（电力电子与电力传动专业论文）基于gprs的通信技术在油井监测系统中的应用研究.pdf

r e s e a r c ho ng p r s - b a s e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi no i lw e l l m o n i t o r i n gs y s t e m d o n gm i n g y u a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dd r i v e s ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f m aw e n z h o n g a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h em 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 y , r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ng p r si si n c r e a s i n g l yb e c o m i n gar e s e a r c h h o t s p o t g p r s - b a s e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hp r o v i d e sr a wd a t af o r t h em o n i t o r i n g s y s t e ma n de n s u r et h es t a b i l i t yo ft h ed a t a i sa l li m p o r t a n tp a r to ft h er e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m c u r r e n t l y , t h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o no ft h eo i li n d u s t r yi ss t i l lr e l a t i v e l yb a c k w a r d f o r e x a m p l e ，m o s to i lw e l l so fs h e n g l io i l f i e l dh a v en o tb e e nm o n i t o r e df o ra c h i e v i n gt h ed a t ao f t h es t a t u sa n dl i q u i dp r o d u c t i o no ft h eo i lw e l l f o rs u c has i t u a t i o n ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e do n t h eg p r s - b a s e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi n o i lw e l lm o n i t o r i n gs y s t e ma n do b t a i n e dt h e o i lw e l ld a t a f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h en e t w o r ks c h e m eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，g p r st e c h n i c a l i nt h i sp r o j e c t ，t c p i pt e c h n o l o g ya n dt h ec h o i c eo ft r a n s p o r tl a y e rp r o t o c 0 1 t h e n ，b a s e do n t h ea b o v ea n a l y s i sa n dd i s c u s s i o na n dt h et h ea c t u a ls i t u a t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e m ，t w op a r t s o ft h ef i e l dd a t aw a si n t e g r a t e dt o g e t h e r t h ec o m m u n i c a t i o ns o l u t i o nw a sd e t a i l e dd e s i g n e d f o rt h ed a t ao fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r s ，t h ei n d i c a t o rd i a g r a ma n dl i q u i dp r o d u