（控制理论与控制工程专业论文）基于高可靠数据采集的远程录井监控管理系统.pdf

大连理一 人学硕十学位论文 摘要 录井技术是油气勘探中的基本技术，其主要任务是在实时状态下获取各项资料，为 油气田的勘探和开发提供可靠的第一性信息。2 0 世纪7 0 年代以后，以计算机做信息变 量的处理为特征的综合录井技术逐渐发展起来，并日益受到油气公司的重视。 通过对国内外综合录井系统发展趋势的分析，我们发现当前国内录井系统存在以下 两点不足：第一，国内各录井公司的录井小队作业模式分散了公司的技术力量，增大了 现场操作人员的工作强度。而当录井现场出现问题时，由于录井信息中心的管理人员缺 少反映录井现场情况的数据而导致问题处理不够及时。第二，录井作业的工作环境复杂 多变，作业容易受到各种自然因素和人为因素的干扰，因此随着录井公司规模的扩大， 其对录井数据采集可靠性的要求越来越高。而国内录井系统数据采集的可靠性仍不能满 足需要。 针对上述问题，本文设计了一种具有高可靠数据采集功能的远程录井监控管理系 统。系统具有数据处理、数据备份存储、数据远程传输、数据显示、故障诊断等功能。 与传统的录井系统相比，本系统具有以下两个特点： ( 1 ) 通过采用计算机网络技术，将录井数据远程传递到控制中心，使录井公司的管 理人员和技术人员能够对录井作业现场进行远程实时监测。同时，本系统加入了远程录 井状态监控和管理功能，使管理人员对录井现场的状况有更全面的了解。 ( 2 ) 通过录井传感器测量节点的双冗余热备份设计，和采集服务器的双机热备结构， 使系统具有故障诊断和容错功能，有效地提高了录井系统数据采集的可靠性。 现场使用证明，本系统的使用节约了录井公司的人力资源，降低了公司运营成本， 提高了录井作业的管理水平和工作效率。 关键词：高可靠性；数据采集；录井；远程管理；双机热备 基于高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 r e m o t el o g g i n gm o n i t o r i n ga n d m a n a g e m e n ts y s t e m b a s e do nh i g h l yr e l i a b l ed a t aa c q u i s i t i o n a b s t r a c t w e l ll o g g i n gt e c h n o l o g yi sab a s i ct e c h n i q u ei no i l - g a se x p l o r a t i o n ，i t sp r i m a r ym i s s i o n i st og e tt h er e l a t e dd a t ai nr e a l - t i m es t a t u s ，a n dt op r o v i d ep r i m a r yi n f o r m a t i o nf o ro i l - g a s e x p l o r a t i o n 。a f t e r 19 7 0 s ，t h em u dl o g g i n gt e c h n o l o g yc h a r a c t e r i z e db yp r o c e s s i n gt h ed a t a w i t hc o m p u t e rd e v e l o p sg r a d u a l l y ，a n db ea t t a c h e dm o r ea n dm o r e i m p o r t a n c e t h r o u g ha n a l y s i s i n gt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fm u dl o g g i n gs y s t e m sa th o m ea n da b r o a d ， w ef i n dt h a tt h e r ea r et w od i s a d v a n t a g e si nc u r r e n td o m e s t i cl o g g i n gs y s t e m s ：f i r s t l y , t h e ”l o g g i n gg r o u p ”m o d es c a t t e r st h et e c h n i c a lf o r c eo fl o g g i n gc o m p a n i e sa n di n c r e a s e st h e f i e l dp e r s o n n e l sw o r k i n gs t r e n g t h w h e np r o b l e m so c c u ri nw o r k i n gf i e l d ，t h em a n a g e r i a l s t a f fi nl o g g i n gi n f o r m a t i o nc e n t e rc a n n o th a n d l e dt h e mi nt i m eb e c a u s eo fl