v et h ea b o v ep r o b l e mu r g e n t l y c d m ai san e wd a t a - t r a n s m i t t i n gs e r v i c e ，w h i c hc a nt r a n s m i td a t af o ra l o n g d i s t a n c eb y s p r e a d i n gs p e c t r u mt e c h n o l o g ya n db e i n gc o n n e c t e dt ot h ei n t e m e t i tr u n ss t e a d i l yw i t hr a r e c o d em i s s i n go rw r o n gc o d e s w h a ti sm o r e ，i tn e e d sn o tt ob u i l do u ro w n n e t w o r k ，s ot h ec o s t o fb u i l d i n gn e t w o r kc a nb es a v e d b a s e do nt h i sf e a t u r e ，t h i sp a p e rc o m b i n e sc d m aw i r e l e s s d a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , c o l l e c t i o nt e r m i n a la n dm a i np co fm o n i t o r i n gc e n t e r t o g e t h e r , d e s i g n sa n dr e s e a r c h e so nt h ep u m p i n gn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nc d m a c o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h r e ep a r t s ：c o l l e c t i o nu n i t ，r e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nu n i t a n dm a i np cu n i ti nt h em o n i t o r i n gc e n t e r t h ec o l l e c t i o nu n i ti so nt h eb a s eo fc 8 0 51f 015 m c u ，w h i c hc a nc o l l e c td a t a ，s u c ha sv o l t a g e ，e l e c t r i cc u r r e n t ，c a l c u l a t e sp o w e r , p o w e rf a c t o r i ta l s oc a ns e n da n dr e c e i v ed a t a t h er e m o t ed a t at r a n s m i s s i o nu n i tt r a n s m i t sd a t ab yc d m a w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r kt ot h em o n i t o r i n gc e n t e rw h i c hm u s th a v ef i x e di es ot h e m o n i t o r i n gc e n t e rc a nr e c e i v et h ew o r k i n gs t a t u st h r o u g hi n t e m e ta c c o r d i n gs o c k e tp r o t o c 0 1 t h ed a t ap r o c e s s i n gu n i ti nt h em o n i t o r i n gc e n t e rw h i c hi sd e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c 6 0c a n s t o r ep u m p i n g d a t a ，d i s p l a yt h ew o r k i n gs t a t e ，a n dd r a wv o l t a g e ，e l e c t r i c a lc u r r e n td i a g r a m s k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t ，c o l l e c t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o n ，c d m a 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：j 越二牡 日期：俳月 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅j 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： 旦叠生叠 指导教师签名：；j 啦 日期：彦年月 歹日 日期：辟厂月厂日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 论文选题的背景和意义 第1 章前言 石油，工业血液、世界第一战略物资。自从人类选择了石油，它就成了人类政治、 经济、军事、战略斗争的核心之一。随着世界经济的快速发展，各国对石油的依赖也越 来越强。中东局势的动荡，又使每桶原油的价格多次刷新历史记录。对于中国而言，其 石油安全问题也被提到了日程上。尽管中国的石油产量达到3 4 0 万桶天，是世界第五大 产油国，但还是不能满足国内的需求。自1 9 9 3 年以来，中国一直就是石油净进口国。 原因很简单，一方面，中国是世界上石油消费增长最快的国家；另一方面，中国现有的 主要油田的产量都在经历着自然下滑。 在这样的大背景下，各个油田企业意识到提高原油产量和产油效率的重要性，而加 快实现生产管理的自动化和监测设备的建设，是其目标实现的重要手段。经过多年的发 展，我国石油勘探开发领域技术水平发展很快，并取得良好的经济效益。但在油田地面 工程，特别是生产过程参数的检测和生产过程故障检测方面，存在技术陈旧，设备老化 等诸多影响安全生产的问题，这些都急需解决。 油井抽油机电机是油田主要的连续运行设备，需要2 4 小时不间断运行，目前对抽 油机电机运行状态的监视，主要还是以油田工作人员定时巡井、亲临生产现场来了解设 备状况，这种方式不仅劳动强度大、成本高而且效率低位1 。另外，油田生产主要是野外 作业，油井分布范围广，地形复杂，在雨雪天和夜间，工作人员往往不能及时发现和处 理抽油机的意外停井和窃电，从而严重影响产量，造成油井系统效率降低，油田生产成 本增加，同时也给管理带来难度。 随着信息技术的迅速发展，为了不断提高自动化管理程度，减少高压计量的危险性 和高压计量的远程抄表问题，防止高压计量设备的人为破坏问题，在采油基层希望能设 计出一种远程监测系统，利用该系统可以实现对油井的数据采集、完成示功图绘制，并 可以实时监测抽油机的运行状态，及时发现深井泵工作中的问题，对抽油井进行故障分 析，从而及时采取措施，减少和避免事故的发生，以便为迅速合理地调整油井工作制度 提供依据。在此意义上，结合目前采油队生产的实际情况，本课题提出开发研制一套无 线通讯式油井监测系统，它实现了远距离无线传输，并可对抽油机进行实时数据检测， 是适合国内油井实际情况的无线通讯监测系统。在该系统中，通过使用单片机和无线数 第1 章前言 据传输模块，将下位机检测到的单口采油井的状态参数，以无线通讯方式传送给监测中 心，从而实现各单口油井状态的监测，减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间， 极大的提高了生产效率。 1 2 抽油机远程监测系统的国内外研究现状 早在六十年代，我国就开始研究、生产抽油机远程监测系统口3 。三十多年来，国内 先后有近百家企业参与过此类系统的开发，有不少采油厂多次安装过各种制式的远程监 测系统。但由于受各种因素( 性能、成本、通讯距离) 的限制，特别是不能解决在采油 基层抽油井数目较多、而且分散范围较广这个问题，因而多数系统最终没能进入到实用 阶段。 自9 0 年代以来，迅速发展起来的微波技术，可以很容易将数据传送到千里之外， 于是采油科技人员希望利用这一技术来实现抽油井的远程监测。利用微波技术实现远程 通讯具有通讯速度快，传送距离远等优点。但由于在采油基地要实现这一技术必须利用 卫星通道或构建较大功率微波站，其成本投资非常大，暂不现实。 随着小功率微波通讯技术的发展，使得小范围内的抽油井远程监测成为可能，而且 在国内外已经出现利用小功率微波通讯设备进行远程监控的系统。与前面所提大功率微 波通讯相比，小功率微波通讯成本大大降低，在国内少数海上石油平台上己经开始采用 这种设备进行监测。但这种技术没有得到广泛的推广应用，主要是由于抽油机监测系统 工作环境恶劣，盗窃破坏严重，产品化程度差等原因h 1 。 现在也有人采用电力线载波( p l c ) 通讯方式进行数据通讯( 就是利用电力线路来 实现载波通讯) 。它的优点是投资较少，建设较快并且运行较稳定，但传输速率较慢， 干扰和杂音大。 