油井多参数远程监控系统的设计与实现毕业论文.doc

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:_ 日期： 年 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、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：_ 日期 : 年 月 日指导教师签名： _ 日期： 年 月 日摘要 在我国，有杆抽油设备是机械采油的重要生产设备。因油井大多地处野外，且地理位置较为分散为能够迅速准确地掌握油井的工况、及时发现油井故障、提高工作效率和经济效益，本课题设计开发了油井多参数远程监控系统。该系统旨在实现对油井工况的数据采集、传输、存储和处理，完成油井示功况的绘制，提高处理油井故障效率，并可以实时监控抽油机的运行状态。 本系统主要由现场监控终端和监控中心两部分组成。现场监控终端以AT89S51单片机为核心，按照预先设定的采样频率，采集现场终端的电压、电流、载荷和位移等参数，通过无线数传电台远传至监控中心，同时接收监控中心命令、完成相应控制动作。监控中心软件采用Visual C+语言开发，实现对油井数据的接收、存储及处理、工作状态的显示、示功图的绘制、报表打印和油井管理等功能，此外，还建立了BP神经网络识别示功图模型，利用BP神经网络实现对示功图的自动识别分析功能，加强了对油井的有效管理，提高了油井的运行效率。通过本课题的研究，设计的油井多参数远程监控系统具有信息传输可靠、成本较低、适于在野外环境下无人值守时的监控等特点，提高了油井的自动化管理水平。关键词：油井，现场监控终端，监控中心，示功图，BP神经网络The Design and Implementation ofOil Wells Multi-parameter Remote Monitoring SystemLi Xiaoyan（Signal and Information Processing）Directed by Professor Liu FuyuAbstractIn China, the equipments of sucker rod oil pumping system are very important in mechanical oil production.For the purpose of rapidly and accurately knowing well the working condition of the oil wells;finding out faults without delay;enhancing working efficiency economic benefits,this subject designs and exploits multi-parameter remote monitoring system for oil wells,because most of oil wells are located in the field,and their geographical position are relatively scattered.This system is aimed to fulfill the purpose ofdata acquisition，transmission，storage and resolution,completing drawing indicator diagram of oil wells,raising fault treatment efficiency,and real-time monitoring of operation conditions of the oil pumping equipment.This system is consisted by mainly two parts of field monitor terminal and monitoring center.AT89S51 MCU is the core of the field monitor terminal,which collects voltage current,loads and displacement and other parameters of the field terminal according to the preestablished sampling frequency.It is transmitted to the monitoring center Through MDS2710,at the same time,it receives command from the monitoring center and completes relevant control action.The monitoring center which is developed