基于GPRS的分布式油田原油计量和防盗系统设计大学毕业论文.doc

基于基于 GPRS 的分布式油田原油计量和防盗系统设计的分布式油田原油计量和防盗系统设计 摘摘 要要 本课题针对分布式油田的原油计量和丢盗油问题，研究开发了一套基 于 GPRS 的原油计量和防盗系统。系统通过对原油的实时计量，解决长期 以来分布式油田存在的计量方式简陋，实时性差，人为误差大的问题；通 过盗油报警系统，打击盗油犯罪分子，减少或杜绝偷盗油现象。整个系统 旨在提高分布式油田的信息化管理水平。 整个系统包括两个部分：远程监测终端和计算机监控中心。监测终端 完成储油罐中原油油位、储油罐阀门状态、以及当防盗报警设备被触发时 井场周边图片数据的采集，实现数据通过 GPRS 网络的发送和接收；计算 机监控中心通过固定的 IP 地址登陆 Internet 网络，完成数据接收、保存和 分析，实时显示各储油罐油位高度、当前阀门状态，并提供报表打印等功 能。 在远程监测终端的硬件开发中，为了保证整个硬件配置灵活、易于调 试、升级和维护，采用了模块化的设计方法，即依据系统功能自顶向下的 把硬件分成了五个模块，分别是数据采集模块、GPRS 通信模块、图像采 集模块、键盘与显示模块和系统供电模块。数据采集模块以 ARM 公司最 新的 Cortex-M3 内核处理器 STM32F103C6T6 为核心，负责监测终端总体 控制功能；GPRS 通信模块由 BenQ 公司的 M23A GSM/GPRS 模块及相关 外围电路组成，负责数据的发送和接收；图像采集模块负责将视频信号转 换成数字信号；键盘与显示模块负责终端的显示和操作；供电模块负责对 整个监测终端设备提供工作电源。论文中对数据采集模块、GPRS 通信模 块和键盘显示模块的电路进行了详细说明。 在远程监测终端的软件开发中，借鉴于实时操作系统进行软件开发的 层次化设计方法，在远程监测终端的软件设计中也采用了层次化的软件设 计结构。总的来说，整个监测终端软件采用的是先软件分层，再结合有限 状态机、利用事件驱动的方法来设计的。论文中首先对远程监测终端软件 开发中应用的编程方法进行了介绍，然后对远程监测终端的部分底层驱动 程序以及应用层程序的设计进行了详细说明。 论文最后对计算机监控中心的软件开发作了简要说明。 关键词：关键词：GPRS，分布式油田，计量和防盗，Cortex-M3 内核， STM32F103C6T6 THE SYSTEM DESIGN OF MEASUREMENT AND ANTI-THEFT FOR CRUDE OIL OF DISTRIBUTED OILFIELD BASED ON GPRS NETWORKS ABSTRACT To solve problems of crude oil measurement and loss in distributed oilfield, a crude oil measuring and anti-theft system is designed based on GPRS wireless network in the paper. In the system, a lot of problems existing in distributed oilfield for a long time can be solved, such as rough measuring method, poor real-time performance and high man-made errors. With the help of alarming system, oil-theft criminals will be reduced. The aim of the whole system is to improve the informatization management level of distributed oilfield. The system contains two parts: remote-monitoring terminal and computer- monitoring center. Remote-monitoring terminal collects data of crude oil level in oil tank, valves status and images surrounding the oil tank when the burglar alarm equipment is triggered. Finally data are sent and received via GPRS wireless network. Computer-monitoring center achieves logging on Internet website through fixed IP to complete some functions such as data receiving, saving and analysis, the real-time display of crude oil level in oil tank, current valves status and report