目前，根据国内油井在油田的分布特点，除了人工巡检的方式外，实现站点间的数 据传输技术有：基于短波数传电台的无线超短波，基于移动通讯网的g s m 短信( s m s ) 、 g p r s 1 、c d m a ，它们也被应用于抽油机监测系统。以下介绍了四种数据传输方式的 基本概念和特点： 无线超短波：可用于点对点或点对多点的工作环境，提供标准接口，可直接与计算 机、r t u 、p l c 等硬件设备进行连接，实现透明传输，传输速率为1 2 0 0 1 9 2 k ，频点间 隙为2 5 k ，采用工业频段2 3 0 m h z 或4 0 0 m h z ，接收灵敏度较高，技术成熟。组网时需 要根据实际环境架设天线，中心站一般要求2 0 3 0 米，分站在1 0 米左右，超短波受电 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 台数量的限制，适合小规模应用( 比如各个采油队的监控) 。采用这种方式时采油队与 矿之间需要架设微波网络，实现大容量的数据传输。 g s m 短信( s m s ) ：利用g s m 网络实现数据采集设备、手机终端和监控中心之间的 通讯接口。采用这种方式，用于数据流量较小或只在异常情况下需要告警时，费用低。 g p r s 种分组交换系统，有实时在线，按量计费，快捷登录、高速传输等特点。 它依赖移动通讯公司庞大的g p r s 网络，建设成本与运行维护成本都很低，而且这种方 式传输数据实时性好，传输速率高，不受地形或地域的限制，按照数据流量计费，平均 费率低，适合大规模应用1 。 c d m a ：c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数 字技术的分支扩频通讯技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通讯技术。它能够 满足市场对移动通讯容量和品质的高要求，具有频谱利用率高、话音质量好、保密性强、 掉话率低、电磁辐射小、容量大、覆盖广等特点，可以大量减少投资和降低运营成本h 1 。 但是无论从功能还是从可靠性来说，没有一个可以与无线网相比拟。表1 1 是几种 数据采集常用通讯方式比较。采用电话线传输数据，不能保证实时性，而且运行费用很 高；采用无线电台，难以解决误码率和波特率的矛盾，以及抗干扰等问题；采用专线电 路，不可能对所有大面积分散的数据采集子站进行专线铺设，更不能承担高昂的运行费 用。 表1 - 1 几种数据采集常用通讯方式比较 t a b l e l 一1c o m m u n i c a t i o nm e t h o d sc o m p a r eo fs o m ed a t ac o l l e c t i o n 汰 g p r s 有线有线光纤 g p r s 比较内容 d t u 拨号方式专线方式传输模式 覆盖范围全国全国全国区域区域 建设费用一般 一般 较低较高高 施工难度 较低较低一般较高高 施工周期较短较短一般较长 长 计费方式 流量流量时间+ 次数 租赁 租赁 运行费用较低低较高高高 通讯速率较高较高一般高高 误码率 较低较低 高 较低低 第1 章前言 可靠性 较高较高 一般 较高较高 实时性较高较高极低较高较高 维护成本 极低极低 一般 较高较高 实时数据传实时数据传对实时无要较大数据较大数据 应用场合 输输求场合实时传输实时传输 汰 g p r s 超短波 c d m a 短消息 比较内容 d t u 无线数传电台 覆盖范围全国全国全国不大于2 0 k m 建设费用一般一般低高 施工难度较低 较低低高 施工周期较短较短较短 长 计费方式按流量无月租按流量无月租条0 1 元占频费 运行费用 较低 较低较高一般 通讯速率 10 6 0 k b p s 4 0 一9 0 k b p s1 2 k b p s 误码率较低较低较高高 可靠性 较高较高 一般 较高 群收群发支持支持不支持不支持 传输时延 短短长短 网络协议支持支持不支持不支持 维护成本 低低 低高 总体来说，移动通讯网有以下优点： 一是覆盖地域广，目前移动通讯网在全国的覆盖率9 5 以上，非边远地区覆盖率几 乎1 0 0 ；二是通讯距离远，在任何场合都可以设中心站；三是网络可靠性高。首先网 络有较大的冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站在特殊情况下损坏，抢修 非常及时。四是稳定性好，一方面抗自然干扰的能力强；另一方面频段专用，不会受到 人为干扰。五是不用与无线电管理部门交涉，也不需交无线电管理费暗3 。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 3 抽油机远程监测的优点 利用无线通讯技术对抽油机进行远程监测，对于及时、准确、全面地掌握石油生产 情况，进行科学决策有着十分重要的意义。 l 、降低工人劳动强度，有利于减员增效。