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g p r s 系统在油井远程监控中的应用 汪宏杰( 石油与天然气工程) 指导老师：樊灵( 副教授) 李洪新( 高级工程师) 摘要 网络和通讯技术的迅速发展，有力地推动了油井自动化管理 水平的提高。采用无线监控系统实现对油井的数据采集、运行状 态监控、措施方案制定己成为种必然趋势。本文提出和设计了 种基于g p r s 通讯方式的抽油机远程监控系统设计方案，旨在实 现对油井的数据采集传输，完成油井示功图和泵功图绘制，提高 处理油井事故效率，并可以实时监控抽油机的运行状态。 本系统由抽油机数据采集层、数据传输层、数据处理和应用 层三个系统组成。数据采集层以p i c l 6 c 7 2 单片机为核心，可以完 成电压、电流、载荷和位移等数据的采集，实现数据的发送、接 收处理以及对抽油机的控制；数据远程传输采用g p r s 通讯模块实 现数据的传送，以完成下位机到监控中心的数据通讯工作；数据 处理和应用层处理采用v i s u mc + + 语言开发，可以实现对抽油机 数据的存储、工作状态的显示、示功图的绘制和远程故障诊断分 析等功能。利用系统提供的抽油井的示功图和泵功图特性可以快 速对油井的运行状态进行分析，查找问题，加强对油井的有效管 理，提高油井运行效率。 关键词：抽油井，g p r s ，示功图，泵功图 t h eu s eo fg p r si nas c h e m eo fr e m o t e m o n i t o r i n gs y s t e mf o r o i lw e l l s w a n g h o n g j i e ( o i l & n a t u r a lg a se n g i n e e r i n 9 1 d i r e c t o rb yv i c ep r o f e s s o rf a nl i n g & s e n i o re n g i n e e r l ih o n g x i n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , g r e a t l yp r o m o t e st h el e v e lo fa u t o m a t i cm a n a g e m e n t i no i ld i s t r i c t s a d o p t i n g w i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mt oc o u e c to i lw e l l d a t ea n dm o n i t o r i n gt h e w o r k i n gs t a t e sh a sb e c o m ei n t oai n e v i t a b l et r e n d t h ep a p e rp u t sf o r w a r d a n dd e s i g nas c h e m eo fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mf o ro i lw e l l sb a s e do n g p r s w h i e l lc a nc o l l e c ta n dt r a n s m i td a t eo fo i lw e l l s d r a wi n s t r u c t i o n p o w e rd i a g r a m sa n dm o n i t o rt h eo i l - e x t r a c t o r sa l lt h et i m e t h e s y s t e mm a i n l y i n c l u d e s t h r e e p a r t s ：o i l e x t r a c t o r s c o n t r o l u n i t ，r e m o t ed a t et r a n s m i s s i o nu n i ta n dd a t ep r o c e s s i n gu n i ti nt h em o n i t o r c e n t e r t h eo i l e x t r a c t o r sc o n t r o lu n i t ei so nt h eb a s eo f p i c l 6 c 7 2w h i e l lc a n c o l l e c td a t e ，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 ，l o a d sa n dd i s p l a c e m e n t i ta l s o c a l ls e n da n dr e c e i v ed a t e ，a n dc o n t r o lo i l e x t r a c t o r s t h er e m o t ed a t e t r a n s m i s s i o nu n i t et r a n s m i t sd a t eb yg p r sm o d e ms