by Visual C+,possesses functions of receiving,storage and handling,working condition indication,indicator diagram drawing,report forms typing and oil wells management of the oil wells data,etc.Further more,it also establishes BP neural network identification indicator diagram model.By the use of automatic identification and analysis function of BP neural network,it strengthens effective management and increases operation efficiency of the oil wells.Through the study of this subject,the oil wells multi-parameter remote monitoring system has the features of reliable information transmission,low cost and fitting for monitoring in unattended field environment.Therefore,it improves the automaticmanagement level of oil wells.Keywords: Oil wells, Field monitor Terminal, Monitoring centor, Indicator diagram, BP neural network目录 第1章绪论1.1课题来源及研究意义在我国原油生产中，有杆泵抽油设备是油田重要的生产设备，它们的成本往往占油田生产费用的绝大部分，它们的运行好坏直接影响采油产量和效益，所以有杆泵抽油装置的故障所造成的经济损失是极其巨大的1。因此，及时而准确的监控有杆泵抽油井的工作状态尤为重要，它不仅可以为油井的管理提供依据，而且还能为增产措施（如压裂等）提供检测手段。但传统有杆泵抽油井的监控大多依赖人工作业完成，即由工人每日定时检查设备运行情况并采集、统计油井的工作数据。由于油田油井数量较多且大部分分布在野外，分布较为分散，这种方式必然增加工人的劳动强度，影响采油数据的实时性和准确性，给油井的监控和数据的统计带来诸多不便。随着技术的进步和生产管理自动化水平的不断提高，石油行业的生产监控系统也得到了发展。应用信息技术和自动化技术建立一个远程监控系统来实时监控有杆泵抽油井的运行状态，实时采集油井的工作状态参数和检测油井的变化信息，对设备和生产中出现的突发性事件进行实时报警，具有非常高的实际应用价值和现实意义。本课题来源于胜利油田某采油厂，该厂采油设备以有杆泵抽油为主，设备比较分散，运行情况难以获得并且维护困难，为了提高该厂的油井自动化管理水平，设计开发了油井多参数远程监控系统。该系统能有效地提高油井各项工作状态参数的实时检测和控制水平，及时发现设备隐患及故障，为提高该厂采油产量和效益提供了可靠的保障。1.2有杆抽油系统介绍从地层中开采石油的方法可分为两大类：自喷采油法和人工举升采油法。目前有各种各样的人工举升采油法，如气举法、泵抽法。在各种人工举升采油法中，有杆抽油法是应用最早也是最为广泛的一种方法，早在石油工业问世时，就开始采用这一方法进行采油。现在，在各种人工举升采油方法中，有杆抽油仍居于首要地位。据统计，我国有杆抽油井的比例在机械采油井中占90%以上。有杆抽油设备由三部分组成：一是地面驱动设备即抽油机，目前应用最为广泛的是游梁式抽油机；二是井下的抽油泵，它悬挂在油管的下端；三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传给井下抽油泵。除以上三个主要组成部分外，就有杆抽油系统而言，还应包括用于悬挂抽油泵并作为液体通道的油管柱、油套管环形空间及井口装置等。抽油机就是把旋转运动转变为光杆所需要的往复运动的机械，它是有杆抽油系统的主要地面设备。常规游梁式抽油机主要结构部分如图1-1所示： 游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置等四大部分组成。各个部分都安装在一个固定的钢质底座上，确保底座上所有的部件与井口在一条中心线上，通常钢底座固定在水泥基础上。萨姆森支架可以是三条腿或四条腿，它是抽油机中最强的部件，因为它承受着全机中最大的负荷。在萨姆森支架的上面是支撑着游梁的中央轴承座。游梁是一个重型的工字钢，它的截面有足够的能力承载井的负荷与机械驱动负荷。井口一侧的游梁末端安装着驴头，驴头上系悬吊的钢丝绳与光杆悬绳器。驴头上下运动带动钢丝绳与光杆悬绳器，带动光杆上下运动。