现在许多油田作业地地处沙漠，油井距 驻地很远，人工进行采集数据往返时间长，工作量大，而且费用高，严重影响采油过程 中的正常维护工作。安装监测系统，采集一组数据只需很短的时间，大大降低了工人的 劳动强度，从而达到了减员增效的目的。 2 、便于掌握生产情况，有利于强化管理。过去用报表的方式反映采油情况，难以 做到及时、准确、全面、直观、高效。尽管不少单位从制度上和采油设备上做过许多努 力，但仍不能从根本上解决问题。安装抽油机远程监测系统后，领导在办公室或各监测 中心，都可以直观地看到所有抽油机的工作情况。随着通讯网络的发展，油田各级领导 可随时随地掌握一线生产情况。 3 、便于采集生产数据，有利于科学决策。没安装监测系统时，一般每天只测一次 抽油机工作参数，有些参数由于测试麻烦，一个月甚至更长时间才能测一次。由于数据 量小，很难进行数据统计分析，影响领导决策。安装监测系统后，在监测中心以采油队 生产井为管理对象，可以手动或自动遥测各抽油机的运行数据，自动分析抽油井冲程周 期，绘制示功图。分析抽油机平衡情况，提出优化平衡调整建议，预测调整后的电流和 功率曲线；为油井诊断提供电子数据，为抽油机井精细管理提供一种全新的手段。 4 、便于及时发现问题，有利于提高效益。井口无线数据采集装置安装在井场，可 以实时测量抽油机的工作状态和工作参数，对抽油机的各种故障( 包括：非正常停机、 断杆、空抽、缺相、欠载、过载和电动机内部定子不对称短路等故障) 进行诊断，并通 过c d m a 通讯模块将抽油机运行参数上传到监测中心，在监测中心可以及时发现故障 油井位置并进行报警，具有自动巡井功能，从而减少设备损坏，缩短停机时间，提高石 油产量。抽油机运行过程中，井上井下的机电设备难免出现一些不正常情况，如缺相、 井下出沙等。有些情况如能早发现早处理，就可将损失减至最低，否则很可能造成设备 损坏甚至酿成重大事故。 1 4 移动通讯技术概述 自从1 9 8 7 年我国引入蜂窝移动通讯以来，用户数量一直保持高速地增长，尤其在 第l 章前言 最近十年中，移动通讯技术快速发展，通讯网己实现从模拟网向数字网的转换。中国移 动和中国联通公司通过近些年来不断拓展网络建设，优化网络结构，已经建立了覆盖全 国所有大中城市，绝大部分县市乡镇、农村和偏远地区的公用性移动网络，能够为用户 提供语音、数据、视频和多媒体等全面的综合性服务。这些服务可以充分满足无线远程 监控系统在数据传输通讯过程中对通讯媒介质量、数据传输速度、网络稳定性以及通讯 成本方面的种种要求。移动通讯技术的发展空间十分广阔，将移动通讯技术应用于无线 远程监控领域，为无线远程监控系统的发展，应用领域的拓宽起到了不断促进的作用。 3 g 是移动通讯技术的发展热点，由于牌照迟迟还未颁布，第2 5 代的c d m a 和g p r s 网络仍旧是目前应用最为广泛，网络覆盖率最高的移动通讯网络。c d m a 和g p r s 网络 支持t c p i p 协议，核心网络层采用i p 技术，底层可使用多种传输技术，很方便地实现 与高速发展的i p 网无缝连接，将远程监控系统的现场终端接入i n t e m e t 阳1 网络，并且为 远程监控系统中的上位机数据库的分布式工作提供了便利。下面将介绍c d m a 和g p r s 网络的关键性技术和特点。 1 4 1c d m a 网络 1 、c d m a 网络概述n c d m a 是c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 的缩写，全称码分多址，其原理是基于扩 频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速 伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端由 使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据 的窄带信号即解扩，以实现信息通讯。 c d m a 在蜂窝系统中的应用几乎是和g s m 同时被提出来的，但一直没有得到重视， 其中的主要原因在于c d m a 的蜂窝系统必须具有高速、精确的功率控制要求，否则整 个系统难以理想地工作甚至出现系统崩溃。功率控制技术在当时的条件下还难以攻破， 直到q u a l c o m m 公司解决了这一难题后这一状况才有所变化。该解决方案主要是通 过测量移动台和基站的接收功率，利用开环和闭环相结合的功率控制方式，命令移动台 调整发射功率，使移动台输出的功率电平在维持适当性能的情况下达到最小。一方面减 轻了对其他用户的干扰，同时有助于克服衰落，使得c d m a 码分多址技术应用于蜂窝 移动通讯成为可能，并由此拉开了c d m a 数字蜂窝移动通讯系统蓬勃发展的序幕。 