c t i o n n e x t ，t h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dc o m m u n i c a t i o ni t e m sw e r ei n t r o d u c e d a f t e rt h es c h e m eo ft h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sd e t e r m i n e d ，t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e k e yt e c h n o l o g yi nd a t ac o m m u n i c a t i o n t h e nt h ei m p l e m e n t a t i o no f d a t ac o m m u n i c a t i o nw a s i n t r o d u c e di ns e v e r a ld i f f e r e n ta s p e c t s t h ep r o g r a mf u n c t i o ns u m m a r i z a t i o no fd a t a c o m m u n i c a t i o n s ，t h eo v e r a l li m p l e m e n t a t i o n o fd a t a c o m m u n i c a t i o n ，t h es p e c i f i c i m p l e m e n t a t i o no fd a t ac o m m u n i c a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n to fp r o g r a mf u n c t i o n sw e r e i n c l u d e d m u l t i t h r e a d i n g , t h r e a ds y n c h r o n i z a t i o n , c o m m u n i c a t i o nt i m e o u tm e c h a n i s m ， r e - a c c e s s i n gd a t a ，e x c e p t i o nh a n d l i n ga n da u t o m a t i cr e c o r d i n go fc o m m u n i c a t i o nf a i l u r e sa n d d a t ae x c e p t i o nw e r ea n a l y z e d f i n a l l y , a f t e rs e v e r a lt i m e so fd e b u g g i n g ，t h eo i lf i e l dd a t aw a ss t a b l yo b t a i n e db y c o m m u n i c a t i o np r o g r a m k e y w o r d s ：g p r s ，m u l t i - t h r e a d ，t h r e a ds y n c h r o n i z a t i o n ，t i m e o u tm e c h a n i s m 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己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：熟日期：劣1 口年 6 月 3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f - j ( 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、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：麴丝 指导教师签名：二乏叠 日期：矽c 护年 日期：y 加年 ) 汐月多日 6 月岁 日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 1 1 1 课题来源 本课题来源于中石化科研项目：高可靠度油井在线节能计量监测与自动诊断技术研 究。本人负责g p r s 远程数据通信和数据存储部分的研究和实验。 1 1 2 本课题的研究背景 远程监测是指依赖现代的计算机技术、网络技术、嵌入式技术和数据库技术，对工 业现场或其他需要监测的现场进行的无人化数据传输与监测【1 1 。远程监测的意义还不仅 仅限于对数据的采集，采集数据之后进行的数据分析和故障诊断也是远程监测系统的巨 大贡献 2 1 。 各行各业都已经或多或少地应用了远程监测系统。在石油石化、电力系统、钢铁冶 炼、煤炭开采、运输行业、政府基础设施等领域，远程监测系统正在发挥越来越大的作 用。数字化、信息化是当前各行各业重点发展的方向，要实现数字化和信息化，远程监 测系统是必不可少的一部分。随着现代计算机技术和网络通信技术的快速发展，远程监 测系统已经日臻成熟。 