a c k i n gd a t a r e f l e c t i n gt h es i t u a t i o ni nw o r k i n gf i e l d s e c o n d l y , t h ew o r ke n v i r o n m e n to fw e l ll o g g i n gi s c o m p l e xa n di n c o n s t a n t ，a n dt h ew o r ki ss u s c e p t i b l et on a t u r a lf a c t o r sa n dh u m a na c t i v i t i e s ，s o m o r er e l i a b i l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o na r ed e m a n d e da sl o g g i n gc 9 m p a n i e s e n l a r g et h e i rb u s i n e s s b u tt h er e l i a b i l i t yo fd a t aa c q u i s i t i o no fd o m e s t i cl o g g i n gs y s t e m sc a n n o tm e e tt h en e e d s o na c c o u n to ft h e s ep r o b l e m s ，ak i n do fr e m o t el o g g i n gm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n t s y s t e mw i t hh i g h l yr e l i a b l ed a t aa c q u i s i t i o ni sd e s i g n e di n t h i sp a p e r t h i ss y s t e mh a st h e f u n c t i o n so fd a t ap r o c e s s i n g ，d a t ab a c k u ps t o r a g e ，d a t ar e m o t et r a n s m i s s i o n ，d a t ad i s p l a ya n d f a u l td i a g n o s i s c o m p a r e dt ot h ec o n v e n t i o n a ll o g g i n gs y s t e m s ，t h i ss y s t e mh a st w of e a t u r e s ： ( 1 ) b ym e a n so fc o m p u t e rn e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , t h i ss y s t e mt r a n s m i t st h el o g g i n gd a t a t or e m o t ec o n t r o lc e n t e r , s ot h em a n a g e r i a ls t a f fa n dt e c h n i c i a n sc a nm o n i t o rt h ew o r k i n g f i e l dr e m o t e l yi nr e a lt i m e i no r d e rt om a k et h em a n a g e r i a ls t a f fk n o wm o r es i t u a t i o na b o u t w o r k i n gf i e l d ，t h i ss y s t e ma l s oh a ss t a t u sm o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tf u n c t i o n s ( 2 ) b ya d o p t i n gt h ed u a lr e d u n d a n ta n dh o t - s t a n d b ym o d eo fs e n s o rm e a s u r i n gu n i t s ，a n d t h ed u a lc o m p u t e rh o t - s t a n d b ys t r u c t u r eo fd a t aa c q u i s i t i o ns e r v e r , t h i ss y s t e mh a st h e f u n c t i o n so ff a u l td i a g n o s i sa n df a u l t - t o l e r a n c e ，s oi ti n c r e a s e st h er e l i a b i l i t yo fd a t a a c q u i s i t i o no fl o g g i n gs y s t e me f