2 、c d m a 系统的特点1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 与f d m a 和t d m a 相比，c d m a 具有许多独特的优点，其中一部分是扩频通讯系 统所固有的，另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的。c d m a 移动通讯网是 由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成，含有频域、时域和码域 三维信号处理的一种协作。因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频 率可在多个小区内重复使用，所要求的载干比( c i ) 小于1 ，容量和质量之间可做权衡 取舍等属性。这些属性使c d m a 比其它系统有非常重要的优势。 理论上c d m a 移动网比模拟网大2 0 倍，实际要比模拟网大1 0 倍，比g s m 要大4 5 倍。c d m a 容量配置灵活这与c d m a 的机理有关，c d m a 是一个自扰系统，所有移 动用户都占用相同带宽和频率。我们打个比方，我们将带宽想象成一个大房子，所有的 人将进入唯一的大房子，如果他们使用完全不同的语言，他们就可以清楚地听到同伴的 声音而不会受到一些来自别人谈话的干扰n 引。在这里，屋里的空气可以被想象成宽带的 载波，而不同的语言即被当作编码，我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住 了我们。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，我们就可以容纳更 多的用户。 3 、c d m a 的基本单元 下面我们简单介绍c d m a 应用在第三代移动通讯系统中的基本单元，即r a k e 接 收机、功率控制、软切换、频率切换和多用户检测。 1 ) r a k e 接收机：发射机发出的扩频信号，在传输过程中受到不同建筑物、山岗 等各种障碍物的反射和折射，达到接收机时每个波束具有不同的延迟，形成多径信号。 如果不同路径信号的延迟超过一个伪码的码片时延，则在接收端可以将不同的波束区别 开来。将这些不同波束分别经过不同的延迟线，对齐以及合并在一起，则可达到变害为 利，把原来是干扰的信号变成有用信号组合在一起，这就是r a k e 接收机的基本原理n 朝。 2 ) 功率控制：在c d m a 系统中，不同用户发射的信号由于距基站的距离不同，到 达时的功率也不同。距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰，这种现象 称为远近效应。c d m a 系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要相等才能正 常解扩，功率控制就是为解决这一问题。它调整各个用户发射机的功率，使其到达基站 接收机的平均功率相等。功率控制的原理有两种类型：开环控制与闭环控制。开环控制主 要是用户根据测量到的帧差错概率来调整发射功率，而闭环功率控制则由基站根据收到 移动台发来的信号测量其信干比( s i r ) 发出指令，调整移动台发射机的功率。对于下 行链路的功率控制主要是用来减少对邻近区的干扰。 7 第1 章前言 3 ) 软切换：移动台在两个基站同时连接时进行的切换称为软切换。在c d m a 系统 中软切换可以减少对于其它小区的干扰，并通过宏分集还可以改善性能。更软切换则指 的是一个小区不同扇区间的软切换。软切换的原理如下：移动台在上行链路层中发射的 信号被两个基站所接收，经解调后转发到基站控制器( b s c ) ，下行链路的信号也同时 经过两个基站再传送到移动台。移动台可以将收到的两路信号合并，起到宏分集的作用。 因为处理过程是先通后断，故称为软切换，而一般的硬切换则是先断后通n 引。 4 ) 频率间的切换：c d m a 系统中在一个小区中有多个载波频率。例如在热点小区 中，其频率数要多于相邻小区。同时在多层小区结构中，微小区有不同的频率而不同于 重叠在一起的宏小区，因此，存在不同频率之间的切换。有效的处理过程可以采用压缩 模式或双接收机对另一频率进行测量。 5 ) 多用户信号检测：目前的c d m a 接收机都是基于r a k e 接收机原理，它将其他 用户的信号作为干扰来对待。在理想接收机中，如将所有用户信号都检测出来，则可把 其他用户信号从总信号中减掉，则保存有用信号。在c d m a 系统采用r a k e 接收机时 其容量是干扰受限的系统。多用户信号检测，或称为联合检测与干扰消除技术则提供了 一种有效地减少多址干扰的方法，从而增加了系统的容量。同时，它也能改善远近效应， 通过首先扣除近距离大信号干扰而达到。 