forms printing. In order to ensure flexible configurations of the whole hardware and make it debug easily and maintenance simply, modularization design method is adopted in hardware design of remote-monitoring terminals. According to system function，hardware is divided into such five modules as data acquisitions module, GPRS communication module, image acquisition module, keyboard and display and power supply modules. The core of data acquisition module is ARMs latest Cortex-M3 processor STM32F103C6T6, which is in charge of the whole control of monitoring terminals. GPRS module is composed of BenQs M23A GSM/GPRS modules and related peripheral circuits, which is responsible for sending and receiving data. Image acquisition module transforms the video signal into digital signal. Keyboard and display module implement display and operation of the terminal. And power supply module achieves power provision of the whole terminal equipment. In the paper circuits of data acquisition module, GPRS communication module and keyboard module are described in detail. During the remote-monitoring terminal software design, software design is built in the hierarchical design way which have been using in real-time operating system software developed. Generally speaking, the whole remote-monitoring terminal software design uses hierarchical software design, and then combines with finite-state machine and takes advantage of case-driven last. System software programming idea is introduced firstly, and then driver program and application layer programs of monitoring terminal are described in detail. Finally, a brief description of software design of computer -monitoring center is given in the paper. KEYWORDS: GPRS, distributed oilfield, measurement and anti-theft, Cortex- M3 core, STM32F103C6T6 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.III 目 录.I 1 绪论 .1 1.1 项目背景及研究的目的和意义 .1 1.2 项目的国内外研究现状 .1 1.3 论文的主要研究内容 .2 1.4 论文的组织结构 .3 2 需求分析 .5 2.1 系统要解决的问题 .5 2.1.1 远程监测终端的要求 .5 2.1.2 计算机监控中心的要求 .5 2.2 远程监测终端功能分析 .6 2.3 计算机监控中心软件功能分析 .6 2.4 系统技术参数 .7 2.4.1 运行环境 .7 2.4.2 测量参数及要求 .7 2.4.3 无线通信范围 .7 3 总体设计方案 .8 3.1 设计原则 .8 3.2 系统方案 .8 3.2.1 远程监测终端的结构 .9 3.2.2 计算机监控中心的结构 .10 3.3 系统方案的可行性 .10 3.4 系统开发涉及的相关内容 .12 3.4.1 GPRS 网络 .12 