f e c t i v e l y f i e l da p p l i c a t i o np r o v e dt h a tt h i ss y s t e mc a ns a v et h eh u m a nr e s o u r c e so fl o g g i n g c o m p a n y , r e d u c et h eo p e r a t i o nc o s to fc o m p a n y ，a n di m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e la n dw o r k e f f i c i e n c yo fw e l ll o g g i n g k e yw o r d s ：h i g hr e l i a b i l i t y ；d a t aa c q u i s i t i o n ；w e l ll o g g i n g ；r e m o t em a n a g e m e n t ； h o t s t a n d b y i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：皇i 壶塑盘筮丝塞鱼曼塑壹芏堡蕉篁望丞堕 作者签名：立翌整 日期：丝全2 年竺月互日 大连理丁大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：塞i 壶重量邈鍪堡笪鎏丝壹羞丝蕉篁望亟查 作者签名：立盥日期：型!年堕月卫日 导师签名：易塑一 日期：孕年旦月监日 大连理工人学硕十学位论文 1绪论 1 1 录并技术介绍 录井技术随着石油工业的兴起而产生，至今已有近一百年的历史【1 1 ，到2 0 世纪6 0 年代为止，录井技术已经在世界上得到广泛地发展【2 1 。作为油气勘探开发活动中的基本 技术，它是发现油气藏、评价油气藏最及时、最直接的手段。录井的主要任务是在实时 状态下连续取全取准各项资料，为油气田的勘探和开发提供可靠的第一性信息【3 1 。录井 技术按性质和目的不同，可以分为地质录井、气测录井、荧光录井、地化录井和综合录 井等。 综合录井在国外被称为泥浆录井，是指在录井作业中，随着钻进过程利用钻井液( 泥 浆) 的循环来获取并检测录井参数的综合性技术。综合录井技术于2 0 世纪3 0 年代首先 在美国产生，到2 0 世纪7 0 年代以后，以计算机做信息变量的处理为特征的综合录井技 术逐渐发展起来，并且越来越受到油气公司的重视。目前世界许多公司都把综合录井列 为钻井必须配置的一项技术任到4 1 。随着找油找气难度的增加，石油公司对钻井效率和 安全重视的推动，以及计算机技术的应用和普及，综合录井技术得到了突飞猛进的发展。 目前，综合录井技术已包含了电子信息技术、计算机应用和网络技术、地质、钻井工程、 油田化学等学科，逐渐发展成为实时录井、监测、处理、传输、评价服务及决策体化 的综合性较强的技术，并且还在进一步的发展之中。由于综合录井技术具有获取信息及 时、多样、分析解释快捷等其它勘探技术无法取代的优点，综合录井技术的地位将会大 大提高，特别是在“数字油田”的建设中，将有更大的发展远景和服务空问。 1 2 国内外研究状况与综合录井系统的发展 随着录井技术的发展进步，各种综合录井系统应运而生。综合录井系统的功能主要 在于现场工程参数、钻井液参数、气测参数的自动化实时监测、提供现场工程参数异常 监测、实时地层压力监测、油气层解释，它具有及时性强的特点，能够将现场相关信息 通过计算机终端实时传输到钻台、地质监督、工程监督等需要的场所，监督、指导钻井 安全作业，优化钻井参数，提高钻井质量和效率，是钻井作业的好帮手，是及时发现油 气层的眼睛。 在国外，综合录井系统的发展应用较早，技术也处于领先水平。尤其是2 0 世纪9 0 年代以后，随着石油工业的复兴和计算机技术的应用普及，综合录井设备有了快速发展， 先后出现了一批新型的录井系统。如加拿大d a t a l o g 公司的d a t a l o g 综合录井系统、美 国b a k e rh u g h e si n t e q 公司的a d v a n t a g e 综合录井系统、英国g e a r h e a r t 公司的d r i l l b y t e 基。r 高可靠数据采集的远稃录井监控管理系统 综合录井系统等，在这些软件系统中，增加了录井资料实时处理，录井资料局域网内传 输共享，或数据远程传输等诸多功能【5 】。同时，综合录井系统的整机性能、自动化程序、 可靠性和精确度也在不断提高，全部操作实现了计算机化。这方面较典型的系统有法国 g e o s e r v i c e 公司的a d v a n c e dl o g g i n gs y s t e mi i 型高级录井系统和美国h a l l i b u r t o n 公司的 s d l 9 0 0 0 地面数据录井系统。目前，世界上很多综合录井系统已发展成集井场多种数 据采集、显示、处理及解释为一体的综合性系统，它可满足安全优化钻井、综合判断油 气水层的多方面需要。但实践应用表明，由于存在操作语言、系统软硬件平台、联网方 式等多方面的限制，国外综合录井系统的许多功能对于国内录井操作并不适用。