1 4 2t c p i p 协议 c d m a 网络支持t c p i p 协议，核心网络层采用i p 技术，这是移动通讯网络与i n t e m e t 网络能够实现无缝连接的关键。t c p i p 是用于计算机通讯的一组协议，我们通常称它为 t c p i p 协议族n5 1 。它是7 0 年代中期美国国防部为其a r p a n e t 广域网开发的网络体系 结构和协议标准，以它为基础组建的i n t e r n e t 是目前国际上规模最大的计算机网络，正 因为i n t e m e t 的广泛使用，使得t c p i p 成了事实上的标准。t c p i p 通常被认为是一个 四层协议系统，每一层负责不同的功能，其协议结构如图1 1 所示。 链路层有时也称作数据链路层或网络接口层，通常包括操作系统中的设备驱动程序 和计算机中对应的网络接1 5 1 卡，它们一起处理与电缆( 或其他任何媒介) 的物理接口细节， 相当于o s i 的物理层和链路层的功能，完成网络数据底层帧的形成和收发。 网络层主要负责在互联网上传输数据的分组，与o s i 参考模型的网络层相对应，相 当于o s i 参考模型中网络层的无连接网络服务n 刨。网络层是t c p i p 参考模型中最重要 的一层，它是通讯的枢纽，主要完成的功能是：从底层来的数据包要由它来选择继续传 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 给其他网络结点或是直接交给传输层；对从传输层来的数据包，要负责按照数据分组的 格式填充报头，选择发送路径，并交由相应的线路发送出去。网络层协议主要定义了网 际协议( i p ) 以及数据分组的格式，它的主要功能是路由选择和拥塞控制。另外，本层 还包括i c m p 协议( i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l ，网际控制报文协议) 和i g m p 协 议( i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l ，网际群组管理协议) 。 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 图1 - 1t c p i p 协议图 f i g l - 1 t c p i pp r o t o c o lp i c t u r e 传输层的主要功能是负责端到端的对等实体之间进行通讯。它与o s i 参考模型的传 输层功能类似，也对高层屏蔽了底层网络的实现细节，同时它真正实现了源主机到目的 主机的端到端的通讯。在t c p i p 协议族中，有两个互不相同的传输协议：t c p 传输控 制协议和u d p 用户数据报协议。t c p 为两台主机提供高可靠性的数据通讯口7 | 。它所做 的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的 分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。由于运输层提供了高可靠性的端到端的通 讯，因此应用层可以忽略所有这些细节。而u d p 则为应用层提供一种非常简单的服务， 它只是把称作数据报的分组从一台主机发送到另一台主机，但并不保证该数据报能到达 另一端。为了实现高可靠性的通讯，在远程监控系统中，上位机与下位机通讯过程中传 9 第1 章前言 输层选用t c p 协议，采用接收确认的方法克服了u d p 协议无需确认，传输可靠性底的 问题，降低了监控终端数据包上传过程中受外界干扰出现丢包或帧错误的机率n 引。 应用层是t c p i p 协议族的最高层，它包含了所有o s i 参考模型中会话层、表示层 和应用层这些高层的协议的功能。 1 5 本论文的主要研究内容 为了及时、准确、全面的掌握油田现场抽油机电机的运行状态，本文设计了基于 c d m a 移动通讯网络的远程监测系统。系统上位机用户界面用v i s u a lb a s i c 6 0 软件编写， 下位机以c 8 0 51 f 系列单片机为核心部件，采集并处理现场电压、电流等信号，数据双 向传输，突破了传统远程监测系统受地域范围的限制。 论文各章节的编排组织如下： 第一章主要对现有远程监测系统的发展现状进行研究，分析了课题提出的背景，阐 述了移动通讯技术的网络结构和应用特点，为文章的展开提供了理论依据和知识准备。 第二章是系统总体方案设计，在这一章里面主要介绍了抽油机远程监测系统的总体 实现方案以及上、下位机系统的实现过程。 第三章详细地介绍了信号的采集、a d 转换以及串行通讯接口的硬软件设计，电压 电流有效值、有功功率、无功功率、功率因数的算法推导以及根据采集到的数据计算这 些参数的实现过程。 第四章介绍了监测中心上位机软件的功能和构架，并通过实例证明了系统的实时性 和可靠性。