在国内，数字化和信息化建设已经应用到了一些国民经济命脉行业。比如石油石化 行业，油井的远程监测已经有多家单位进行过研究。其中，大港油田曾开发过一套远程 数据监测系统。在炼化行业，远程监测系统也已经崭露头角。国内已有多家炼油厂实现 了工业过程的远程监测。 然而，现有的远程监测系统尚不完备，系统功能不够完善，系统的稳定性也有待长 时间考验。况且，随着现代移动通信技术的飞速发展，尤其是第三代移动通信技术的商 业化运行，远程监测技术在通信方面可以很好地与第三代移动通信技术结合。利用第三 代通信技术的传输速率的优势，可以保证远程监测系统实现更高的网络传输速度、更大 的信息量。这样就为原来有些不适合采用移动通信技术的远程监测系统提供了方便。 目前，远程监测系统中，某些监测现场的数据传输方式是无线传输。无线传输包括 数传电台和g p r s 等。其中，g p r s 信号覆盖面已经比较广泛，传输速度也能满足一般 的要求。采用g p r s 流量的成本也已经比较低，这更加促进了g p r s 通信方式应用于远 程监测系统。 第1 章绪论 目前，国内的多个油田都开展过基于g p r s 通信方式的油井远程监测系统的实施和 开发。在系统的开发过程中，出现了多方面的难题，有技术方面的，也有人为原因。有 待于我们进行进一步的研究和完善。本课题的研究对于解决这些遇到的问题具有非常大 的意义。 本文讨论了基于g p r s 网络和数据库的油井远程数据通信技术在监测系统中的应 用，就系统的功能结构、物理结构、数据库结构等关键技术进行了详细的论述，探讨了 系统的灵活性、通用性和经济性等多方面的优势，该油田远程数据通信和监测系统能够 实现油井现场数据采集的自动化。 1 2 本课题研究的意义 远程监测系统能够将工业生产现场的数据实时地传回监测中心，方便管理人员查看 和决策。远程监测系统出现之前，数据的采集完全靠人工完成，如果环境很恶劣，还有 可能无法完成数据的采集工作。远程监测系统出现之后，数据的采集实现了完全的自动 化、网络化、数字化。数据的发布也完全是网络化和数字化的。管理者只需在计算机前 就可以了解被监测现场的情况，提高了企业的信息化程度和生产效率。 无线数据传输技术有了比较大的发展之后，采用无线数据传输构建监测系统的数据 通信部分成为了可能。g p r s 技术是当前比较成熟，应用比较广泛的一种移动通信技术， 将g p r s 应用到数据远程监测系统中具有可行性和实用性。 国内已经有多家单位研究过基于g p r s 技术的远程监测系统，但在数据的稳定性和 容错能力上仍然做的不是很好。本课题是要研究基于g p r s 的数据通信系统在数据监测 系统中的应用。 本课题的研究具有以下的现实意义： 1 油田一般都是由很多的油井组成，这些油井又分布在各个不同的地域，各个地 域环境各不相同，有的环境比较好，适合石油工人去现场采集数据；有的环境比较恶劣， 不太适合工人经常去现场，或者说去现场的成本会比较高。采用了油井远程监测系统后， 油井现场的电压、电流、耗电量、功率因数、产液量、油温、油压等数据都可以自动采 集，并及时传回数据监测中心。数据监测中心及时发布这些信息，这对于提高油田企业 的生产效率和信息化程度具有重大的现实意义。 2 原来油井出现了故障，一般要靠现场的工人来发现。如果现场没有工人值班， 出现故障没有及时解决会造成更大的损失。油井的远程监测系统能够及时得到现场数 据，并会根据现场数据分析现场出现了什么问题，什么故障。这样就提高了油井故障发 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 现的及时性，为避免重大事故发挥了重要作用。 3 本课题是将g p r s 技术应用到数据通信系统中，相比原来采用g s m 通信的方式 具有数据传输速率高，经济实用的特点。数据传输速率高了之后，能够加大对现场数据 的采集程度，将更多的数据采集到数据监测中心，为下一步的数据分析和数据挖掘提供 了可靠的基础。 4 原来的数字化油田仅仅是将示功图或者电参数或者产液量分别进行监测，而本 课题是对油井的示功图、电参数和产液量等数据综合起来进行深入的研究和拓展。能够 计算出油井的吨液耗电，油井的效率，根据示功图判断油井工作状况等等，为胜利油田 产油的经济性和故障信息的及时获得和排除提供了可靠的技术支持。 总之，采用远程监测系统，特别是基于g p r s 的远程监测系统之后，可以提高油田 的生产效率和自动化管理水平，节约油田的生产成本和避免油田出现重大事故。远程监 测系统会为油田企业带来巨大的效益。 1 3 油井远程监测系统的研究现状 目前，国内已有多个油田开展过油井的远程监测系统。在通信方式上，有采用数传 电台的，有采用g s m 的，也有采用g p r s 的。国内油田中，大港油田曾研究和开发过 油井远程监测系统，并有其开发的一套监测系统，大港油田在通信方面采用的也是g p r s 传输。目前采用g p r s 传输方式的油井数据监测系统已经比较普及，但是在监测系统的 功能性和数据传输的稳定性和容错性能方面还有所欠缺。虽然都是采用g p r s 传输，采 用比较完善的数据传输策略就可能提高数据的稳定性和完整性。出现通信故障时，有的 数据传输系统可能会出现问题甚至瘫痪，所以在提高通信系统的容错性方面，我们仍有 比较多的工作要做。 