oa st oi m p l e m e n tt h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eo i l e x t r a c t o r sa n dt h em o n i t o r i n gc e n t e r t h e d a t ep 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 l c + + c a ns t o r eo i l e x t r a c t o r sd i s p l a yt h ew o r k i n gs t a t e d r a wi n s t r u c t i o n p o w e rd i a g r a m sa n dd i a g n o s et h em a l f u n c t i o n so fo i l e x t r a c t o r s “ t h e r ea r em a n yc h a l a c t w so fi n d i c a t o rd i a g r a ma n dp u m pi n d i c a t o r d i a g r a mi nd e t a i l w i t ht h e s ed i a g r a m ，t h es t a t e 爆o f p u m p i n gu n i t sw e l lc a l lb e d i r e c t e di m m e d i a t e l y a tt h es a m et i m ei tc a ns t r a n g t h e nt h ee f f i c i e n c yo f m a n a g c a n c n ta n dp u m p i n g u n i t sw e l l k e yw o r d s ：p u m p i n gu n i t sw e l l ，g e n e r a lp a c k c tr a d i os e r v i c e , i n d i c a t o r d i a g r a m ，p u m pi n d i c a t o rd i a g r a m 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：江塞苎! 砷年尹月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅 和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 侧7 年乒月1 1e l 2 0 一年乒月i i e l 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第l 章前言 第1 章前言 1 1 论文选题的背景和意义 自从一百多年前，以燃烧石油制品为动力的机器诞生以后，对石油 的需求量飞速增长，也为石油工业的崛起提供了发展契机。随着采油业 的发展，产生了被广泛使用的原油举升设备抽油井。据统计，我国 目前各油罔使用游梁式油井的采油井数约占机械采油井总数的7 5 左右， 美国也有9 6 的油田使用的是游梁式油井。虽然游梁油井同无游梁式油 井相比有很多弊端，由于数量多、采油成本较低等原因，游梁式油井在 一段时期内还会占据油井市场的主导地位，近期内不可能被取代。 目前我国的绝大部分油区都位于东北、内蒙古和黄河三角洲地区， 根据油区地质构造的不同和地下原油储量的具体情况，油井的分布比较 复杂，油田的生产组织管理上分为采油厂，每个采油厂下辖几个采油矿， 每个采油矿又管理着周围分布的十几个采油队，以采油队为基层单位管 理着附近的采油井，油井数量多且分布范围由几十至上百平方公里，分 布比较零散。采油队日常的生产管理方法是，每天定期巡井，检查油井 的运行情况，记录电机运行参数，井口参数等数据，并对油井进行维护 保养工作。这种方式不但受晨昏风雨和距离的限制，也必然增加工人劳 动强度，并且影响了设备监控与采油数据的实时性，甚至准确性。当出 现故障时不能及时发现，得不到有效检测、防患和控制。 近些年随着油田现代化管理水平与技术的不断提高，特别是在“数 字油田”建设方面【1 】【2 】，基于这种大环境的进_ 步改善，本课题结合目前 采油队生产的实际情况，开发了一套适合油井实际情况的无线监控系统， 中国石油大学( 华东) - r 程硕士论文第l 章 前言 它实现了对油井进行实时数据检测，在该系统中通过使用p i c 单片机和 g p r s 网络，将下位机检测到的单口采油井的状态参数，以无线通信方 式传送给监控中心，旨在实现对油井的数据采集、传输，完成示功图绘 制，并可以实时监控油井的运行状态。从而实现各单口油井状态的监控， 减少人员投入，缩短油井故障发现和排除时间，提高生产效率。 1 2 油井远程监控系统发展过程及现状 近年来，随着国际油价持续走高，中国能源市场的竞争将日趋激烈， 油田企业要适应这种变化，除不断提高原油产量外，加快生产管理自动 化、信息化和安全盗控设备的建设，也是提高竞争力的有效手段。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。