而上述 各综合录井系统虽然都有各自的优势，但侧重点仍然在工业数据的采集、存储和分析上， 对于现代化录井作业的远程监控和管理方面，还远不能符合实际需求。 国外综合录井技术的发展直接带动了国内的综合录井技术。近年来，随着我国经济 和科技的快速发展，国内的录井技术有了明显的发展进步。从2 0 世纪8 0 年代起，国内 的综合录井技术就开始快速的发展起来。首先，由石油大学、上海石油仪器厂等借鉴国 外录井技术的经验，率先研制了具有计算机实时数据处理功能的综合录井系统，揭开了 我国综合录井技术发展新的一页【6 1 。随后国内许多厂家在吸收引进国外技术的基础上， 研发了一批新型的录井系统。如上海神开公司的c m s 综合录井系统、荆鹏公司的r m s 综合录井系统、中原油田地址录井处研制的z l j 9 6 0 型综合录井系统等。随着信息技术 的发展，目前国内的录井系统的发展更为灵活，甚至还出现了许多小型录井系统，这些 系统设有打印设备，将采集的数据打印出来供工程分析人员查看。 但总体来看，由于起步较晚和经验不足，国内的录井系统与国外相比还存在很大差 距。近年来高油价下的勘探开发大投入，为国内各录井企业带来了较大收益。但多数录 井企业却没有将扩大的收益按一个合理的比例投入到技术研发上，因而录井领域在技术 层面上并没有得到根本改观 7 1 。而现在随着信息技术的进步，时代特性赋予录井技术以 新的使命。因此现在一些工程技术人员提出了“现代录井技术体系”的概念。现代录井技 术体系是指：以基本的录井技术为基础，以录井信息化为目标，通过信息技术的应用， 形成完整的录井信息采集、存储、传输、管理、综合应用系统，构建新的录井技术体系。 这一概念被广泛地提出和接受，表明工程上对综合录井作业的数据采集的高可靠性、数 据传输的网络化、以及对录井作业的监控和管理能力都提出了更高的要求，这必然成为 未来若干年内我国录井领域的一个重要发展方向【8 】。 一2 一 大连理1 ：大学硕士学位论文 1 3 课题研究的意义和方案 远程录井监控管理系统的主要目的有两个：一是提高综合录井系统数据采集的可靠 性，使录井系统在恶劣多变的环境下，能够持续、稳定的工作；二是通过数据的远程传 输，最大可能地减少录井现场技术人员的数量，使录井公司可以集中专家和分析人员在 远程控制中心对录井现场进行监测、控制和管理，对录井数据进行分析，以便能在同样 的人力下开展更多的业务量。 基于以上目的，本文讨论了一种基于高可靠数据采集的远程综合录井监控管理系统。 本系统的特色是在提高了录井数据采集可靠性的同时，将计算机网络引入了传统的录井 工程作业中，利用计算机广域网技术，双机热备技术、数据传输技术，状态监测和故障 诊断技术，有效实现了对录井数据及录井作业现场的远程监控和管理，节约了大量人力 资源，使录井公司可以集中专家和分析人员在控制中心远程分析各种数据，因此能在同 样的人力下开展更多的业务量。因此，本系统的设计有利于降低录井公司的运营成本， 提高录井作业的解释评价能力、作业能力和管理水平，提高录井作业的信息化、安全性、 可靠性和工作效率。 根据以上论述，确定本课题的设计方案和主要工作如下： ( 1 ) 设计具有双机热备功能的高可靠数据采集系统； ( 2 ) 对录井生产数据进行合理存储和封装，实现“黑匣子功能”； ( 3 ) 对录井分析中的测量数据建立计算模型，并进行准确计算； ( 4 ) 实现对录井作业现场的设备状态、工作状态进行远程监控管理； ( 5 ) 与钻井状态相配套的监测、显示界面，便于对录井数据进行分析评价。 基t - 高可靠数据采集的远程录弗监控管理系统 2 远程录井监控管理系统总体方案设计 2 1 系统的需求分析与功能设计 2 1 1 系统的需求分析 通过对综合录井系统发展趋势的分析，并对比国内录井技术的发展现状，我们发现 当前国内录井系统存在以下两点不足： ( 1 ) 目前国内各录井公司的录井小队作业模式分散了录井公司的技术力量，同时使 得录井现场工作人员的工作强度较大。而当录井现场出现问题时，由于录井作业信息中 心的管理人员缺少反映录井现场实际情况的相关数据和辅助分析软件，因此对录井现场 问题的处理不够及时。要实现录井信息从数据采集、处理、存储、传输到解释自动化以 及油气钻探过程的全面监控，将录井现场的各方面情况及时、准确地传递到管理部门， 直接关系到录井公司的油气勘探进程和经济效益。 ( 2 ) 国内录井系统的数据采集的可靠性有待提高。一方面，录井作业的工作环境复 杂多变，多数录井设备常年运行在环境恶劣的条件下，容易受到各种自然因素和人为因 素的干扰；另一方面，保证录井数据的准确性与完整性是录井作业的首要任务和核心环 节，并直接影响后续的地质评价和油气藏的分析。因此随着录井公司业务规模的扩大， 其对录井数据采集的可靠性的要求越来越高。而设计一种具有高可靠数据采集功能的录 井系统，已经成为录井行业需要解决的重要课题。 通过对当前国内录井系统现状和不足的分析，本文设计了一种具有高可靠数据采集 功能的远程录井监控管理系统。与传统的录井系统相比，本系统具有以下两个特点： ( 1 ) 通过采用计算机网络技术，将录井现场采集到的录井数据远程传递到录井控制 中心，使录井公司的管理人员和专业技术人员能够对录井作业现场进行远程实时监测， 并进行地质评价和分析，使录井公司可以集中优势兵力对录井作业中遇到的各种情况进 行处理。