目前，我国的油井远程监测系统还不完善，制约我国油井远程监测系统发展的因素 还比较多。远程监测系统中的通信部分也需要逐步完善，保证数据的稳定性和通信的可 靠性，尽量减少数据的丢失。 制约我国油井远程监测系统发展的因素主要有以下几点。 1 有的油井的地域环境非常恶劣，导致数据的采集设备无法适应恶劣的环境。例 如，有的地区冬天环境温度零下几十度，数据采集设备不能良好地工作，经常出现停止 工作的状态。 2 数据采集设备受到人为的破坏。数据采集设备有时候会受到油井当地村民的破 坏，在本项目的实施过程中就出现了这种情况。时时刻刻有人看管数据采集设备是不现 第1 章绪论 实的，所以必须增加采集设备的防破坏能力。 3 数据采集设备的工作稳定性比较差。受到各种环境因素的影响，比如电磁干扰 等，数据采集设备可能会出现故障，导致油井现场数据无法及时获得，其稳定性无法满 足现场的要求。 1 4 本课题研究的主要内容 本课题的研究目标是构建一套基于g p r s 油井远程数据通信系统，抽油机无线终端 采用通用分组无线业务( g p r s ) 接入互联网，数据监测中心和无线终端之间采用透明的 t c p 口方式通信。电数据和示功图数据的采集与通信硬件采用深圳浩宁达公司生产的 p b t 2 c 2 w 配变监测终端，该终端内置t c p 口协议，支持各种有无线网络通信方式， 并支持网络在线升级。通过透明的t c p i p 通信协议，可以得到抽油机的各种电量数据 和示功图数据。产液量、油温和油压的数据是采用c y j k 1 2 0 型智能气液计量遥控监测 装置获取的。数据库方面，采用a c c e s s ，建立包含抽油机的各种数据的数据库。数据 通信平台方面，采用c 撑语言在v i s u a ls t u d i o2 0 0 5 下编写数据通信和界面显示程序。采 用多线程处理多个终端并发对服务器的访问。最终能够实现实时获取油井工作信息，及 时上报各种故障信息，供生产管理人员参考，并能对终端参数进行设置，从而实现对终 端的在线控制，更好地为数字化油田服务。 本课题的主要研究内容是： ( 1 ) 油井数据远程通信系统的整体设计。 ( 2 ) 研究g p r s 通信在油井监测系统中的应用，从传输能力和经济性等方面讨论 其可行性。 ( 3 ) 讨论基于g p r s 的远程通信系统的组网方案。 ( 4 ) 在确定方案的过程中细化子系统，划分功能模块，确定系统的总体结构设计。 ( 5 ) 数据中心数据通信软件的设计及通信协议的实现。 ( 6 ) 进行通信软件调试，同时对调试和测试结果进行分析。 ( 7 ) 使用多线程技术提高系统性能。 ( 8 ) 研究如何尽量保证数据的完整性。 ( 9 ) 研究如何能够增强程序应对g p r s 网络故障的能力。 鉴于上述研究目的与研究内容，本课题拟解决的关键问题在于能否研发出能适应不 同网络传输环境的油井数据通信系统。能否针对调试过程中暴露的问题，提出切实可行 的解决办法。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 5 本章小节 本章主要介绍了本课题的来源，简要介绍了本课题的研究背景和研究意义。通过对 课题的分析，确定了本课题研究的主要内容。 5 第2 章通信系境的总体方案 第2 章通信系统的技术分析与组网方案 誊 嚏蠢赢龋 r 固馥蔺函蠢 i 溺叠 ( a ) 活塞上行( b ) 活塞下行 圈2 4 量筒式计量器工作原理 f i 9 2 - 2p r i e c i p l eo f c y l i n d r a t e g a u g e 编螋 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 1 3 数据中心服务器 数据中心服务器采用d e l lo p t i p l e x2 1 0 l ( p e n t i u m4c p u ，3 0 6 g h z ，5 1 2 mr a m ) ， 网络适配器为i n t e l ( r ) p r o 1 0 0v en e t w o r kc o n n e c t i o n 。操作系统为w i n d o w s s e r v e r 2 0 0 3 。经测试，长时间连续运行没有出现死机等问题。 2 2 通信系统的软件平刽2 0 】 2 2 1 n e t 框架概述 n e t 框架设计者们确定了以下体系结构，将框架分解为两部分：通用语言运行时 c l r 和框架类库f c l ，其结构如图2 - 3 所示。 图2 - 3 噼架 f i 9 2 - 3 f r a m e w o r ko f n e t 2 2 2c # 语言简介 2 0 0 0 年9 月，e c m a ( 国际信息与通信系统标准化组织) 成立了一个任务组，着力 为c 编程语言定义一个微软标准。其设计目标是制定“一个通用、现代、简单、面向 对象的编程语言 ，它是一个令人满意的简洁的语言，它有类似于j a v a 的语法，但又借 鉴了c + + 和c 的风格 勿。 2 3g p r s 技术在本课题中的应用分析 2 3 1g p r , s 的发展现状【2 3 】 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是目前第2 5 代移动通信技术， 它较好的解决了上网速率的问题。