驴头外侧有一个弯曲的弧度，保证光杆仅仅做垂直上下运动。否则，光杆受到弯曲力将迅速断裂。在普通抽油机上，游梁的另一端安装的是横梁与它的轴承座。横梁轴承座与游梁连接，在它下面，连着横梁。横梁的两端，对称地装着两个传递光杆负荷的连杆。由钢质材料制成的连杆，在它的下端与装在曲柄上的连杆销相连。连杆销内装有轴承，使连杆的下端随着这个点作圆周运动。两个曲柄分别固定在齿轮减速箱的输出轴上，由该轴输出的低转速驱动曲柄作低速旋转。普通配重铁装在曲柄上，并能沿着曲柄面调整它的固定位置。抽油机的正常运转要求减少摩擦阻力，而结构中的轴承可使摩擦阻力降到最低程度。抽油机剩下的部分是减速箱，它能够把电机传来的高转速变成抽油所需要的低转速，是能使抽油机在任何位置上停止的制动系统。抽油机的驱动一般由电机来完成，但是也有使用内燃机的。抽油杆柱是抽吸系统中最重要的部分，因为它连接着抽油泵和地面的抽油机。抽油杆柱分别由多根抽油杆、每根相互连接而组成，在有杆泵抽油系统中，挂在游梁驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱做上下往复运动。 有杆泵抽油的井下设备，主要由工作筒（泵筒和衬套）、柱塞及游动凡尔（排出凡尔）、固定凡尔（吸入凡尔）组成。泵的工作由三个基本环节组成，即柱塞在泵内让出容积，液体进泵和从泵内排出液体。在理想的情况下，柱塞上下一次进入和排出的液体等于柱塞让出的容积。上冲程，抽油机带动抽油杆连接柱塞一起向上运动，柱塞上的游动凡尔受柱塞上油管液柱压力作用而关闭，与此同时，泵筒内由于柱塞上行让出容积而压力降低，固定凡尔在油套管环形空间液柱压力作用下被冲开，液体被吸入泵筒内，上冲程为泵吸入液体而油井排出液体的过程。下冲程，柱塞下行，固定凡尔关闭，泵筒内压力增高，当泵筒内压力大于柱塞以上的液柱压力时，游动凡尔被冲开，泵筒内液体通过游动凡尔排入井筒中，如图1-2所示。柱塞上下一次为一个冲程，在一个冲程内完成一次吸入液体和排出液体的过程。1.3油井监控系统的发展及研究现状随着计算机技术、通信技术的发展，油井监控系统也得到了很大的发展。油井监控系统发展的要求它应具备以下特点：（1）油井在地域方面呈现点多、面广、线长的特点要求系统支持长距离传输。（2）井站无人值守和远程控制决定了系统应具备抵抗恶劣的天气环境的能力。（3）系统庞大，监控井站数量多，要求通讯系统速率高、轮询响应时间快。（4）因为石油天然气行业为国家的能源基础，其所采用工控系统都是最先进可靠的设备，所以作为整个系统关键保证的通讯链路也必须要可靠稳定且性能优异才能保证整个工控系统的最佳运行。我国的油井监控系统起步较晚，开始于1958年玉门白杨河油田实施抽油机监控。当时我国石油产量很少，石油供应异常缺乏，作为石油生产的关键设备，抽油机的工作状况直接关系到油田的产量和效益。为了提高石油产量，技术人员进行了抽油机示功图的测试研究。60年代，随着胜利、大港油田的相继开发，国内先后有数百家企业涉足了油井远程监控系统的研究和开发工作，但由于油井生产管理技术水平低、自动化技术有限，远程监控始终未能得到大规模推广应用，油井现场数据采集和油井控制长期维持在人工干预状态。近年来，尤其从90年代中后期掀起的信息浪潮开始，计算机技术、传感器技术、信息技术等的迅猛发展，为油井监控技术的发展注入了活力，我国的油井远程监控技术开始进入一个崭新的时期。迅速发展起来的微波技术、小功率微波技术，可以很容易将数据传送到千里之外，油田科技人员可利用这一技术来实现对油井的远程监控。但由于成本投资大、油井测量系统环境恶劣，盗窃破坏严重，产品化程度差等原因，这种技术没有得到广泛的推广应用。目前，油田远程监控系统已摆脱了传统的监控模式，由早期的仪表监测进入以微电子学为基础，集计算机技术、网络通讯技术于一体的新一代远程监控系统，油井区块采用远程控制系统，信息采集准确、快捷，提高了资料录取的准确率，极大地提高了采油厂动态分析的效率和质量；为采油厂开发科学决策、优化生产管理和日常生产的正常运行提供了保障；确保了安全生产，减少了事故隐患和损失；同时也为生产管理人员及早发现、解决生产故障，降低能耗，减少设备的磨损以及提高劳动生产率提供了保障。由于计算机技术、网络技术等的应用，使现在的系统较之以前开发的系统有了较大进步；采用工业级的电器元件，使系统的可靠性也得到了提高；通信能够兼容有线、无线、微波、光缆等通信系统和高速、低速通信方式，使数据采集和传输的综合能力变得十分强大，以能够适用于油田的复杂数据的处理和传输。同时由于系统的操作界面采用Windows操作系统，具有全中文操作，界面美观友好，稳定性好等特点，系统的数据查询在直观的界面上用鼠标操作，非常简便。系统管理使用方便，并可降低劳动强度，为节能增效提供了科学保障，可以说，当前的油井远程监控系统进入了一个重要的发展阶段。但从总体而言，国内油井远程监控系统的参与厂商水平参差不齐，而且各厂家都是在做试点工作，也有个别厂家开始规模推广，但暴露出许多问题，主要表现在：油井现场设备可靠性、可维护性差，不能承受油井现场恶劣的工作环境；系统数据开放性不够、兼容性扩展性较差，不利于区块滚动开发时扩容；系统价格较高，影响了系统的推广应用；系统远程监控的自动化程度还有待于进一步提高。