同时，为了使管理人员对录井现场的状况有更全面的了解，本系统加入了远程 录井状态监控和管理功能，通过对录井现场的设备运行状态、环境状态的监控，以及录 井作业的考勤管理、捞砂和取心管理、关键设备点巡检管理、视频监控服务等操作，使 远程录井控制中心的管理人员能够及时、全面地了解和指挥录井作业。 ( 2 ) 本系统从以下两个方面提高了录井系统数据采集的可靠性： 对录井传感器测量节点采用双冗余热备份设计，每个传感器测量节点拥有两个相 互独立的c a n b u s 测量通道。当一路损坏时，另一路仍然对传感器的测量数据进行正 常采集： 一4 一 连理工大学硕士学位论文 对采集服务器采用双机热备工作状态，具有故障诊断和双机切换的功能。当一台 服务器发生总线故障或网络故障时，另一台服务器能够自动接管采集服务，保证数据采 集的连续性； 212 系统的功能设计 图2 1 给出了远程录井监控管理系统的总体结构图。 回嚣 录井采集系统 无线网络 录：【f 工作现场 回器 数据终端 录j 睬集系统 无线州络 录井工作现场 蹦2 l 系统总体结构圈 f i g 2 1 g e n e r a ls a - a c h a e o f s y s t e m 控制中心服务器 针对远程录井监控管理系统的需求分析，系统必须在咀下几个方面建立完善的技术 保障体系或技术手段： ( 1 ) 建立具有高可靠性的数据采集系统 基于c a n b u s 的录井生产数据采集模块： 传感器冗余测量模块； 工程量转换、数据处理模块； 数字滤波抗干扰模块； 传感器校准模块； 录井测量数据计算模块； 基于高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 分析仪器数据采集模块( 包括氢火焰气相色谱仪、碳酸盐分析仪、泥岩密度分析 仪、荧光测定仪) ； 采集工控机双机热备模块( 包括数据镜像存储、心跳检测、故障诊断、双机切换 等功能1 。 ( 2 ) 建立远程录井状态监控系统 基于r s 4 8 5 的状态监控数据采集模块( 包括设备状态参数、环境状态参数) ； 远程录井管理参数模块( 包括考勤管理、捞砂和取心管理、关键设备点的巡检管 理、视频监控服务) 。 ( 3 ) 建立具有故障处理机制的数据传输共享系统 基于a d s l 、e d g e 、卫星通讯等多种路由选择的数据传输模块； 数据传输协议与数据包解析模块； 网络通信故障缓存处理模块； 远程录井系统工作状态传输模块( 包括传感器冗余测量模块状态、指令执行状 态、双机热备状态等) 。 计算机网络 l一一。 一，j 一k j r s - 4 8 5 ，、 ， r s - 4 8 5 、 ， e 矗釉一8 醛s ， 、 个” 一 ， 山、 ，、广 一一、 ， it 扒 一一 ：传；l 录i 孬 r 利 录手 二 数瞎系 囊荭! 篓 用； ( 暑 ：管延 !远陧状 釜 l 弦! 簧 户? 蛊 ! 数拱传渝 ，监则 塑! 毹 管l 理i 录测 4 引c 备 ；i i 6 i ：多 井 _ 早= 数数 1 据据 ! i 采计 - i 集算 一 一f ：i l1 一 一 一一l 一一j 一一，一 图2 2 系统总体功能框图 f i g 2 2 g e n e r a lf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 一6 一 犬连理丁大学硕士学位论文 ( 4 ) 建立录井作业远程管理控制系统 系统参数配置模块( 包括基本参数配置、传感器参数配置等) ； 录井数据的显示与报警模块； 远程录井系统用户管理模块； 根据以上的需求分析与功能设计，得到系统的总体功能框图如图2 2 所示。 2 2 系统的软件结构设计 2 2 1三层c s 结构及其优点 c s 结构即c l i e n t s e r v e r 结构，是一种常见的软件系统体系结构。在这种结构设计 中，设计者根据客户端和服务器两端的硬件特点，将任务合理地分配到客户端和服务器。 这种结构可以充分利用客户端和服务器的计算机资源，不但使客户端相应速度较快，也 减轻了底层服务器的负担。c s 结构的这种特点使得其在许多系统中得到了应用。 如图2 3 所示，目前大多数基于c s 结构的系统都是两层的。在这种体系结构中， 客户端上运行了大部分服务，如用户应用程序界面( g u t ) 、数据访问规则、业务规则、 合法性校验等。服务器主要提供数据库服务，客户端和服务器之间采用网络协议进行通 信，由客户机发出请求，服务器响应请求并提供相应的服务。 客户端 数据 服务器 g u i 、业务规则、 合法性校验 访问 jl 应答 数据库服务 图2 3 两层c s 结构 f i g 2 3 t o w - l a y e rc sa r c h i t e c t u r e 这种两层c s 结构的软件系统的优点是开发周期短，能够适应大部分中小型数据库 应用系统的要求。但随着信息技术和数据库应用的发展、数据容量的不断增加和业务逻 基于高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 辑要求的同益复杂，这种体系结构显示出了很多缺陷，主要体现在：这种结构中，包含 商业规则和应用规则的业务逻辑模块或者被放置在服务器端，或者被放置在客户端。