目前，g p r s 系统已经覆盖我国的大部分地区，各种 依赖于g p r s 的移动通信设备、工业数据传输设备也发展到一定的规模。g p r s 技术己 7 第2 章通信系统的总体方案 经比较成熟，能够应用于远程监测系统。 2 3 2g p r s 技术在本课题中的应用分析 1 经济成本分析 现在通过g p r s 上网有两种接入点名称( a p n ) ：c m w a p 和c m n e t 。由于我们 在通信中采用的是基于t c p 的通信，而c m w a p 是通过h t t p 代理连接i n t e r n e t ，所以 必须使用c m n e t 。 目前山东移动的包月套餐中有2 0 元包8 0 m 省内不区分c m n e t 和c m w a p 的流 量。实际项目中，现场的终端设备每小时发送一次数据，每次发送的数据不超过1 0 k b ， 1 0 k b x 2 4 3 0 = 7 2 0 0 k b ，每月8 0 m 的流量完全能够满足需要。并且每月仅需2 0 元。 2 传输速率分析 g p r s 支持中、高速率数据传输，可提供最高1 7 1 2 k b i t s s 的数据传输速率。实际项 目过程中，需要传送的数据有电压、电流、功率、产液量、功率因数、温度、压力和示 功图数据。其中每项电参数和产液量等数据仅占用2 4 个字节，比较大的数据量是示功 图数据，示功图数据包括5 0 0 个点，每个点占用两个字节，总共占用1 0 0 0 字节。由以 上分析可以看出，g p r s 的传输速率已经完全满足项目的需要。 2 4 网络通信技术和协议的分析 2 4 1 网络通信技术【2 4 】 在计算机刚刚出现的年代，每个计算机都是独立的个体，彼此之间没有数据的交换。 随着计算机要处理的数据量越来越大、客户的要求越来越高，计算机网络开始出现了。 计算机网络就是多个计算机通过路由器、集线器、交换机、网线等设备连接在一起，能 够互相共享资源和进行数据通信的网络。 和人与人的交流一样，计算机要想互相交换数据也要有计算机自己的语言，这就是 计算机之间的通信协议。通信协议要明确规定通信中的帧格式、数据发送顺序以及底层 电气设备规范。 2 4 2t o p ip 技术 1 t c p i p 的分层【2 5 】 现代的网络通信协议大多都参考了分层的模型。例如o s i 参考模型就是分7 层对通 信协议进行了描述。t c p i p 是分四层对网络通信协议进行的描述。这四层分别是：应用 层、传输层、网络层、网络接口层。如表2 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 表2 1t c p i p 的四层体系结构 t a b l e2 - 1f o u r - l a y e ra r c h i t e c t u r eo ft c p i p 应用层 传输层 网络层 网络接口层 t e l n e t 、f r p 等 t c p 和御 碑、i c m p 设备驱动程序及接口卡 t c p i p 协议的每一层负责不同的功能： ( 1 ) 网络接口层。这一层上的物理硬件有计算机网卡、网线等。软件有计算机的 网络设备驱动程序。 ( 2 ) 网络层，也称作互联网层，处理分组在网络中的活动。 ( 3 ) 传输层主要为两台主机上的应用程序提供端到端的通信。 ( 4 ) 应用层用来处理特定的应用程序细节。 2 t c p 通信的可靠性机制分析【2 6 】 t c p ( 传输控制协议) 被设计 为一种可靠的通信协议。在源计算 机数据发送出去之后，如果在一定 的时间内没有收到目的计算机的一 个确认信息，源计算机就会重新发 送刚刚发送的数据，这就叫做超时 重发机制。 超时重发机制从保证了通信的 可靠性。如果源计算机连续发送了 几次数据，仍然没有收到目的计算 机的确认信息，并且超时重发的次 数已经用完，这时源计算机就停止 发送数据。图2 - 4 是这种重发机制 的示意图。 从图2 4 中可以看出，如果发 送方发出数据之后，等待一定的时 发送方接收方 发送数据1 接收确认1 发送数据2 接收确认2 发送数据3 重发数据3 接收确认3 接收数据l 发送确认1 接收数据2 发送确认2 接收数据3 发送确认3 图2 - 4t c p i p 的重发机制 f i 9 2 - 4 r e t r a n s m i s s i o no ft c p i p 间仍然没有收到接收方对该数据的确认信息，发送方会认为此次发送的数据无法到达接 收方，发送发会重新发送上次发送的数据。t c p 协议就是通过这种机制实现了可靠的数 9 第2 章通信系统的总体方案 据传输。 2 5 传输层协议的选择 2 5 1t c p 编程的特点【2 7 1 2 4 2 中已经提到，t c p 协议是一种可靠的通信协议。此外，t c p 协议还是一种面 向连接的协议。所谓的面向连接，指的是两台计算机进行通信之前，要首先建立连接， 然后再开始数据的传输。虽然t c p 协议是可靠的，面向连接的协议，但是t c p 协议有 一个问题：数据缓冲器。 正是由于t c p 是一种可靠的通信协议，源计算机在收到目的计算机的收到数据确 认信息之前，源计算机必须把应用程序中要发送的数据对累积在一个缓冲器中。