而在油田地面工程，特别是对原油生产基础单元油井的自动 化管理上，国内石油企业与国外同行还是有一定差距。 当前，国内的多数采油矿区工作状况的管理基本上还是靠便携式测 试仪或车载测试仪由专人定期到井口测试数据，人工控制，与油井矿区 大量采油处理系统如采油站、注水站等的管理基本是分离的，几乎全部 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得出相 应结论。然而，在工作期间设备故障( 比如空抽、泄漏、断杆、脱杆等) 是随时可能发生，稍有偏差就会造成巨大经济损失，有些时候还可能危 及工作人员的生命安全。显而易见，采用人工方式可以满足简单的应用， 却无法满足数字化油田建设的需要。早在六十年代，我国就开始研究、 生产油井远程监控系统，但是由于受各种因素( 性能、成本、通讯距离) 的限制，特别是不能解决油井数目较多、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。包括后来发展的大、小微波技术、 2 中国石油大学( 华东) i 程硕士论文第1 章前言 电力载波技术 3 1 1 4 也都因为成本投资大，以及油井工作环境恶劣，盗窃破 坏严重，产品化程度差、传输速率较慢，干扰和杂音大等原因而无法投 入使用。尽管后来随着现代通讯网络技术的迅速发展，采用g s m t 5 1 短信 息的方式，但因其服务费用较高，可传送的数据量较小而被淘汰，表1 - 1 、 表1 - 2 是数据采集常用通讯方式的比较。 表1 1几种数据采集常用通讯方式的比较 、传输方式 g p r s有线有线光纤 比较内容 d u t拨号方式专线方式传输模式 覆盖范围 全国全国区域区域 建设费用一般较低较高高 施工难度较低一般较高高 施工周期较短一般较长 长 计费方式流量时间+ 次数租赁租赁 运行费用较低较高 高 高 通信速率较高一般 高 高 误码率较低 高较低 低 可靠性较高一般较高较高 实时性较高极低较高较高 维护成本极低一般较高较高 分散、实时实时无要求较大数据较大数据 应用场合 数据传输的场合实时传输实时传输 随着无线通信技术的不断提高，利用移动运营商提供的无线网络实 现远程油井系统数据采集和监控，是油井现代化管理的一个重要发展方 向。 由于g p r s 网络通信技术已经成熟，利甩g p r s 无线通信方式来实 现对油井工况的监控，无疑是对现有资源的最大利用，最重要的是在保 证数据传输及时、准确的前提下，将系统运行费用也降低到了极低。同 时，通信链路由专业的运营商来维护，避免了用户在使用监测系统的同 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第1 章前言 时，还需要耗费很大精力去维护通信线路的问题。 表1 - 2 几种数据采集常用通讯方式的比较 传输方式 g p r s 短消息 超短波 比较内容 d u t无线数传电台 覆盖范围全国全国不大于2 0 k m 建设费用一般低高 施工难度较低 低 高 施工周期较短较短 长 计费方式按流量无月租o 1 元，条占频费 运行费用较低较高一般 通信速率 2 0 k b p s 1 2 k b p s 误码率较低 较高 高 可靠性较高一般低 群收群发支持不支持不支持 传输时延 短 长 短 网络协议支持不支持不支持 维护成本低低 高 基于移动无线网络的油井监控系统可直接通过g p r s 通信控制器 0 2 1 ，实现主控计算机和抽油设备之间的无线数据通路。g p r s 通信控制 器利用标准a t 命令集1 2 8 】驱动控制其内部具有无线收发功能的g p r s 模 块，通过i n t e r n e t 与主控计算机建立连接，主控计算机则以g p r s 无线模 式进行超远距离的下达命令，上传数据。 随着无线通信技术的日益发展，特别是3 g 技术 z s l 的发展，未来油 井远程监控系统的测量数据将会更加准确、及时，这些都为油井的自动 化、信息化管理提供了有力的支撑，应用范围也将更为广泛。 1 3 本文研究的主要内容 本论文主要包括四部分的工作：下位机数字信号及模拟信号的采集 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第l 章前言 与处理的软、硬件设计；上位机监控系统的软件设计与调试；利用远传 数据进行工况诊断分析；无线通信监控系统其它功能的实现。 论文各章节的编排组织如下： 第一章绪论部分简要地描述了本课题的学术研究背景和意义，以及 本系统研究的主要内容。 第二章是无线通信式监控系统总体方案设计，在这一章详细地介绍 了整个系统的硬件和软件设计方案。 第三章详细地介绍了信号采集系统的硬件和软件设计方案，a d 转 换以及无线通信的基本原理和数据无线传输的设计。 第四章结合生产实际，进行了系统诊断实例分析：一 第五章简单介绍了本系统实现的其它功能，结合实际分析了该系统 取得的经济效益。 第六章结论与展望。 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章总体方案设计 第2 章总体方案设计 2 1 系统实施基础条件 该系统是一个全天候、2 4 小时运行的生产设备监测控制系统，而数 据传输网络是整个系统赖以正常运行的基础。