1.4课题研究的主要内容针对油田油井自动化水平不高，油田领域越来越多的要求无线监控系统具有实时采集、传输和处理功能的现状，本课题设计研究了油井多参数远程监控系统。系统以AT89S51架构的主控模块为核心采集油井工作参数，利用数传电台定时远传至监控中心，监控中心根据BP神经网络建立示功图自动识别模型，并结合其他参数对油井工况进行分析处理，远程监控油井的生产运行情况，并及时对发生的情况做出反映和处理。通过该系统，工作人员足不出户就可以随时观测到油井的生产状况，这在一定程度上提高了油井的自动化管理水平，具有较高的实际应用价值和现实意义。论文的主要内容及章节安排如下：第1章为绪论部分，简要阐述了课题来源、研究意义和研究现状，并对有杆抽油系统做了简单介绍。第2章对本课题所研究的系统进行了需求分析，并提出总体设计方案。包括下位机的硬件设计方案、系统的软件设计方案和数据的无线传输方案。第3章对系统的硬件电路进行了设计。主要包括计主控模块设计、数据采集模块设计、外部输出控制电路设计、串口电平转换电路设计和电源模块设计；此外，还进行了系统的硬件抗干扰性设计。第4章主要阐述了系统的软件设计。包括下位机软件流程以及系统上位机的软件设计，并且利用BP神经网络建立示功图预测识别模型、实现了示功图自动识别分析。第5章给出了系统实验与结果分析。对数据采集结果做了简要分析，进行了远程数据传输的测试，最后通过示功图识别的实验结果，验证了示功图识别的正确性。最后对全文进行总结，指出研究的不足，讨论系统以后需要研究的方向第2章系统的总体设计方案本课题要求针对油井设计一种能够集数据采集、远程监控、报警、资料存储和查询于一体的远程监控系统，并可以将实时数据远传至监控中心进行分析处理和实现示功图的自动识别。为此，应根据采油厂特殊的工作环境及其要求进行系统设计。2.1功能需求分析根据用户需求和采油厂所处地理环境条件一般比较恶劣，地域分布具有点多、面广、线长的特点，系统应具有以下功能：（1）对监控点进行全天候实时无人监控。（2）采集终端油井电压、电流、载荷、位移等参数，并能进行相应处理和存储。（3）对油井停机、参数越限等异常情况给出报警信息。（4）具有掉电保护功能，可长期保存设定参数和历史数据。（5）远程实现对抽油机的负荷超限停机控制，定时启动控制。（6）远程设置从站发送定时时间间隔、参数的上下限、允许报警、禁止报警等参数。（7）抽油机工况分析功能，通过对示功图、冲程、冲次等参数的分析，判断油井工况，使相关技术人员及时采取有效措施，减少故障发生率。（8）资料处理和打印功能，系统可存储一定时期的历史资料，通过历史资料可随时查询一定时期内油井的实测数据，并从中可以得到油井的工况变化趋势，分析油井的系统效率。人工操作可打印报表。（9）系统还应做到耐低温、高温、防雨、防潮、防尘、防腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等要求。2.2性能需求分析油田油井大多地处偏远，环境恶劣，受自然条件如雷电、暴雨等影响较大，因此油井多参数远程监控系统对性能要求比较高。本课题主要考虑了系统的可靠性、安全性和可扩展性。2.2.1系统的可靠性油井多参数远程监控系统要求数据采集及信息发布准确可靠，在本系统中表现为系统能抗雷击、抗电磁干扰并具有故障报警功能。提高系统可靠性主要从以下两方面考虑：一是提高系统设备的可靠性；二是从软件方面，如测量采用的方法、数据处理的算法设计等。在本课题中，主要从芯片的选型、电路的设计、数据的冗余等方面来保证系统的可靠性。2.2.2系统的安全性导致油井多参数远程监控系统的不安全因素包括自然的和人为的两类。自然的主要指测点终端处的地理条件和气候条件，对系统安全性的影响表现为损坏设备、导致系统故障或不能工作。人为因素则包括操作人员、管理人员和系统用户等。各类用户使用系统的权限不尽相同，因而必须健全对用户的管理。本课题采用了软硬件抗干扰技术、设置登录人员权限等方法实现系统的安全性。2.2.3系统的可扩展性油井多参数远程监控系统的可扩展性需求决定了系统应适应油田的未来发展的能力。试想一个花了若干万构建的监控系统，就在使用不到一年，因为油井数量的增加，或者增加、改变了一些应用功能模块就无法适应了，需要重新淘汰一部分原有设备或者应用系统，甚至需要全面改变原有系统的拓扑结构，其损失之大是一般企业都无法承受的，也是不允许的。所以本课题的设计应充分考虑监控系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行功能扩展或进行二次开发。2.3系统的组成和设计根据以上需求分析，将系统划分为现场监控终端、无线通信网络和监控中心三部分，其基本结构框图如图2-1所示。现场监控终端采集油井工作参数，然后通过通信网络上传至监控中心，监控中心接收终端数据，进行数据存储和分析，并发出控制命令，远程遥控油井，实现对油井的远程控制。 