与此相 同，当目的计算机要从通信网络接收数据的时候，也要有一个存放数据的缓冲器。由于 t c p 协议的缓冲器问题，源计算机和目的计算机之间传输数据就存在着一个区分数据块 是一次传递过来的还是多次传递过来的问题。图2 5 是对数据缓冲器问题的描述。 在w i n d o w s 操作系统中，数据的接收和发送是通过操作系统中的t c p 驱动程序来 完成的。当应用程序要发送数据时，数据就会被存放到t c p 驱动程序所管理的一个缓 冲器中。t c p 驱动程序做好向网络发送数据的准备之后，才会将缓冲器中的全部数据发 送出去。而此时缓冲器中的数据有可能已经是应用程序多次向缓冲器中累积的数据，即 缓冲器中的数据包括了应用程序想要发送的多个分立的数据。而缓冲器中的这些数据之 间是不保存消息边界的，也就是无法从缓冲器中的数据来判断到底是一个数据还是多个 数据( 如图中的数据1 和数据2 数据包) 。 t c p 的缓冲器中的数据是不保留消息边界的，应用程序的编写者要在程序中进行处 理。有两种方法可以解决这个问题： 1 为数据的传输设计一个一对一进行数据发送和接收的机制。 2 为数据创建一个消息边界。 本课题中采用了第一种方法实现的数据通信。 2 5 2u i ) p 编程的特点 2 8 】 u d p 协议很好地解决了t c p 协议的消息边界问题。u d p 是这样设计的：当应用程 序将数据交给u d p 驱动程序之后，u d p 将每个数据包都作为一条单独的消息进行转发。 同样，当u d p 接收到一条消息时( 这条消息仅仅包含一个数据) ，也是将这条消息交 给数据接收程序。这样的设计避免了消息边界的问题，省去了用户处理消息边界问题的 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 麻烦。如图2 - 6 所示。 u d p ( 用户数据报协议) 虽然能够保留消息的边界，但它存在另外的问题。u d p 和t c p 不同，它不是面向连接的协议，源计算机发出数据之后，不一定能保证目的计 算机能接收到数据。因为u d p 的设计上没有类似t c p 的超时重发机制，u d p 在没有收 到消息确认时不会自动重发数据。网络应用程序的编写者必须自己处理可能出现的数据 包丢失的问题。 解决这个问题的方法就是：应用程序编写者自行设计类似t c p 协议的超时重发机 制。这个超时重发机制有以下四个步骤： 1 源计算机发送数据包到目的计算机。 2 源计算机启动一个定时器，设定一个定时时间。 3 源计算机等待目的计算机的响应，收到响应时停止计时器计时。 4 如果源计算机还没收到响应计时器就到时了，就返回重复步骤1 。如果重复了步 骤l 多次都没有答复，就认为源计算机不能与目的计算机通信。 虽然用程序员用u d p 发送数据在消息边界方面比较容易，但它比t c p 还是复杂得 多，因为需要程序员自己检查丢失的数据包。这也是本课题没有采用u d p 通信的原因 之一。 图2 5t c p 协议的消息传递特点 f i 9 2 5 c h a r a c t e r i s t i c so fm e s s a g et r a n s m i s s i o ni nt c p p r o t o c o l 第2 章通信系统的总体方案 图2 - 6u d p 协议的消息传递特点 f i 9 2 - 6 c h a r a c t e r i s t i c so fm e s s a g et r a n s m i s s i o n 、i nu d pp r o t o c o l 2 5 3 选择t c p 协议的原因分析【2 9 】 t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l ，传输控制协议) 和u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ， 用户数据报协议) 是传输层的两个重要协议。t c p 提供面向连接的、可靠的数据传输服 务。u d p 协议在发送数据之前不用先建立起两台主机之间的连接，并且不用发送消息确 认，因而节省了部分数据通信开支，所以说u d p 提供的是高效的服务。 在本课题中，采用u d p 会使得程序实现起来比较困难，因为需要程序员自己设置 某种机制保证传输数据包的可靠性。而采用t c p 就不存在这个问题。并且采用t c p 能 完全满足数据传输各方面的要求。 2 6 通信系统的组网方案 2 6 1 方案的讨论和选择 1 监控中心的两种口地址选择：互联网公有d 地址和移动私有i p 地址。 现场采集数据的设备采用g p r s 的传输方案，其分配的d 地址为移动私有口地址。 而监控中心在口地址的选择上有两个：互联网公有i p 地址和移动私有口地址。如果监 控中心采用公有口地址，必须由现场采集数据的设备主动发起到数据监控中心的连接。 这是由于g p r s 模块在访问互联网时，要做网络地址转换( n a t ) ，监控中心不能主动 发起到g p r s 模块的连接。 2 数据监控中心采用公有p 地址进行数据传输的组网方案。 