因此，系统方案的实施基 于以下基本条件： ( 1 ) 局域网己铺设到所有基层采油小队、采油矿、采油厂 ( 2 ) 连接劲以上各基层应用单位的局域网是安全、可靠的，不能出现 时断时续的情形 2 2 系统原理 如图2 1 所示，井口控制器采集电量、回压、温度和油井示功图所 需的参数，传感器将螺杆泵的工作状态变换成对应的电压或电流值送至 井口控制器s u 。采用霍尔电压传感器监测三相电压，采用霍尔电流传感 器监测每台电机的各相电流，转换成0 v 5 v 电压进行a d 转换。然后 经g p r s 网，以g p r s 专线方式接入采油厂通讯服务器，数据通讯服务 器采用轮询方式收集井口控制器数据，数据经过相应的软件分析、处理、 计算后，进采油厂实时数据库。厂、矿、小队的计算机可根据不同的权 限，采用c s 或b s 模式对实时数据库进行访问【” 1 2 2 。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 章总体方案设计 g p r s m 0 d e m g r s o d m 图2 1远程监控系统原理图 2 3 系统逻辑结构 油井远程监控系统由数据采集层、数据传输层、数据处理和应用层 三个系统单元部分组成【2 7 】。 ( 1 ) 数据采集层 这一层可以显示正常的、有故障的、以及在某些情况下有故障前兆 的油井和螺杆泵设备状况。螺杆泵传感器安装在井口驱动头与光杆卡箍 之间，油井监控装置安装在井口控制盘上。 ( 2 ) 数据传输层 这一层可以定性和定量地识别设备状况，系统根据远传数据进行诊 断，对油井的工作状况进行分析，对油井电动机的工况进行分析。此系 统要求能够绘制诊断曲线图，并对其进行分析处理，系统具有很好的数 据库和网络支持，对传送回的监测数据可以利用工业局域网与i l l t e m e t 相连，为科研单位进行油井工作状态的二次远程分析与远程控制提供第 一手资料。 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第2 章 总体方案设计 ( 3 ) 数据处理和应用层 主要是基于客户端、服务器和浏览器相结合的模式，可以把全厂的 实时信息发布给厂、矿、大队、小队的管理人员、维护工程师和操作人 员每一位用户。使他们都可以浏览到与他们有关的重要性能指标、相关 的实时工艺信息等，并能够根据合适的条件设置或组态大量的数据点， 调整和改进生产工艺。另外，实时数据库部分需要管理的数据可以根据 信息点的重要程度以及用户的需求，导入油田管理数据库，为后续开发 应用提供统一的数据平台。 2 4 系统构成 2 4 1 系统硬件构成 油井远程监控系统用g p r s 通讯模式，系统硬件主要由传感器、井 口控制器s u 、g p r s 通讯模块d t u 、采油厂通讯服务器、应用服务器、 实时数据库服务器、w e b 服务器、监控浏览终端等组成【7 】【1 3 】。 2 4 2 系统软件构成 油井监测系统软件圈由通讯软件、数据处理软件、命令处理软件、 报警和事件处理软件、安全控制软件、图形制作软件和图形界面软件组 成，功能简介如下： ( 1 ) 通讯软件主要负责通过设定的通讯规约和接口与现场设备进行 通讯，获取现场设备所采集的数据或向现场设备发送数据和指令。 ( 2 ) 数据处理软件主要负责将通讯软件得到的原始数据按现场采集 点的类型进行转换、判断是否需要产生报警及数据存储管理。 ( 3 ) 命令处理软件主要负责处理用户的下发命令、将命令转换为通讯 服务器的控制指令，并协调多个用户同时下发命令时的关系。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 苹总体方案设计 ( 4 ) 报警和事件处理软件负责实现预定的报警效果、对报警和事件进 行记录、存储。 ( 5 ) 安全控制软件负责管理系统用户的认证和授权信息，对系统用户 进行身份认证和权限检查 2 4 1 。 ( 6 ) 图形制作软件和图形界面软件用于生成和显示用户图形界面。 2 5 系统实现的功能 ( 1 ) 油井s u 主要进行电压、电流、油井回压、井口温度与变压器一 次侧电流的测量，且保留油井遥控启停功能。同时通过传感器将螺杆泵 工作状态变换成对应的电压或电流值送至井口控制器s u 。 ( 2 ) 井口控制器进行电机有功、无功功率、功率因数、日用电量等参 数的计算功能。 ( 3 ) 对电潜泵井停机、电压过压、欠压、电流过流、欠载、井口回压 过高、过低、变压器过电流、缺相、相间短路等异常情况检测报警，线 路来电瞬间，也作为异常情况报警。 ( 4 ) 采油队监控机按照管理权限仅能查询本队油井的工作状态、实时 数据、及相关通信模块、配电线路的工作状态。 ( 5 ) 及时对油井的运行状况进行诊断、分析，以便工作人员及时制定 改进措施。 ( 6 ) 当电潜泵井出现过载停机故障时，将停机前一分钟内三相电流与 线电压( 如u 曲、u 。u b 。) 的数据上传数据库，为电泵故障诊断提供分析 数据。 ( 7 ) 采油队可以修改油井配置数据，如油井型号、电机型号、冲程、 线路名称、量程上、下限、报警上、下限等方面的数据，并能够添加新 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第2 苹总体方案设计 油井、删除停产油井、修改作业井的基本数据，可手动选择井号，实时 索要示功图、电流图。 ( 8 ) 系统具有示功图、电量图、转速、扭矩、载荷等参数的实时 趋势、历史趋势监视功能，可方便地了解历史参数变化情况、方便 快速分析。 ( 9 ) 系统将地理概念引入人机界面系统，使人机界面能反映地理信 息，可以非常直观形象反映整个油区的工作状况。 ( 1 0 ) 采油厂、矿与相关科室能够通过浏览器查询厂、矿、队油井的 工作状态与实时数据，当天停井情况、开机时率统计，以及历史数据与 历史记录。 2 6 小结 随着无线通信技术的不断提高，利用移动运营商提供的无线网络实 现远程油井系统数据采集和监控，是油田控制系统的一个重要发展方向。 由于g s n u g p r s 网络的通信技术【3 4 】已经成熟，覆盖面又广，利用 g s n f g p r s 无线通信方式来实现对各种仪表设备较为及时地控制，无疑 是对现有资源的最大利用。最重要的是g s n f g p r s 网络是由移动运营商 投资兴建的完整网络，利用现成的完整网络来构造无线监控系统，可以 节省数以千亿的导线材料及人工费用，达到环保、节能、资源最大共享 的目的，而且免除了网络的日常检修和维护工作，最大限度地节省了投 资。 基于移动无线网络的油井控制系统可直接通过g p r s 通信控制器， 实现主控中心与单井之间的无线数据通路。油井只需通过无线电或其他 可行方式将数据发送到g p r s 通信控制器，g p r s 通信控制器利用标准 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第2 苹总体方案设计 a t 命令集驱动控制其内部具有无线收发功能的g p r s 模块如m c 3 5 i ，通 过i n t e m e t 与主控计算机建立连接，主控计算机则以g p r s 无线模式进行 超远距离的下达命令上传数据。 这是一种很有潜力的远程控制方案，其特点是不需要重新组网，方 案无需变更就可以推广到不同地域使用。 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章数据采集和传输系统的设计 第3 章数据采集和传输系统的设计 数据采集主要是指在油井运行的一个周期( 冲次) 内，等间隔的取样 压力传感器、位移压传感器等数值，及电机模块传送来的载荷、扭矩、 转速参量数值，每项参量最多取样2 0 0 个点，所有的参量采集完毕后， 总数据量为3 k b 左右。 数据采集完毕后，要传送到监控中心。由于各项参量数据不是独立 传送的，所以首先要采用( 标识、长度、数据) 的格式对所有的数据 按顺序进行编码打包。然后再以固定的长度对打包好的数据进行分块， 分块的目的是保证每次送入网络的数据长度适中，易于网络传输，之后 再调用数据传输子程序把每块数据顺序发送出去。 程序完成功能是完成各路传感器的a d 转换，将数字信号采集到单 片机中，经过微控制器的处理，由其串口送进g p r s 模块，再由g p r s 模块完成与上位机的数据传输圈。 3 1 采集系统硬件设计 微控制器是下位机数据采集、处理系统的核心，一方面它要利用自 己的a d 将采集来的模拟量进行转化，另一方面要对转化后的数据进行 存储处理及传输，再加上系统要求的长期工作可靠性、低功耗、低工作 电压的环境，因此本系统的单片机要求具有高性能、硬件功能强大的特 点【8 1 1 9 1 1 1 0 1 ，为此选用了美国m i c r o c h i p 技术公司的p i c l 6 c 7 2 。 3 1 1 单片机硬件结构特点 1 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章数据采集和传输系统的设计 p i c 单片机是美国m i c r o c h l p 公司推出的8 位微控制器，是业内率先 采用精简指令集计算机结构的高性能价格比的嵌入式控制器，其高速度、 低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动能力、一次性编程 ( o t p o n et i m ep r o g r a m m a b l e ) 芯片的低价位、小体积等，都体现了鲜明 的硬件特点。 精简指令集计算机r i s c ( r e d u e e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) 结构， m i e r o c h i p 公司的p i c 系列微控制器的简洁性，为八位微计算机设立了一 种事实上的新的性能标准。先进的r i s c 结构体现在每一条高效率和功 能强大的指令上，可向上兼容，其程序指令除了程序分支指令是单字双 周期指令外，其它都是宽字单周期指令。在这些指令中，没有功能相交 叉的指令，所有的指令具有简洁性，而一般c i s c ( c o m p l e xi n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) 结构的微控制器通常有5 0 到1 1 0 条多字节多周期的指令。p d s c 结构的宽字单周期指令提高了软件编码的效率，减小了所需要的程序存 储单元，使系统具有最高处理效率和突出性能。 哈佛( h a r v a r d ) 弼2 总线结构3 6 1 的存储结构是基于哈佛双总线概念，数 据和指令传输总线完全分开以避免出现典型的普通c i s c 设计中经常出 现的处理瓶颈问题。 