本课题将监控系统的设计分为三部分：系统的硬件设计方案；数据的传输方案；系统的软件设计。下面从这三个部分分析设计监控系统时需要解决的问题。2.3.1系统硬件设计方案根据油田一个采油小队管理多口油井的生产管理模式，系统采用上下位机拓扑结构，本系统使用一台PC机作为上位监控中心，位于采油小队调度室，负责接收所采集的各油井运行数据，并实现数据的存储、分析等功能。下位机为现场监控终端，通常为无人值守形式，因此它的设计显得十分重要。现场监控终端的具体功能是：在监控中心的控制下，对有杆泵抽油井进行参数采集，将采集到的数据通过无线通讯网上传至监控中心，供监控中心进行处理和分析。根据实际开发的需要，监控终端主要由传感器、数据采集模块、主控模块、通信模块四个功能部分组成，如图2-2所示。 （1）传感器的选择传感器是决定整个系统性能的关键环节之一。由于传感器技术的发展非常迅速，各种各样的传感器应运而生，所以我们只需从现有传感器产品中正确选用所需产品而不必自己另行研制。要正确选用传感器，首先要明确系统对传感器的技术要求，其次在满足测量范围、精度、速度、使用条件的情况下，尽可能选择成本较低的传感器。本系统中，油井的被测参数有抽油机电流、电压、悬点载荷、位移和井口压力、井口温度，系统对各参数的量程和转换精度要求如表2-1所示。对传感器的选择采用以下技术措施：首先传感器与油井之间采用4-20mA电流传输，以提高信号的传输距离和抗干扰性能；其次选用适合采油厂恶劣环境的传感器，并配有防尘罩，以确保测试精度；最后选择成本较低的相应传感器即可。（2）数据采集模块的设计数据采集模块负责对油井相关工作参数进行采集。当数据采集模块接收到主控模块发出的数据采集的命令后，则对参数进行采集，将数据送回主控模块。数据采集模块主要由信号调理电路、A/D转换电路组成。（3）主控模块的设计主控模块是数据采集模块的核心控制单元。若无线通信模块接收到来自监控中心发来的命令，则送至主控模块进行分析、执行。如收到数据采集命令，控制数据采集单元采集工作参数，然后将采集到的数据经无线通讯网络传送到监控中心。主控模块以微控制器为核心，外接使微控制器正常工作所必须的电路等。目前监控终端系统中应用较多、较为常见的微控制器主要有嵌入式微机、单片机和数字信号处理器（DSP），采用何种微控制器应该根据应用场合和具体的使用要求，如系统重量、体积和处理能力等。表2-2列出了3种微控制器在使用性能上的相对优劣。 从表2-2中可以看出，嵌入式微机的体积和重量过大，不适合微型化的要求，故应采用单片机或DSP作为微控制器。但是，对油井监控系统而言，监控终端对微控制器的运算速度和信息处理量要求并不高，所以从成本方面考虑，采用单片机作为系统的控制单元。2.3.2无线远程数据传输方案（1）无线远程数据传输方式选择目前，国内外远程监控系统的产品有多种，无线远程数据的传输方式也是多种多样的。一般将数据的传输方式分为有线传输和无线传输。由于油井地处野外、数量多、距离远，因此远程监控统采用有线传输方式具有建设周期长、工作难度大、运行费用高，不利于大规模使用等缺点。与之相比，无线传输方式则显得非常灵活，它具有投资较少、建设周期短、运行维护简单、性价比高等优点。常用于监控系统的无线传输方式主要有无线数传电台、GSM-SMS通信、GPRS通信、卫星通信、数字集群通信等。表2-3给出了这几种远程数据传输方式的性能比较。 由表2-3，结合油井多参数远程监控系统的实际需求，我们选用无线数传电台作为数据的无线传输方式。这是因为： 1）卫星通信具有覆盖范围广，建站成本及通信费用与通信距离无关，同一信道可用于不同方向和不同区域等优点，但是它的建站成本和使用费用都比较高。比较适合于容量小，分布广，有一定保密要求的系统使用。2）数字集群通信方式的覆盖范围有限、传输速率不高、实时性一般，适用于小区域且实时性要求不高的遥控遥测应用领域等。3）相比数传电台，尽管GSM和GPRS通讯的设备成本较低，但它们的数据传输按流量计费或包月计费，使用费用较数传电台高。4）数传电台可提供30-50公里范围内的监控系统的实时可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远、抗干扰能力强的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合，在很多领域都有广泛的应用。（2）无线远程数据传输组网方案通过对几种无线远程数据传输方式的对比分析，选用无线数传电台作为系统的传输方式。因美国MDS2710电台采用数字信号处理、纠错编码、软件无线电、数字调制解调和表面贴片一体化设计等技术，覆盖频率为220-240MHz，具有数据吞吐量大、传输距离远、全透明异步实时传输、使用标准的异步通信协议、无需特别设置及编程和抗干扰能力强等特点，所以本课题选用MDS2710数传电台进行数据传输。常见的无线数据传输组网方案有点对点、点对多点、中转（有一级或多级）、多基站、线条型等。本课题研究的系统为主从式结构设计，监控中心为一台PC机，现场监控终端为多口油井，传输距离大约几十公里，所以采用点对多点的组网方式，以轮询方式采集油井数据，MSD2710通过RS232接口分别与监控终端和监控中心相连。