3.4.2 GPRS 模块选型 .16 3.4.3 M23A GSM/GPRS 模块.16 3.4.4 AT 指令集.18 3.4.5 远程监测终端的外设备选型 .19 3.4.6 远程监测终端的微控制器 .24 3.4.7 开发工具 .27 4 远程监测终端的硬件电路设计 .29 4.1 系统电源设计 .30 4.2 数据采集模块的电路设计 .31 4.2.1 微控制器外围电路 .31 4.2.2 实时时钟电路 .34 4.2.3 数据采集模块的供电电路 .34 4.2.4 数据采集模块的串行通信电路 .35 4.2.5 模拟信号采集电路 .36 4.2.6 开关量输入处理电路 .37 4.6.7 开关量输出处理电路 .38 4.2.7 LED 及蜂鸣器电路.38 4.2.8 SD 卡接口电路 .39 4.3 GPRS 通信猫的电路设计 .41 4.3.1 M23A 模块供电电路.41 4.3.2 M23A 模块启动电路.41 4.3.3 M23A 模块通信接口电路.42 4.3.4 SIM 卡接口电路 .43 4.4 键盘与显示模块的电路设计 .44 5 远程监测终端的软件设计 .47 5.1 软件设计方法 .47 5.1.1 有限状态机 .48 5.1.2 事件驱动的程序设计方法 .49 5.2 远程监测终端底层驱动程序设计 .52 5.2.1 STM32 固件库.52 5.2.2 系统时钟节拍驱动程序 .54 5.2.3 串口底层驱动程序 .55 5.2.4 M23A GPRS 通信驱动程序.57 5.2.5 图像采集驱动程序 .63 5.2.6 开关量采集驱动程序 .64 5.2.7 模拟量采集驱动程序 .65 5.2.8 SD 卡驱动程序 .66 5.2.9 键盘与显示驱动程序 .68 5.3 远程监测终端应用层程序设计 .71 6 计算机监控中心的软件开发 .75 6.1 数据库的选择 .76 6.2 功能模块的设计 .77 6.2.1 用户管理模块 .77 6.2.2 系统查询模块 .79 7 结论 .81 致 谢 .82 参考文献 .83 附录 A：数据采集板原理图 1-1 .86 附录 B：数据采集板原理图 1-2 .87 附录 C：GPRS 通信猫原理图 .88 附录 D：键盘显示板原理图 .89 攻读学位期间发表的论文目录 .90 攻读学位期间参与的项目 .90 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 .91 1 绪论绪论 1.1 项目背景及研究的目的和意义项目背景及研究的目的和意义 能源问题是一个国家经济发展的命脉，它严重影响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。我国是一个石油资源不十分丰富的国家，自 1993 年开始，我国便超越日本成为 仅次于美国的世界上第二大石油进口国1，能源机构预测显示，为了保持高经济增长势 头，在 2040 年，中国将有 87的原油依赖于进口2。 我国相当一部分油田的井场属于分布式布局，分布式布局指的是油井数量多且分布 比较零散，各个井场之间相隔几十甚至上百公里，分散布局在各个山头或沟壑，每个井 场由 310 口井组成，每口油井独立对应一个标准储油罐。由于各个井场储油罐相距较 远，目前采用的储油方法是各井场独立存油，一段时间后再通过拉油车将原油运输到储 油中心。管理方面当前多采用看井工人工管理和统计每日原油灌的储存量，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，并且由于缺乏监管机制，使不法分子 有机可乘，偷盗油现象很严重，据有关资料，目前陕北共有分布式油井 3 万多口，以产 油 100 万吨为生产计划，历年来丢油的数量十分惊人，被偷盗原油占总产量的 1015之间3。以上存在的问题对油田的管理带来很大影响，并严重影响了经济效 益。 随着我国国民经济的高速发展，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实现对分布 式油田的原油计量与防盗，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，是分布式油田管理面临的新问题。 针对分布式油田原油计量和防盗存在的问题，本论文提出了油田的原油计量和防 盗的自动化监控管理方案。该方案运用 GPRS 无线技术作为通信媒介，利用自动化监测 技术，实现对分布式油田的原油计量和防盗的远程监控，可以节省人力物力，降低劳动 成本，改善工人工作条件，提高生产效率与管理水平。 1.2 项目的国内外研究现状项目的国内外研究现状 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，而在对采油现场的原油生产自动化管理上，国内石油企业与国外同行还是有一定差 距。国外的油田大多采用数字化信息技术对油田进行实时监控，国内目前只有少数大型、 集中分布的油田能够实现自动化控制，多数的分布式油田工作状况的管理基本上还是依 靠人工的方法测控，大量参数需要报交技术人员进行分析判断再得出相应结论。 