冯诺依曼结构 ( 普林斯顿结) 哈佛双总线 图3 - 1两种不同结构的示意图 如图3 - 1 所示，传统的冯诺依曼结构的计算机是在同一个存储空间 1 3 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章数据采集和传输系统的设计 取指令和数据( 即普林斯顿结构) ，两者不能同时进行，故限制了工作带 宽。而在哈佛结构的计算机中，指令和数据空间是完全分开的，一个用 于指令，另一个用于数据，由于可以对程序和数据同时进行访问，所以 提高了数据吞吐率。 3 1 2 技术性能特点 ( 1 ) 由于p i c 系列微控制器所用的宽字单周期指令，哈佛双总线和 r i s c 结构，其数据吞吐率最高每秒可执行7 0 0 万条指令，这几乎相当于 其他大多数微控制器速度的4 2 倍。 ( 2 ) 对时间要求苛刻的应用，p i c 系列微控制器可以提供一种新的低 成本的解决方案。利用其高性能算法处理能力的实时性可以取代低效率 的存储操作和精确度不高的查表法。 ( 3 ) 由于采用全静态c m o s 设计，电源操作功耗很低，但非常可靠， 因为片内有上电复位( p o r - - p o w e ro na e s e o 电路、监视定时器电路和r c 振荡器电路选择等，所以就不需要增加价格较高的片外支持的功能元器 件，从而降低了系统成本和系统功耗。 ( 4 ) 允许4 种方式的震荡器：r c 型( 低成本的r c 振荡器) 、x t 型 ( 标准的石英晶体振荡器) 、h s ( 高速石英晶体振荡器) 和l p ( 低功耗 低频石英晶体振荡器) ，用户可选择使用。 ( 5 ) 具有程序代码加密保护功能，可通过对片内e p r o m 保密设置进 行加密，输入、输出功能十分强大。 3 1 3 p i c 系列微控制器型号选择 根据本系统设计要求以及p i c 系列单片机性价比，确定使用 p i c l 6 c 7 2 单片机，该片是低功耗、高性能、8 位e p r o m 型单片机，寻 t 1 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章 数据采集和传输系统的设计 址空间为4 k x l 4 ，八级堆栈，多个内部及外部中断源。内部设有2 0 8 个字 节的r a m 和3 6 个i o 口，3 个定时计数器，2 个串行1 ：3 以及八通道高速 a d 转换器部分，这八路模拟输入口共用一个采样保持器。同步串行口 可设定为3 线s p i 或2 线1 2 c 方式，串行通信d ( s c i ) 可设置为同步或异 步方式，可容纳1 4 位指令和8 位数据，两级指令流水线结构，具有八级 堆栈、易于编程、软件代码小、执行速度快的优势，与其他单片机相比， p i c l 6 c 7 2 具有如下几个无法比拟的特点：低工作电压( 2 5 v 6 0 v ) 、操作 功耗低且极为可靠、片内有上电复位、监视定时器和a d 转换器，软件 指令仅3 5 条，有利于编程实现，除了跳转指令是两个周期指令外，其他 指令都是单周期指令，这使它相对于别的单片机有很大的速度优势。该 芯片具有休眠功能，即s l e e p 方式，此方式下芯片功耗极低，当需要芯 片工作时，可通过内部或外围中断方式唤醒芯片转入正常工作方式。 3 1 4 扩展数据存储器 p i c 系列微控制器的每一种型号的芯片都含有片内程序存储器，由 于本系统要对在油井里采集的数据进行存储，其中2 路功率采集信息量 加上8 路电流模拟量，一组数据至少2 2 个字节，如果按照每分钟采集6 次数据，每隔3 0 分钟传输一次，存储的信息量是2 2 6 3 0 = 3 9 6 k b ，根 据系统需要我们采用8 k b 的静态数据存储器6 2 6 4 对数据进行存储。要对 8 k b 的存储单元进行寻址，需要1 2 根地址线和8 根数据线。通过采用数 据线、低八位地址与高四位地址分时复用的方法，只占用一个8 位i o 并行1 1 1 ，再占用5 根线做控制线，就可完成数据存储器的扩展功能，提 高i o 口的利用【1 0 1 。 3 1 5 扩展e z p r o m 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 苹致据采集和传输系统的设计 无论是片内的r a m 还是扩展的数据存储器，它们必须在正常供电 的状态下才能正常工作，当系统出现突发事故，如系统断电或电路故障 导致系统供电不正常，如果这时系统电压低于正常工作的电压，单片机 将不能正常工作，这时就会发生数据存储器丢失数据的现象。为了避免 在这种情况下丢失数据，我们利用e z p r o m 存储数据在掉电状态下不丢 失的特性来保护数据。这里我们采用的是a t 公司生产的2 4 c 0 1 a ，有l k 的存储空间，并可以读写一百万次。当系统电压低于工作电压时，就把 主要数据写入到e 2 p r o m 中，等到系统电压恢复正常后，再从e z p r o m 读出。 3 2 传感器及信号传输系统的安装测试 目前井口控制器已有成型的综合检测模块，安装较为方便，本文主 要介绍由载荷、扭矩、转速三参数传感器所测螺杆泵【3 7 】【3 8 】的安装测试。 