系统的组网方式如图2-3所示。 2.3.3系统的软件设计系统的软件设计包括监控终端的软件设计和监控中心运行平台的选择及设计两部分。在监控终端，由于以单片机作为终端系统的微处理器，所以采用单片机的C语言进行软件设计，实现相应功能。本课题主要分析监控中心的功能设计、开发平台的选择。（1）监控中心功能结构设计监控中心的功能是对现场监控终端上传的数据进行保存、分析、处理和显示，用于判断油井的工作状况，并远程遥控油井的启、停等。为了便于系统维护和功能扩展，软件采用模块化的设计方法，根据需求分析将监控中心系统封装成相互独立的几大功能模块，并根据模块内容完成相关功能。上、下位机之间数据通过无线网络传输，实现远程监控。图2-4为监控中心软件的结构功能框图。 系统用户管理模块用来添加、查看、修改、删除系统用户信息，包括用户名、密码、用户类型（系统管理员和普通用户）等信息。油井管理模块实现油井的日常管理功能，包括油井的添加、修改和删。通信模块主要完成上下位机间的数据通信任务。数据显示模块可以列表和曲线两种方式显示油井当日和历史采集的数据，同时对数据进行相应的存储、分析和处理。远程控制模块完成对抽油机启停机的远程控制和系统运行的各项系统参数的设置。报警模块实现对油井的故障信息管理，并可设置油井在发生故障时是否向系统发送报警信息。报表打印模块可打印预览并打印当日数据列 表、曲线列表和一定时间内的故障列表、终端管理列表和历史数据列表。示功图管理模块具有示功图的绘制和自动识别分析、当日和历史示功图的读取、故障图的浏览等功能。示功图包含了有杆抽油系统工作状态的丰富信息，示功图的识别分析是采油工程技术管理的一项重要工作，正确、迅速地识别示功图所反映的工况尤为重要。随着神经网络方法的不断发展和完善，将神经网络技术应用于石油工业，利用BP人工神经网络对示功图进行自动识别分类，实现故障诊断的自动化，对于实现远程采油控制的自动化、智能化、网络化、数字化都具有深远的实际意义和广泛的应用前景。（2）监控中心软件运行平台的选择根据系统的功能结构框图，将监控中心的软件平台通常划分为三部分：操作系统平台、开发应用程序平台和数据库平台。在监控系统中应用较广的操作系统有DOS、UNIX、Windows等。本系统油井监控中心采用PC构架的计算机，从通用化、开放化、规范化和可靠性的要求出发，操作系统平台选用Windows操作系统。在众多面向对象的可视化软件开发环境中，Visual C+6.0是底层编程环境的最佳选择，它具有强大的MFC类库、支持COM的功能，对数据库的开发也提供了比较好的开发环境，而且提供了多种数据库访问技术，借助于VisualC+6.0可以轻松开发出功能强大、速度快、应用广、占用资源少的应用程序。因而选用VisualC+6.0作为开发工具。对于一套完整的监控系统来说，数据库是必不可少的。通过使用数据库可以保存历史数据和实时数据，以便用户有效的进行数据分析和处理。目前比较常用的数据库有Orical 9、SQLServer 2000和MicrosoftAccess 2003。本系统采用目前实时系统中广泛使用的Microsoft Access 2003关系型数据库作为管理数据的工具。Microsoft Access2003具有强大的动态数据交换、对象链接和嵌入特性，可快捷高效的进行数据管理。2.4本章小结本文介绍了油井多参数远程监控系统的设计方案。在进行自动化改造的时候，从环境和资金的出发，没有必要使用昂贵的硬件和组态软件来开发程序，而是应该根据实际情况来选择。本课题以单片机为终端监控系统的主控制器，采用MDS 2710无线数传电台进行远程传输，利用Visual C+6.0作为系统平台开发灵活适用的监控系统，使用BP神经网络自动识别示功图，实践证明是可行的。第3章系统的硬件设计系统硬件设计由两部分组成，上位机的硬件设计和下位机的硬件设计。上位机为监控中心，硬件构成为一台PC机和一台无线数传电台，二者通过RS232 串口连接，结构较为简单。故本章主要介绍下位机的硬件电路设计。、3.1下位机系统结构框图下位机系统即为现场监控终端。监控终端系统主要由传感器、主控模块（AT89S51单片机最小系统）、数据采集模块（信号调理电路和模数转换）、外部输出控制模块、通信模块、电源模块构成，其结构框图如图3-1所示。系统以单片机AT89S51为主控制器构成监控终端的核心部分，根据传感器测量的信号，实现对油井参数的采集；采用存储器存储设定参数及采集的数据；通过控制模块控制油井状态；利用无线数传电台，采用RS-232协议，实现数据远传。 3.2主控模块的设计单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最小系统。本课题中，单片机的最小系统以AT89S51为核心，在其外围扩展时钟电路、数据存储器和I/O口译码电路等。其主控芯片AT89S51的连接电路如图3-2所示。其中，P1.6-P1.7为两路数字量输入口， P3.2-P3.5、P2.0-P2.7为功能扩展预留口。 