这 不但使客户端或服务器的负担过重，而且当业务规则发生变化时，就必须对客户端应用 程序进行全面修改，大大增加了系统的维护成本，不利于系统的扩展和更新【9 】。 为了克服两层c s 结构的诸多缺点，三层c s 结构的软件设计架构应运而生( 如图 2 4 所示) 。在这种新的软件结构中，系统在客户端和服务器的基础上被进一步细分成数 据层、业务逻辑层和用户层。三层的功能分别为： 数据层：负责实现数据的采集或定义、永久数据的存储和检索、数据的基本完整性 和一致性维护。 业务逻辑层：负责对与工作内容、业务方式相关的各种数据的加工处理，以及进行 逻辑判断和相关计算等工作。 用户层：负责提供用户应用程序界面( g u i ) ，进行简单的计算和检查，并通过相关 操作完成用户指定的业务【l o 】。 用户层 g u i 用户操作信息 ji 数据传递 数据加工处理、逻 业务逻辑层 辑判断 数据访问 jl 应答 数据库服务 数据层 伞 】 专 图2 4 三层c s 结构 f i g 2 4t h r e e l a y e rc sa r c h i t e c t u r e 这种分层结构既可以是逻辑上的，也可以是物理上的，它将复杂的业务逻辑从系统 中分离出来，使各层之间有比较清晰的功能划分和层间接口。由于业务逻辑层完成了一 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 部分较为复杂的逻辑计算，因而减轻了数据层和用户服务层的复杂程度和负担，使维护 工作变得相对简单【1 1 1 。同时，由于这种结构将底层数据库与远程用户客户端做了有效隔 离，使客户应用程序不能直接访问数据服务，使系统的安全性大大地提高了。 2 2 2 系统软件结构设计 为了提高远程录井监控管理系统的稳定性、安全性与可维护性，本系统的软件架构 设计成三层c s 结构，各部分的功能如下： ( 1 ) 采集服务器 工作在录井现场。通过c a n 总线采集传感器数据，并对数据进行处理、存储等操 作。系统由两台工控机组成，正常运行时一台工控机处于工作状态，另一台处于热备状 态，当工作中的工控机因故障停止工作时，热各工控机会自动切换并接管数据服务工作。 这使得录井数据的采集具有了较高的可靠性。 ( 2 ) 数据通信服务器 工作在录井现场，具有两个网络适配器，其中一个与两台采集服务器组成局域网， 另一个具有独立的外网i p 地址，与i n t e m e t 相连。数据通信服务器有如下三个作用： 负责接收采集服务器传来的录井数据，将数据进行分类和解析后，向远程控制中 心传输。 安有录井监控摄像机，向远程控制中心提供视频监控服务。 出于对录井作业的野外工作环境的考虑，数据通信服务器还具有路由选择和切换 功能，以a d s l 、e d g e 和卫星通讯等多种方式实现数据的远程传输。 ( 3 ) 控制中心服务器 工作在远程录井控制中心。负责录井参数的配置、录井数据的实时显示和录井作业 的监控管理。录井公司的专家和工程技术人员可以在控制中心分析评价录井现场的各类 实时数据和录井设备的工作状态，并对录井现场进行远程监督和管理。 系统的软件结构如图2 5 所示。这种三层c s 结构的设计将网络模型中的数据层、 应用层和表示层的功能更加合理地进行了分配，使客户端和服务器功能更专一，以达到 高度的负载均衡。有效避免了传统的两层c s 结构中某一端负载过重的情况。此外，这 种结构设计还具有如下两个优点： 基丁高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 局域网 控制中心 t c p i p 牟a d s l e d c 数据通信服务器 t c 咖伞 采集服务器 ( 双机热备) e 卫星通讯 图2 5 系统软件结构 f i g 2 5 s o f e w a r ea r c h i t e c t u r eo fs y s t e m ( 1 ) 系统的通信中断处理机制为：当采集服务器与数据通信服务器断开，采集服务 器将要上传的数据写入本地缓冲区；当数据通信服务器与远程控制中心通信中断时，数 据通信服务器将要上传的数据写入本地缓冲区。这种二级缓存结构使得工作在底层的采 集服务器不必关心外部网络状况，而专注于数据的采集、存储和处理。由于采集服务器 与数据通信服务器同处在一个局域网内，通信状态较为稳定，因此有效减轻了采集服务 器的负担，提高了数据采集的稳定性。 ( 2 ) 由于这种结构避免了录井生产数据库与远程客户端用户程序的直接接触，使得 录井生产数据库的安全性得到了提高，为系统存储备份录井数据的“黑匣子功能”提供了 安全保障。 需要说明的是，两台采集服务器都配有c a n 总线接口卡，并与传感器采集模块构 成闭环c a n 总线网络。c a n 总线设计成闭环增强了数据采集的可靠性，同时也便于两 台采集服务器进行切换时对总线和传感器进行控制。 2 3 系统设计中的技术分析 2 3 1 录井数据的采集与现场总线技术 本系统的数据采集采用现场总线技术来实现。