三参数传感器安装在井口驱动头与光杆卡箍之间，无线信号发射器 通过螺栓卡装在光杆上。螺杆泵工作状态下，传感器、无线信号发射器 与光杆同步旋转口“。 安装测试时需做如下操作： ( 1 ) 停止油井工作。 ( 2 ) 在驱动头三角罩内、光杆盘根盒之上的位置，有一段光杆裸露段， 在此位置安装一个光杆卡箍。 ( 3 ) 将驱动头上原来的光杆卡箍拆卸下来。 ( 4 ) 将传感器套在光杆上，并使传感器下端的凹键与驱动头上的凸键 相啮合，如果缝隙较大，应填充由钢锯条制作的钢片。 ( 5 ) 装测速探头，确保小磁钢在传感器上测速感应点运动轨迹的外园 1 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章数据采集和传输系统的设计 附近，间距5 m _ 1 0m l n 。 ( 6 ) 重新装上光杆卡箍：卸下盘根盒上的光杆卡箍。 ( 7 ) 将无线信号发射器用螺栓固定在光杆上。 ( 8 ) 将无线信号发射器的信号线与传感器连接起来，多余的信号线应 缠绕在光杆上。 ( 9 ) d t u 接通电源，红色信号灯闪亮表示可以正常工作。 ( 1 0 ) 打开监控中心计算机，执行g p r s 信息的接收和保存，屏幕上 出现“i n p u ti n if i l e n a m e ”，输入与传感器编号相对应的i n i 文件名，按 回车。 ( 儿) 屏幕上出现“i n p u td a t af i l e n a m et oh a v e “输入一个用来存储测 试数据的文件名，测试数据是以文本格式存储的，所以输入戗t 格式的文 件名，按回车。 ( 1 2 ) 屏幕上出现“s a m p l i n g p r e s sa n yk e y t os t o p ”表示计算机正在 进行数据采集。 ( 1 3 ) 启动油井，采集在静止、启动、正常运行、停机和静止过程中 的动态、静态载荷、扭矩和转速，按任意键停止采集数据。 在实际油井管理工作中可能存在三种情况：第一种，定期测试并装 卸传感器和发射器，即根据管理规定，定期对油井进行测试，而每次测 试都进行装卸传感器操作，这样每次测试均需完成上述步骤；第二种定 期测试不装卸传感器，条件许可的情况下每口井均安装有传感器，这样 每次测试时即可省去一部分步骤；第三种，阶段性监测油井动态，即在 一定时间段内，连续对油井进行工况监测，这样在一段时间内不必卸下 传感器和停止测试。 每次测试装卸传感器是件较繁重的工作，但却是节省一次性投资的 办法，每口井安装传感器，可以节约人力，缩短停井时间，从长远看也 1 7 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章 数据采集和传输系统的设计 不失为一种经济的办法，连续监测是对油井生产过程的跟踪，通过它可 以实时了解油井状态，进而可以实现对多井的中央监控。 图3 2 是一组测试装置的实物照片和安装调试现场照片( 发射器与传 感器之间的连接方式可能与实物有所变化) 。 图3 - 2 安装在驱动头上与光杆卡箍之间的传感器 这种传感器称为固定式三参数传感器，通过驱动头上的凸键与传感 器下端的凹糟相啮合，由于各个厂家不同型号的驱动头上的凸键宽度不 同，主要的尺寸有子3 0i n n 、3 5 衄、4 4 衄和4 71 1 1 1 1 1 等，传感器凹槽可以作 成相应尺寸。 这种传感器与无线信号发射器是分离的，它们之间有快速插头和计 算机串口插头两种连接形式。 图3 - 2 所示是通过快速插头连接的，与这种连接形式相配套的发射 器如图3 3 所示。快速插头的作用有两个，一个作用是连接信号，另一 个作用是把发射器连接并固定到传感器上。 计算机串口插头连接方式具有较小的旋转半径，适应于要求安装测 试设备空间较小的驱动头，最小旋转半径为5 5 衄，传感器与发射器之间 1 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章数据采集和传输系统的设计 用信号线连接起来，发射器用螺栓安装在光杆卡箍上方的光杆上。 图3 - 3d t o 上的无线信号发射器 图3 4 所示可移动式三参数传感器做成开口样式，并与无线信号发 射器做成一体。如图3 5 设计了专用的上、下转接头，可以实现载荷、 扭矩的完全分离测试，避免了对光杆受力状态测试数据的影响。 图3 4 可移动式三参数传感器与无线信号发射器 1 9 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章数据采集和传输系统的设计 图3 - 5 三参数传感器的垫铁与上、下举升接头 3 3 系统数据采集 3 3 1 数据采集过程中应注意的问题 本系统采集的数据信号分电流的模拟信号和功率的脉冲信号，脉冲 信号通过光藕隔离直接与单片机的r c 口相连，程序中判断有无脉冲来 计量功率。8 路模拟信号通过一个多路选择开关与单片机的r a 口相连， 通过开关选择可以把8 路信号依次传送到单片机中，且只需一个a d 转 换口，最后依次把传送来的模拟量转化为数字量，并存储。为了提高数 据采集质量，应注意下面几个问题。 ( 1 ) 分辨率：数据采集系统的分辨率主要是指p i c 的a d 转换的分 辨率。而a d 转换的分辨率定义为满刻度电压与2 “的比值，其中1 1 为 a d 转换的位数。