3.2.1 AT89S51单片机简介AT89S51单片机31是美国ATMEL公司生产的一种低功耗、高性能的8位CMOS微处理器芯片。片内带有片内含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，可为各种控制系统提供高性价比的解决方案。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器、串行口、外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。3.2.2单片机晶体振荡和复位电路本课题中，AT89S51的晶体振荡器采用11.0592MHz，这是为系统远程通信时满足9600b/s的波特率而选用的。波特率的计算公式为： 式中，SMOD为波特率控制位；为时钟振荡器频率；X为定时器时间常数。若波特率为9600b/s，SMOD=0，X=253，则 所以，选用11.0592MHz为单片机的晶体振荡器。此外，系统采用MAX813L芯片形成硬件看门狗电路并实现复位需要。芯片具有以下特点：加电、掉电以及供电电压下降情况下的复位输出，复位脉冲宽度典型值为200ms；独立的看门狗输出，如果看门狗在1.6s内未被触发，其输出将变为高电平；低电平有效的手动复位输入。复位电路如图3-3所示。 MR实现手动复位功能，复位按钮一端通过10K上拉电阻后接+5V，一端接地。RESET与单片机RST端相连WDI与单片机I/O口相连，WDO与MR直接与二极管IN4148相连，PFI和Vss端接地。本电路巧妙地利用了MAX813L的手动复位输入端。只要程序一旦跑飞引起程序 “死机”，WDO端电平由高到低，当WDO变低超过140ms，将引起MAX813L产生一个200 ms的复位脉冲。同时使看门狗定时器清0和使WDO引脚变成高电平。也可以随时使用手动复位按钮使MAX813L产生复位脉冲，由于为产生复位脉冲MR端要求低电平至少保持140ms以上，故可以有效地消除开关抖动3.2.3系统时钟电路设计在监控系统中，经常需要记录某些具有特殊意义的数据及其出现的时间，这就需要使用实时时钟。过去多用并行接口的时钟芯片，如MC146818，DS12887等。它们已能完全满足监控系统对实时时钟的要求，但这些芯片与单片机接口复杂、占用地址/数据总线较多、芯片体积大占用控件多，使用串行的时钟芯片则能很好的解决这一问题。本设计中，采用美国DALLAS公司推出的低功耗时钟芯片DS1302实现定时测量功能。DS1302提供秒、分、时、日期、月、年的信息，每月和闰年的天数可自动调整，可采用24或12小时格式；与单片机之间能采用SPI同步串行的方式进行通信，仅需用复位（RST）、数据（I/O）和时钟(SCLK)三根I/O口线。芯片的连接电路原理图如图3-4所示。 系统设计中，RST、I/O和SCLK分别与单片机相应I/O相连。Vcc1在单电源与电池供电的系统中提供低电源并提供低功率的电池备份。Vcc2在双电源系统中提供主电源，在这种运行方式下Vcc1连接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，芯片由Vcc2供电；Vcc2小于Vcc1时，芯片由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振，为时钟芯片提供计时脉冲。3.2.4单片机扩展数据存储器AT89S51单片机内部RAM容量较小，为1288位，不能满足系统当前需求，因此，在片外扩展了256K8位数据存储器。数据存储器选用美国ATMEL公司生产的串行EEPROM芯片AT24C64，容量为256K8位。AT24C64芯片自身功耗也比较低，价格便宜；芯片掉电后数据不会丢失，可反复擦写，在正常工作条件下数据可以保存几年甚至几十年；并且芯片基于I2C串行总线协议，与单片机接口通常仅占用2-4个I/O口，可以最大限度的节省单片机资源。但AT89S51没有I2C总线接口，所以需要用单片机的I/O口模拟I2C总线时序来实现芯片的读写功能。 图3-5为AT24C64和AT89S51的实际连接电路。其中A1、A2、A3接地，即AT24C64的引脚地址为000。C16为耦合电容。WP端接地，可以对AT24C64进行读/写操作。SCL、SDA分别接单片机相应的I/O口，SCL和SDL输出为开漏结构，故外接4.7K上拉电阻。3.2.5 I/O口译码扩展电路因为单片机I/O资源有限，为了减少单片机I/O口资源占用率，在设计时采用了引脚复用的思路，采用3-8译码器74LS138进行译码，通过对A、B、C的组合控制，达到在某一瞬时只选通一个外围芯片的作用。如图3-6所示为74LS138译码电路。 电路中，A、B、C为地址选择输入端，Y0-Y7为芯片译码输出端，Y0端为TLC1543经过光耦器件滤波后的选通信号，Y1为MAX813L的看门狗输入信号，Y2是DS1302的复位信号，Y3为报警电路控制信号。