如果要实现数据远程监测的单位有自己的公有口地址，可以将其内部网络内的一 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 台计算机作为监控中心主机。这样必须采用端口映射，将内部网络的这台计算机的i p 地址映射为单位自己的公有地址和一个端口号。 在g p r s 终端中填写这个公有d 地址和端口号，g p r s 终端就能够访问到公有口 地址和端口号，进而通过端口映射访问到内部监控主机，从而建立了网络连接。当然， 也可以不用端口映射的方法，直接将具有公有口地址和端口号的计算机作为监控中心 主机，g p r s 终端就可以直接连接监控中心。 3 数据监控中心采用移动内网i p 进行数据传输的组网方案。 ( 1 ) 监控中心通过g p r s 无线路由器实现数据通信：这需要开通a p n 专网业务， 监控中心和g p r s 终端都处于移动内网中，它们之间的通信没有经过互联网，而是在一 个局域网内进行的通信，这样监控中心和g p r s 终端都可以主动发起数据传输的连接。 这种方案的数据传输速度不是很好。 ( 2 ) 监控中心通过专线实现数据通信：需要开通a p n 专网业务，监控中心通过数 据专线接入移动g p r s 的网关支持节点。这种方案传输数据传输速率比较高，但是价格 会比较高。 系统通过无线路由器实现数据传输的方式，在通信量比较大的时候可能网络速度不 能保证。采用a p n 专线入网的方式则比较昂贵。 本课题中，采用的是通过因特网公有口实现数据传输的方式。采用这种方式，正 好可以借用大学里现有的公有d 地址( 大学里办公区网络的口地址为公有口地址) ， 而免去了向网络服务提供商申请公有d 地址而带来的巨大经济成本，并且在带宽上也 可以得到保证。监控中心服务器的i p 地址为大学里的教育网d ，属于c 类i p 地址。 g p r s 终端设置好监控中心服务器的口地址之后，就可以直接向监控中心发起连接了。 2 6 2 油井现场数据的整合 本课题并不是仅仅得到油井的电参数，还综合了抽油机的示功图数据、原油产量、 油温和油压等数据。为油井的自动化诊断和经济性评估提供了有利的依据。鉴于此，在 物理硬件方面，本课题研究的项目中整合了两家公司的产品。电参数和示功图数据的获 得采用的是深圳浩宁达股份有限公司的p b t 2 c 2 w 配变监测终端和其公司自主研发的 示功图测量装置。产液量、油温和油压采用的是东营旭日节能生产的c y j k 1 2 0 型智能 气液计量遥控监测装置。 第2 章通信系统的总体方案 图2 - 7 数据的整合 f i 9 2 - 7 d a t ai n t e g r a t i o n 2 6 3 电参数和示功图数据的通信方案 本小节所论述的方案仍属于通过因特网公有i p 实现数据传输的方案，是2 6 1 里论 述的通过因特网公有口实现数据传输方案的具体实现。 如图2 8 所示，和终端直接通信的是前置机，数据和w e b 发布服务器是通过前置 机和终端进行通信的。为了方便理解，下面介绍一下终端和主站的概念。终端指的就是 现场中的数据采集终端。主站就是采集数据或者发布数据的计算机。终端里要填写主站 的地址和相应的端口号。在本课题中，终端里填写的地址为2 0 3 8 6 3 1 1 9 5 ，端口号为 5 5 5 5 。在此引入前置机的概念，具有上面m 地址的计算机就叫做前置机。+ 前置机是直 接负责和终端进行通信的计算机，前置机也属于主站的一种。数据发布服务器也是主站 的一种。在本课题中，数据发布服务器是和前置机直接进行通信的，前置机起了转发数 据包到终端的作用。 图2 8 电参数等数据的通信方案 f i 9 2 8 c o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n so fe l e c t r i c a lp a r a m e t e r s 2 6 4 产液量及油温油压数据的通信方案 如2 6 2 所述，产液量、油温和油压采用的是东营旭日节能生产的c y j k 1 2 0 型智 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 能气液计量遥控监测装置。本课题设计了其数据通信方案。数据中心具有公有口地址。 终端通过g p r s 接入互联网，设置好终端里的数据中心口地址之后，终端就可以主动 发起到数据中心的连接。数据中心根据终端的请求建立起t c p 连接。整个数据通信过 程是透明的t c p 传输方式。所谓透明的t c p 传输就是数据中心直接使用s o c k e t 和终端 进行通信，而不用管实际通信的物理过程经历了多少环节，也不用关心通信过程中的协 议经过了多少次转换，亦不用关心传输过程中涉及到的物理硬件是什么。只要把数据中 心和终端当作两个具有不同i p 地址和端口号的s o c k e t ( 套接字) 即可。 7 7j 、 f 心 透明t c p 传输 巨，譬端习e ，终端习苣譬翟璺 图2 9 透明t c p 传输 f i 9 2 - 9t r a n s p a r e n tt c pt r a n s m i s s i o n 2 7 本章小节 本章首先介绍了通信系统的硬件和软件平台，其次对g p r s 技术在本课题中的可行 性进行了详细的分析，然后简述了t c p i p 技术的特点，通过分析比较传输层采用t c p 和u d p 协议的利与弊，确定了传输层采用t c p 协议。