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章抽油机远程监测系统总体设计及实现方案 2 1 系统总体方案设计 抽油机远程监测系统由三部分组成，一部分是固定在油井上的采集模块，称为下位 机。下位机的功能是：当接收到上位机的命令时，采集电压电流波形，计算功率、功率 因数等参量并将数据发送给上位机；第二部分是c d m a 通讯模块，这一部分主要完成 数据的双向传输；还有一个部分是放置在监测中心进行数据接收和处理的上位机。上位 机的功能是：每隔一段时间，上位机通过无线通讯系统给下位机一个命令，使下位机开 始采集并发送数据，然后上位机开始接收并处理，绘制电压电流信号图，显示数据等。 系统整体示意图如图2 1 所示。 上位机监测中心 图2 - 1 系统整体示意图 f i 9 2 - 1s y s t e mo v e r a l ls c h e m a t i cd r a w i n g 2 2 下位机系统方案设计 在本系统中抽油机电机的工作电压是由电网电压经过二极管不控整流、p w m 逆变 之后加在电机上的，电机系统的结构示意图如图2 2 所示。下位机需要检测的电参量有 电网侧电压甜护甜舻“。，电流f 。、f 6 、f 。，整流侧直流电压“d ，电流屯。这些参量在电 第2 章抽油机远程监测系统总体设计及实现方案 机系统中的位置示意图如图2 3 所示。 i 工匡薹l 逆变 l _ 卜 不控 p w m i l 整流 i 一 图2 - 2 电机系统结构示意图 f i 9 2 - 2 m o t o rs y s t e ms t r u c t u r es c h e m a t i cd r a w i n g 图2 - 3 各检测参量位置示意图 f i g2 - 3 e a c he x a m i n a t i o np a r a m e t e rp o s i t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 抽油机远程监测系统的下位机框图如图2 4 所示，它在抽油机运行过程中采集电压、 电流信号，经过微控制器的处理，调制后再通过无线传输完成传输任务。 图2 - 4 下位机采集传输系统框图 f i 9 2 4 m c u g a t h e r i n gt r a n s m i s s i o ns y s t e md i a g r a m 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 本系统下位机采用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 系列单片机，该单片机片上资源丰富，带 有a d 转换功能，省去了附加的a d 转换外围部件，从而降低了系统成本和功耗n 引。 网侧电压检测采用电压互感器将高电压信号转换成低电压信号，经过滤波、比例变 换将其变换成3 3 v + 3 3 v 的电压信号，由于c 8 0 5 1 f 系列单片机的a d 转换范围为o 2 4 v ，故需要将3 3 v + 3 3 v 的电压信号再经过一定的信号调理电路将其变换成0 2 4 v 的电压信号，进行a d 转换，对其结果进行保存及处理；网侧电流通过电流互感 器来检测，其处理过程与电压信号相似，最后也转换成0 - - - ，2 4 v 的电压信号进行a d 转 换。在系统采集数据过程中，当接收到上位机的发送命令时，开始数据采集，将多路数 据转化为数字量存储到数据存储器并进行相应的计算处理，从存储器中读出数据，进行 校验、编码，然后将数据传输出去。整个系统的器件选择考虑了所要求的电压、温度范 围，系统有较高的稳定性和相当的检测精度。 2 3 上位机系统方案设计 上位机系统框图如图2 5 所示，它位于采油主站的操作室，主要由无线接收模块及 p c 机组成。在系统接收到下位机发出的无线传输信号后，通过串口或者直接访问网络 将数据读入p c 机，进行数据处理及管理。 图2 5 上位机系统框图 f i 9 2 5 p cs y s t e md i a g r a m 监测中心上位机系统是基于w i n d o w s 平台上的v b 6 0 程序语言进行开发设计的通 讯、数据处理系统。利用v b 中的数据接收程序，将数据读入p c 机，按照双方的握手 协议，进行数据的校验，并且将正确的数据进行处理。根据系统要求，在p c 机上进行 电压电流信号图的绘制、显示等。 第3 章数据采集与传输系统的设计及实现 第3 章数据采集与传输系统的设计及实现 3 1 下位机数据采集系统硬件设计 3 1 1c 8 0 5 1 f 系列单片机的发展及特点 在嵌入式系统低端的单片机领域，从8 位单片机诞生至今，已近3 0 年，在百花齐 放的单片机家族中，8 0 c 5 1 系列一直扮演着一个独特的角色。