针对原油的计量和防盗，国内目前的发展状况是：在原油计量方面，国内自二十世 纪八十年代末在原油计量管理上推行了三级计量4（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。随着国内大部分油田开发 都进入到后期，产能递减，产液量增加，油井、计量站规模加大，原三级计量管理模式 在某种程度上不能满足当前油田开发生产的需要。近年来国内对原油计量的研究主要有： 李昌岭工程师用流量计对原油进行实时测量，用标量体积管来完成对流量计的在线标定 5；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6；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正， 解决了含有泥沙杂质的原油计量问题7。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8。袁波等人应用玻璃管液面计量法，实现对油田的 遥控遥测和无人值守9。 在原油防盗技术研究方面，随着计算机和信息图像技术的不断发展，越来越多的 技术手段被应用在原油防盗问题的解决上，但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10。 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11。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，并实时反馈给控制中心12。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13。 纵览国内外关于油田原油计量和防盗的研究现状及发展趋势，为油田原油计量与防 盗远程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计量与防盗和现 场设备防盗的研究相对较少。 1.3 论文的主要研究内容论文的主要研究内容 分布式油田原油计量与防盗系统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，同时若有原油被盗时现 场报警，拍摄现场照片，以为日后办案提供证据的功能。整个系统旨在提高管理水平， 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 储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，对原油液 面探测是系统实现的前提和关键。储油罐在野外，风沙大，温差大，环境恶劣，因此还 必须研究非接触式测量在恶劣环境下探测容积变化的模式和方法，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和储油罐阀门开启位置的变化量转换为数字量，对 数据实时采集、整理和前期运算处理，为数据显示和传输做好准备。 （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 GPRS 网络，建立无线通信通道，把所采集的数据上传到计算机监 控中心。同时还需要研究在无线数据网络偶然出现信号受阻问题的时候，如何保障测量 数据的连续性，数据不丢失。 （4）建立可靠的防盗报警系统 原油的防盗报警是整个系统的重要功能，从多个方面保证报警系统的可靠性，一是 研究放油阀门异常开启的报警，即开关报警量；二是研究油位在非正常时间，异常变化 的报警，即模拟报警量；三是当有异常报警发生时，采集现场图片数据，为日后办案提 供证据。此外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。 1.4 论文的组织结构论文的组织结构 本项目源自于陕西省教育厅科技产业化培育项目，项目编号 07JC05，根据本人在 项目中承担的任务，论文中对远程监测终端的硬件和软件开发作了详细介绍，对计算机 监控中心软件开发只作了简要介绍，论文最后对远程监测终端的开发设计作了总结。 论文共分为 7 章，其组织结构如下： 第 1 章 绪论。主要介绍项目背景及研究目的和意义，国内外研究现状，最后给出 了本文的主要研究内容和组织结构。 第 2 章 需求分析。根据系统需要解决的问题，对整个系统进行了功能分析，确定 了系统各个部分的功能，最后给出了系统的相关技术参数。 第 3 章 总体方案设计。首先说明了整个系统的设计原则，提出了系统总体设计方 案。整个系统由远程监测终端和计算机监控中心两个部分组成，介绍了这两个部分的结 构框图，然后对整个系统的可行性进行了分析，最后对远程监测终端开发将用到的相关 技术进行了介绍。 第 4 章 远程监测终端的硬件电路设计。远程监测终端采用模块化的电路设计方法， 依据系统功能自顶向下的把硬件分成了五个模块，文中对各个模块的电路进行了详细说 明。 第 5 章 远程监测终端的软件设计。远程监测终端的软件通过先分层、结合有限状 态机、利用事件驱动的编程思想来设计的。文中先介绍了软件编程的思想，在此基础上 对远程监测终端的底层驱动程序和应用层程序进行了介绍。 第 6 章 计算机监控中心的软件开发。文中简要介绍了系统中使用的数据库和监控 中心部分功能模块。 第 7 章 结论。