最后详细讨论了通信系统的组网 方案，分别介绍了电参数和产液量等两部分数据的通信方案。 第3 章通信规约和通信数据项 第3 章通信规约的制定 由于电参数采集设备采用的是符合广东电网通信规约的电表，所以电参数的通信规 约沿用的是广东电网公司的大客户负荷管理系统规约2 0 。由于要接收示功图数据，所 以按照大客户负荷管理系统规约的标准，将示功图数据也编写入这个规约中，给示功图 数据定了一个编号：d 0 1 3 。另外，为了记录抽油机用电机在抽油机的一个冲次内的功率 变化情况，以判断抽油机的平衡度，规约还增加了功率曲线数据d 0 2 0 d 0 2 5 。示功图数 据的数据格式和功率曲线数据的数据格式在3 3 中进行了详细的描述。 产液量和油温油压的通信规约在3 2 中进行了叙述。这个规约在内容上比较简单， 仅仅是采用了山东力创的e d a 9 0 8 3 的a s c i i 指令集和l q 8 1 1 0 无线通信模块的心跳协 议。 3 1 电参数和示功图数据通信规约 这个规约详细规定了帧格式。从数据终端获取数据可以通过读当前数据或者读任务 数据这两种方式。任务数据就是设置给终端的任务，具有定时采集的功能。读当前数据 就是给终端发送指令之后，终端将当前数据上报。读任务数据，就是设置好终端的任务 之后，终端将定时采集的任务数据上报。 3 1 1 终端和前置机之间的通信规约 在本小节的一开始，有必要介绍一下终端和主站的概念。终端指的就是现场中的数 据采集终端。主站就是采集数据或者发布数据的计算机。终端里要填写主站的地址和相 应的端口号。在本课题中，终端里填写的地址为2 0 3 8 6 3 1 1 9 5 ，端口号为5 5 5 5 。在此引 入前置机的概念，具有上面口地址的计算机就叫做前置机。前置机是直接负责和终端 进行通信的计算机，前置机也属于主站的一种。数据发布服务器也是主站的一种。在本 课题中，数据发布服务器是和前置机直接进行通信的，前置机起了转发数据包到终端的 作用。 1 通信规约的帧格式概述 ( 1 ) 帧格式概述 数据在通信网络中的传输是以帧的形式存在的。本课题的数据帧是由起始符、控制 符、数据区及帧结束符等组成的。帧的格式如表3 - 1 所示。 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 表3 1 帧格式 t a b l e3 1f o r m a t so ft h ef r a m e 代码字节数说明 6 8 hl 帧起始符 刚a 4 终端逻辑地址 m s t a & s e q 2 主站地址与命令序号 6 8 hl 帧起始符 cl 控制码 l2 数据长度 d a t a 变长数据域 c sl 校验码 1 6 h1 结束码 ( 2 ) 帧起始符 帧起始符是一个帧开始的标志。 ( 3 ) 终端逻辑地址 通过终端逻辑地址，可以唯一地确定一个终端。即终端逻辑地址就是终端的i d 号。 终端逻辑地址按照a 1a 2b 1b 2 次序传输，如表3 - 2 所示。 表3 2 终端逻辑地址 t a b l e3 - 2t e r m i n a ll o g i c a la d d r e s s a 1地市码 a 2 区县码 b 1 终端地址 b 2终端地址 ( 4 ) 主站地址 主站地址用来标识通信时的上级通信对象。 ( 5 ) 控制码 控制码指定了要执行的操作，格式如表3 - 3 ： 表3 - 3 控制码格式 t a b l e3 3f o r m a t so fc o i l t r o lc o d e i 传送方向j 异常标志 功能码 l ( 6 ) 数据长度 数据长度指定了数据域的字节数。 ( 7 ) 数据域 数据域是每帧中要传送的有用信息部分。本课题中的数据域包括了数据区、数据标 志以及测量点号等。 ( 8 ) 校验码 从帧起始符到校验码之前的所有各字节的和对2 5 6 取模，求得其余数，就作为校验 1 7 第3 章通信规约和通信数据项 码。 ( 9 ) 结束符 结束符用来标识一帧信息的结束。 2 任务数据帧的详细格式 本课题采用的p b t 2 c 2 w 终端不仅支持对当前数据的读取，而且可以设置定时采集 的任务，终端将任务数据保存在数据区，等待数据监控中心进行读取。下面详细介绍读 任务数据的帧格式。如表3 - 4 所示。 ( 1 ) 读任务数据的请求帧： 功能：读取终端保存的任务数据。 表3 - 4 主站请求帧的格式 t a b l e3 - 4f o r m a t so fm a s t e rr e q u e s tf r a m e 起始字符( 6 8h ) 终端逻辑地址( r t u a ) 主站地址与命令序号 ( m s t a & s e q ) 起始字符( 6 8h ) 控制码c ( 0 2h ) 数据长度l ( 08h ) 任务号( j n ) 数据起始时间( 年) 数据起始时间( 月) 数据起始时间( 日) 数据起始时间( 时) 数据起始时间( 分) 历史数据点数( n u m ) 数据间隔倍率( f e q n ) 校验( cs ) 帧尾( 16 h ) 1 字节b c d 码 1 字节b c d 码 1 字节b c d 码 1 字节