c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 更令业界人士刮目相看。回顾历史，在i n t e l 公司推出了m c s 5 1 不久便实施了最彻底的 技术开放政策；在众多电器商、半导体商的积极参与下，将m c s 5 1 发展成众多型号系 列的8 0 5 1m c u 家族。m c s 5 1 的经典体系结构、极好的兼容性和i n t e l 公司的开放政策 不仅使众多厂家参与发展，也诱使半导体厂家对m c s 5 1 实行为所欲为的改造。由于 m c s 5 1 提供的最佳兼容性，使m c s 5 1 在被“肢解”式改造后。还能以不变的指令系统、 基本单元的兼容性保持着8 0 5 1 内核的生命延续，并在未来s o c 发展中，担任8 位c p u 内核的重任心0 l 。 在8 位单片机中，8 0 c 5 1 系列形成了一道独特的风景线。历史最长，长久不衰，众 星捧月，不断更新，形成了既具有经典性，又不乏生命力的一个单片机系列。当前c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 又将8 0 5 1 兼容单片机推上了8 位机的先进行列。总结8 0 c 5 1 系列 的发展历史，可以看出单片机的三次技术飞跃。第一次飞跃是以p h i l i p s 公司为主力，将 以“单片微型计算机”形态的m c s 5 1 系列迅速推进到8 0 c 5 1 的m c u 时代，形成了可 满足各种嵌入式应用要求的单片机系列产品：第二次飞跃则是a t m e l 公司以其先进的 f l a s hr o m 技术推出a t 8 9 c x x 系列形成的引领单片机的f l a s hr o m 潮流；而当前 c y g n a l 公司推出的c 8 0 5 1 f 则是将8 0 c 5 1 系列从m c u 推向s o c 时代的第三次飞跃。 c y g n a l 公司的c 8 0 51f 对8 0 c 5 1 的重要技术发展有： ( 1 ) 大力提高指令运行速度 随着单片机技术的发展，m c s 5 1 已成为8 位机中运行最慢的系列。为了提升速度， 采用将机器周期从1 2 个时钟周期缩短到4 个和6 个，速度提升有限。c y g n a l 公司在提 升8 0 5 1 速度上采取了新的途径，推出了c i p 5 1 的c p u 模式。在这种模式下，废除了机 器周期的概念，指令以时钟周期为运行单位。平均每个时钟可以执行完1 条单周期指令。 与8 0 5 1 相比，在相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的1 2 倍；全指令集平均运行 速度为原来的9 5 倍。c 8 0 5 1 f 进入了8 位高速单片机行列。 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 2 ) i o 从固定方式到交叉开关配置 迄今为止，i o 端口大多是固定为某个特殊功能的输入输出口，这种固定方式的i o 端口，既占用引脚多，配置又不够灵活。s e c i n x 公司在推出的8 位s x 单片机系列中， 曾采取虚拟外设的方法将i o 的固定方式转变为软件设定方式：而在c y g n a l 公司的 c 8 0 5 1 f 中，则采用开关网络以硬件方式实现i o 端口的灵活配置。在这种通过交叉开 关配置的i o 端口系统中，单片机外部为通用i o 口，如p o 口、p 1 口和p 2 口；内部有 输入输出的电路单元，通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。 ( 3 ) 灵活完善的时钟系统 早期单片机都是用1 个时钟控制片内所有步序。进入c m o s 时代后，由于低功耗 设计的要求，出现了在一个主时钟下，c p u 运行速度可选择在不同的时钟频率下操作： 或设置高、低两个主时钟，按系统操作要求选择合适的时钟速度或关闭时钟。而c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 则提供了一个完整而先进的时钟系统。在这个系统中，片内设置有一个 可编程的时钟振荡器( 无需外部器件) ，可提供2 m h z 、4 m h z 、8 m h z 和1 6 m h z 时钟的 编程设定；外部振荡器可选择4 种方式。当程序运行时，可实现内外时钟的动态切换。 编程选择的时钟输出s y s c l k 除片内使用外，还可从任意选择的i o 端口输出。 ( 4 ) 从传统的仿真调试到基于j t a g 接口的在系统调试 c 8 0 5 1 f 配置了标准的j t a g 接口( i 髓e 1 1 4 9 1 ) 。引入j t a g 接口将使8 位单片机 传统的仿真调试实现彻底的变革。在上位机软件支持下，通过串行的j t a g 接口直接对 产品系统进