现场总线是一种能够有效实现现场设 备的数字化和网络化的工业数据总线，i e c ( i n t c m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n , m 人连理| t 大学硕士学位论文 际电工委员会) 对现场总线的定义为：一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设 备和控制装置之间进行双向、串行、多节点的数字式的数据交换的通信技术。现场总线 技术始于2 0 世纪8 0 年代，到2 0 世纪9 0 年代初步形成了一定的规模和多种标准协议【i 引， 目前现场总线技术正朝着开放系统、统一标准的方向发展【l3 1 。现场总线实质上就是用于 过程及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络，它的技术核心是支持现场总 线实现数据传输的通信协议。 在传统的d c s 设计中，大量的变送器数据都是以电流信号的方式传递到采集计算 机，这种方式在传输距离较长时容易受到外界干扰。而且，现场接线较为繁琐，给设备 的更新和安装造成了极大的不便。而现场总线系统则克服了上述缺点，通过采集模块数 字化后传输的方式，接线也较为方便，因此对于数据采集的可靠性提供了有力保障。 在常用的现场总线中，c a n 总线由于高功率、高可靠、设计独到的特点，被广泛应 用于汽车、医疗、纺织等各个工业领域【1 4 】。本系统也采用c a n 总线进行录井作业过程 中传感器数据的传输，因为c a n 总线的如下优点对录井作业十分有利： ( 1 ) 成本低。录井作业常常是大范围的野外施工，设备多作业量大，因而选用一种 经济可靠的总线传输能够有效地降低录井公司运行成本，提高经济效益。 ( 2 ) 支持较远的数据传输距离，可长达1 0 k i n 。录井作业的施工环境随地点变化较大， 需要采集数据的传输有较强的适应能力，c a n 总线的这种特点完全可以满足一般录井 作业的数据传输要求。 ( 3 ) 高速的数据传输速率，可高达1 m b i t s 。高频采样是录井数据采集的一个显著特 点，根据一般的录井作业要求，对绞车脉冲、大钩负荷、转盘扭矩、转盘转速等一些重 要的传感器参数，要求采样周期为5 0 0 m s ，甚至l o o m s 。选用c a n 总线传输大量的录 井数据符合实际要求。 ( 4 ) 可靠的错误处理和错误检测机制。c a n 总线的错误定义全面，并且对相应的错 误规定了有效的解决办法。录井作业对数据采集准确性的要求较高，c a n 总线的错误 处理机制使得录井采集系统能在复杂多变的现场环境中可靠地运行，为综合录井系统的 其他环节提供了稳定的底层支持。 ( 5 ) 节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能。在一次录井数据采集中， 一般会有3 0 多个传感器工作，当其中某一个传感器发生故障时，由于它会自动退出c a n 总线，从而避免了对总线上其他传感器节点的影响。这使得录井数据采集在故障状态下 也具有了较高的稳定性。 基丁高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 2 3 2 录井数据的存储与a d o 技术 本系统采用a d o 技术来实现录井数据的存储。a d o ( a c t i v e xd a t ao b j e c t s ) 是 m i c r o s o f t 为开发网络数据库应用程序而设计的面向对象的新接口，是可以屏蔽远程数据 访问复杂性、高效快速访问数据库的新技术。a d o 对数据库的访问是通过访问o l ed b 数据提供程序来实现的。o l ed b ( o b j e c tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，d a t a b a s e ) 是一种新的数 据库底层接e l ，它封装了传统的数据库访问技术o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t ) 的功 能，并能以统一的方式对不同的数据源进行访问，但o l ed b 应用程序编程接口的操作 比较复杂【l5 1 。而a d o 封装了这些接口，为不同的数据源提供了一种统一的面向o l ed b 接口的驱动。通过a d o 提供的一组非常简单的、封装了一般通用数据访问细节的对象， 可以快速创建数据库应用程序。因此，a d o 即封装了o l ed b ，又屏蔽了o l ed b 的 复杂性，从而有效地简化了o l ed b 的操作，是一种更高层的访问技术。可以说，a d o 是对当前m i c r o s o f t 所支持的各种数据库进行操作的最有效、最简单直接的方法【1 6 】。 图2 6 给出了o d b c 、o l ed b 和a d o 这三种数据库访问技术的关系图。 数据库应用程序 a d o l 。j 1 i o l ed b 1 ，今 。