文中对所做的工作进行了总结，并提出了目前存在的不足和今后改 进的方向。 2 需求分析需求分析 充分理解需求信息对系统开发的成功至关重要，对需求进行详尽的分析、准确的描 述可以缩短开发周期、降低后期开发成本，也是设计高质量、高可靠性系统的首要工作。 本章通过对分布式油田的原油计量和防盗需求上进行分析，以明确开发目标，满足 油田管理自动化应用需求。 2.1 系统要解决的问题系统要解决的问题 整个系统主要解决分布式油田的原油计量和丢盗油问题。分布式油田的特点是：井 场井群分散布局在各个山头或山沟之间，每个井场由 310 口井组成，每口油井独立对 应一个标准储油罐，待标准油罐储存满后，由 2050 吨的油罐车运到统一的集油站， 完成由分散到集中的过程。集中后的原油计量与保管非常标准正规，本系统主要针对的 是分散过程的原油计量与丢盗油问题，主要包括以下两个方面的内容： （1）研发原油实时动态计量系统。解决长期以来油田存在的计量方式简陋，实时 性差，人为误差大的问题。 （2）设计防盗油报警系统。针对分布式油田油井分布的地域广，不好管理的问题， 解决丢盗油现象。 2.1.1 远程监测终端的要求远程监测终端的要求 系统针对分布式油田的实际状况，要求监测终端应具备以下功能： （1）用非接触测量方法，对油罐内的原油进行实时测量。 （2）对油罐阀门的开关及设备的运行状态能进行远程监控。 （3）当有偷盗油时，抓拍现场图片并报警。 （4）油罐有油位上限报警功能及现场油位显示功能。 （5）采用无线数据传输方式上传检测的各类数据。 （6）现场调试、参数设置功能。 （7）故障自诊断功能。 （8）电源必须冗余设计，确保系统供电。 （9）具备一定的升级换代和扩展功能。 2.1.2 计算机监控中心的要求计算机监控中心的要求 计算机监控中心要求实现以下功能： （1）显示远程现场监测终端的测量信息。 （2）应能自动生成油罐存油的日、月、年报表。 （3）统计分析功能，可以查询任意油罐中原油的现存量，历史存量。 （4）下达各种测控指令。 （5）建立数据库存储现场数据。 （6）及时的数据备份，保证数据不丢失。 （7）报表打印功能。 2.2 远程监测终端功能分析远程监测终端功能分析 分析整个项目对远程监测终端需求的功能，总的来说应具备如下几点： （1）具有数据采集存储功能。远程监测终端的基本功能是实时监测存油罐中油位 高度、油罐阀门状态、报警器状态，当报警器被触发时，采集现场的图片数据，以为办 案提供第一手资料。 （2）具有数据处理功能。远程监测终端对模拟量可分别设置报警上、下限，有效 上、下限，当数据越限值时可生成报警记录。 （3）具有通信功能。远程监测终端把各监测数据通过 GPRS 无线网络发送至计算 机监控中心，其通讯方式采用突发事件主动上报和定时上报两种。远程监测终端也能接 收来自监控中心的各种命令。 （4）具有电源切换及电池充电功能。当有交流电源时系统使用交流电源为系统供 电，并给蓄电池充电。当交流供电丢失时，系统能够自动切换到由蓄电池为系统供电， 并保证系统在电池供电的情况下可以持续工作一定的时间。 （5）具备一定的功能扩展能力。本课题中以分布式油田采油现场的储油罐为对象， 实现原油的计量和防盗，整个系统可以稍加修改应用到其它设备的远程监控上，另外远 程监测终端的硬件设计也为系统的功能扩展留有余地，以进一步实现对采油现场抽油机 等设备的监控。 2.3 计算机监控中心软件功能分析计算机监控中心软件功能分析 根据项目需求，计算机监测中心软件应具备通信、数据库管理及数据处理、各种显 示、报表打印和参数设置等功能，计算机监控中心软件的功能分述如下： （1）通信功能。计算机监控中心通过固定的 IP 地址接入 Internet 网络，接收监测 终端采集的数据；同时可下达各种控制命令给远程监测终端。 （2）数据库管理及数据处理功能。建立数据库存储现场数据，对通信采集的原始 数据进行加工处理、并进行各种累计和统计工作。 （3）显示功能。全部数据列表、分组数据列表、单点的历史数据列表（年、月、 日）显示、故障列表显示等功能。 （4）报表功能。以表格的形式，记录、显示各监测点的数据信息，可代替人工抄 表填写工作运行报表。 （5）打印功能。提供多种打印方式，可根据需要将报表打印出来。可打印的内容 包括各种报表、统计图表、趋势曲线等各种表格。 2.4 系统技术参数系统技术参数 2.4.1 运行环境运行环境 （1）各监测点分散分布、距离远、地形和环境复杂。 （2）温湿度变化范围大。 （3）各种电磁干扰。 2.4.2 测量参数及要求测量参数及要求 本系统监测的物理量共三种，分别是模拟量信号、开关量信号和视频信号。 （1）油位变化范围：08 米；测量精度：30 毫米。 （2）外部开关量电平输入：高电平 16V24V，低电平 0V8V。 （3）视频信号接口方式：RS232。 2.4.3 无线通信范围无线通信范围 GPRS：在移动基站覆盖的地域。 3 总体设计方案总体设计方案 3.1 设计原则设计原则 系统的设计原则体现了整个系统的实现思路，是系统实现的技术基础和依据。根据 分布式油田现场的实际情况，本系统中按下列原则进行了总体设计： （1）可靠性原则 可靠性是整个系统的基本要求，在使用中要求系统具有抗恶劣工作环境的能力，无 故障工作时间长。具体包括硬件系统的可靠