3.3数据采集模块3.3.1信号调理电路设计各个油井的参数经各自的传感器输出4-20mA电流，而本系统中ADC的输入模拟信号范围是0-5V，所以传感器输出信号不满足ADC的输入要求，需要进行电流到电压信号的转换（I/V变换），同时为了避免工作现场的工频信号干扰，需要进行滤波处理。其电路如图3-7所示。 在测量系统中，从传感器获取4-20mA电流信号，经过250电阻后，变成1-5V电压输出，这种方法虽然没有充分利用ADC的量程，但可以判断传感器是否出现故障（当ADC的输入模拟电压小于1V时，说明该传感器出现故障）。在电路输出端加过压保护电路。同时，为了消除高频干扰，本课题还设计了二阶低通滤波器，其频率特性为： 3.3.2 A/D转换电路设计传感器采集的信号经过I/V变换及滤波之后，送入A/D采样。根据误差分析原则，电路设计中A/D转换器的分辨率要高于被测量对象的信号最低分辨率，综合考虑系统要求、A/D转换速度，抗干扰性，性能价格比等指标，选用了串行A/D转换芯片TLC1543。TLC1543是美国TI公司生产的多通道、低价格的模数(A/D)转换器。它采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。芯片内部有一个14通道多路选择器可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样保持电路。系统时钟由片内产生，内部转换器具有高速(10uS转换时间)、高精度(10位分辨率,最大1LSB不可调整误差)和低噪声的特点。TLC1543有三个控制输入端（CS、I/O CLOCK、ADDRESS）和一个数据输出端（DATAOUT），它们遵循串行外设接口SPI协议，与微处理器的连接应采用SPI串行总线方式。但AT89S51单片机未内置SPI接口，需要通过软件模拟SPI协议以便和TLC1543连接。芯片的3个输入端和1个输出端与AT89S51的I/O口可直接连接，但本设计基于硬件抗干扰性的考虑，在TLC1543与AT89S51之间加一光电耦合电路TLP521-4。具体连接方式如图3-8所示。 电路中，A0-A10为11通道模拟输入端，输入要进行A/D转换的模拟信号。本课题中，采集8路模拟信号，占用A0-A7 8个通道，未用通道A8-A11做接地处理。REF+和REF-为基准电压正负端，分别接Vcc（+5V电源）和地。EOC为转换结束信号，和AT89S51的P1.3口相连，输出端变高表明A/D转换完成。3.3.3数字量的采集电路设计本课题设计了两路数字量的采集，具体的采集电路如图3-9所示。 两路数字量从外部引入，经过光电耦合器件TLP521-2进入单片机，可减少外部干扰。光耦TLP521-2的输入和输出端分别采用模拟地和数字地供地。TLP521-2的输出端DI1和DI2连接到单片机的I/O口供CPU查询外部数字量的位置状态。3.4外部输出控制电路设计本设计通过蜂鸣器和发光二极管实现声光报警，通过电磁继电器控制外部节点输出电路。3.4.1声光报警电路本课题所设计的报警电路较为简单，由一个自我震荡型的蜂鸣器（只要在蜂鸣器两端加上超过5V的电压，蜂鸣器就会叫个不停）和一个发光二极管组成，如图3-10所示。本设计中蜂鸣器是通过NPN三极管9013来控制，当有参数超限时，Y3变为高电平，蜂鸣器接通，发光二极管导通，进行声光报警。 3.4.2继电器控制节点输出电路继电器控制电路包括定时启停和负荷超限停机等控制操作。二路继电器控制电路都由单片机I/O口通过NPN型三极管驱动继电器，控制继电器完成相应功能。由于继电器在断开的时候线圈有较大的感应电动势，为了防止击穿三极管，应在继电器两端加续流二极管。继电器节点控制电路如图3-11所示。 3.5串口电平转换电路本课题中，下位机系统需要接收上位机传送来的命令以执行相应的任务，同时需要采集油井工作参数，并将采集数据发送到上位机，下、上位机之间的数据传输采用无线数传电台MDS2710。分别在上位机和下位机处安装无线数传电台，数据通过无线传输方式，在上下位机之间传输。MDS2710的接口类型是RS232接口，它通过单片机内部独立的全双工UART通讯实现数据的接收和发送，但AT89S51单片机通信接口为TTL电平，因此需要RS232串口电平转换电路，使用MAX232A芯片实现电平的转换。电路如图3-12所示。 3.6电源模块设计系统电源设计是监控系统设计中一项极其重要的工作，它对整个监控系统是否正常运行起着至关重要的作用。实践表明，对数据采集电路来说，大多数故障都是由于电源电路引起或者说通过电源电路引入的外部干扰引起。因此，进行可靠的电源电路设计是保证数据采集系统可靠工作的重要环节。在本课题中，由于选用的单片机是AT89S51，它的工作电压在4.0-5.5V之间，转换所用的A/D芯片、通讯所用的RS-232等电路的工作电压都是+5V；而MDS2710无线数传电台的额定电压为13.8Vdc，电压的工作范围为10.5-16Vdc；因此采用+5V和+12V的电源供电方案。因为油田上现有的用电电压有380V、680V、1