ijiji o d b c 一专、厂一1r 、? ，r 1r 、一卜一一一 巷燮鹰嗵譬系数摆岁 电子邮件文件系统 图2 6 三种数据库访问技术关系图 f i g 2 6 r e l a t i o n a lg r a p ho f t h r e ek i n d so f d a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g i e s 总体来讲，a d o 数据库访问技术具有如下几个优点： ( 1 ) 既可以用于关系数据库，又可以用于非关系数据库、电子邮件、文件系统等， 可以用统一的方法对不同文件系统进行访问，使应用程序具有很好的通用性和灵活性。 大连理下大学硕士学位论文 ( 2 ) a d o 应用与开发的语言无关，任何与c o m 兼容的编程语言( 如v i s u a lc + + ，v b ， d e l p h i 等1 都可以使用它【1 7 】。 ( 3 ) 较高的数据访问速度及较低的内存占用。 ( 4 ) a d o 忽略对象层次这一特性，使数据库应用程序的开发只需跟踪和创建相关对 象，克服了传统数据库接口开发方式的缺点。 ( 5 ) a d o 允许进行批更新，这样可以大大减轻网络负担，提高数据库处理效率。 2 3 3 数据远程传输与s o c k e t 通信技术 、 ( 线程启动) 、一一 一 创建监听s o c k e t 将s o c k e t 绑定到端口 将s o c k e t 设置为监听模式 一一一 接受客户端连接请求， 建立新的连接s o c k e t ， 堡笙妻竺童望墓至 n 0 用连接s o c k e t 与客户端通信 弋竺! ! 少 ：；沁 y 区蓝i 陬茴 阿高 图2 7 基于t c p 的s o c k e t 通信服务器程序流程图 f i g 2 7f l o wc h a r to fs o c k e tc o m m u n i c a t i o ns e r v e rp r o g r a mb a s e do nt c p 基丁高可靠数据采集的远程录井监控管理系统 ( 线程启动) 图2 8 基于t c p 的s o c k e t 通信客户端程序流程图 f i g 2 8 f l o wc h a r to fs o c k e tc o m m u n i c a t i o nc l i e n tp r o g r a mb a s e do i lt c p s o c k e t ( 套接字) 是网络通信程序中最常用的一种技术，它在应用程序中被创建，通 过绑定操作与驱动程序建立关系，是连接应用程序与网络驱动程序之间的桥梁。借助于 s o c k e t ，应用程序就可以通过网络驱动程序向网络收发数据。s o c k e t 最开始是由美国 b e r k e l e y 大学在u n i x 上实现的，s o c k e t 的出现使程序员可以很方便地访问t c p i p ，从 而方便地开发各种网络应用程序，因此s o c k e t 技术很快得到了普及。在本系统中，所有 数据的远程传输都是基于s o c k e t 技术实现的。 s o c k e t 在两种模式下执行i 0 工作：同步阻塞方式和异步非阻塞方式。在阻塞模式 下，i o 操作完成前，执行操作的函数会一直等待下去，不会立即返回，例如程序中调 用了s o c k e t 接收函数后，如果这时网络上没有数据传送过来，该函数就会阻塞程序的执 行，从而导致函数所在的线程暂停运行。而在非阻塞模式下，s o c k e t 函数无论如何都会 立即返回，返回后系统会采取某种方式将操作结果通知给调用线程，后者根据通知信息 来判断操作是否完成、是否出错【i 引。本系统采用了同步阻塞方式的s o c k e t 技术，并灵 大连理工大学硕+ 学位论文 活地对s o c k e t 设置阻塞时间，既保证了数据接收，又使得系统在网络通信故障的情况下 能够正常运行。 s o c k e t 应用程序在服务器端和客户端分别按照一定的流程来实现，而且基于t c p 和u d p 的s o c k e t 编程流程也不尽相同【1 9 】。本系统的网络通信采用的是基于t c p 的s o c k e t 技术，图2 7 和图2 8 分别给出了基于t c p 的s o c k e t 通信服务器和客户端的程序流程。 从提高软件安全性和容错能力的角度考虑，网络应用程序应该包含由于网络故障造成通 信和s o c k e t 中断情况下的通信恢复机制，因此在流程图中加入了s o c k e t 断开后的处理 过程。 图2 7 和图2 8 这两个流程图实际上建立了t c p i p 协议下的s o c k e t 基本通信模型， 这个模型很重要，本系统的所有网络通信程序都是在此模型基础上实现的。 2 3 4 多线程技术 进程是指正在运行中的程序实例，每次执行程序时，就启动了与该程序对应的进程。 然而进程并不执行具体任务，若要完成某项操作，进程必须拥有一个或多个在它的环境 中运行的线程，来执行包含在进程地址空间中的代码。 当程序中需要同时执行多个任务时，一般有两种选择：创建多个进程或创建多个线 程。通常情况下，编程中更多的是采用多线程技术来实现程序的各种功能，这是因为： ( 1 ) 创建进程时系统要为其分配很大的虚拟地址空间，占用资源较多；而多个线程 可以共享同一个进程的地址空间，占用资源少。 ( 2