本系统把o v 4 v 模拟电压转化为8 位二进制码，采 样分辨率为1 6 m v ，由于v d d 小于4 v 或v r e f 小于v d d 时，分辨率和 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章数据采集和传输系统的设计 精度会降低，所以我们设计时采用如下两条措施：一是选用v d d = 4 v 且 v r e f = 4 v ，二是通过电位器调节，使输入模拟电压在0 v 4 v 范围内变化。 ( 2 ) 采样频率：采样频率的设置和信号的性质密切相关。对于要达到 特定精度的a i d 转换，就必须要让采样电路中的电荷保持电容有足够的 充电时间，使其达到a d 输入通道的电压值，其公式为：采样时间= 放大 器稳定时间+ 保持电容充电时间+ 温度系数，即可得出。 ( 3 ) 滤波处理：由于模拟信号经过整流后其波形并不是一条直线，而 是有一定变化的锯齿波形，若只采集一次，往往与真实值不符，所以我 们采用平均滤波法即在一个周期内采4 5 个点的数据，用几何平均算法得 出的数值作为对电流的采样值，这样减小了误差，提高了数据的准确性。 3 3 2 a d 转换程序 a d 5 7 4 n 】为1 2 位数据输出，分高8 位和低4 位两次输出，由于输出 带有三态控制，其输出直接挂在数据总线上。p i c l 6 c 7 2 执行外部数据存 贮器写指令，使c e = l ，c s = 0 ，r c = o ，a o = 0 ，启动1 2 位转换有效。 然后p i c l 6 c 7 2 通过p 1 0 线查询s t s 端只状态，当s t s 为0 时，表明转 换结束，由于速度很快，适用于查询方式。之后执行两条读外部数据存贮 器指令分别读取转换结果的高8 位和低4 位数据，此时c e = l ，c s = o ，a o = 0 另外接口电路模拟量的输入为单极性输入，a d 转换程序1 6 1 2 5 】流程如图 3 - 6 所示。转换程序如下： # i n c l u d e # i n c l u d e # d e f i n eu i n tu n s i g n e di n t # d e f i n ea d c o mx b y t e 0 x f f t c 】严使a o = 0 ，r c = 0 ，c s = 0 + ， # d e f i n ea d l o x b y t e 0 x f f 7 f p 使r c = l ，a o = i ，c s = 0 ， 2 1 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章 数据采集和传输系统的设计 # d e f i n ea d h i x b y t e 0 x f f t d s b i tr = p 3 “7 ： s b i tw = p 3 “6 ： s b i ta d b u s y = p l a o ； u i n ta d 5 7 4 ( v o i d ) r - - - - 0 ； w = 0 ： a d c o m = 0 ； w h i l e ( a d b u s y = 1 ) ； r e t u m ( ( u i t e ) ( a d h i o ) ) d e l a y ( 2 5 i f ( d e l a yc o u n t ) r e t u r ng p r s g e t c h ( ) r e t u r n - 1 ； ) v o i d o p r s h u n g u p ( v o i d ) d t r - o n ； d e l a y ( 4 0 ) ； d t r - o f f ； 拨g g s n 的号码 清空b u 懂 f 等待匦答 返回回答的数字 没有返还，错误 置高d t r 保持一定时间 完成连续的断开 这些底层的驱动函数将会使上层协议的编写很方便，更重要的是， 它为我们提供了一个驱动抽象层，当底层硬件做出改动的时候，只需要对 3 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文第3 章数据采集和传输系统的设计 底层的驱动函数进行改动，而上层函数的代码不变【1 1 】。 3 6 主控站软件设计及实现 3 6 1 数据库存储 课题所使用的数据库是m i c r o s o f t 的s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库，该数 据库由八个表组成：整点数据参数表、日统计参数表、月统计参数表、 9 6 点功率表、总的统计数据表、实时数据表、g p r s 终端使用登记表和 用户管理表，其中前六个表都用于记录历史数据。 图3 1 2 为主控站设计结构图 3 6 2 通讯及数据处理主模块 图3 1 2 所示，作为主控站软件的重要组成部分，该模块包含了3 个 中国石油大学( 华东) 工程硕士论文 第3 章数据采集和传输系统的设计 模块，即与g p r s 终端通信模块、数据的解析处理模块和数据显示模块。 ( 1 ) 与g p r s 终端通信模块 根据系统的设计需求，对表计的操作可以单个进行，即指定具体的 某台表计进行操作，也可以以群( 即组) 为单位，在指定一组之后，主控站 轮流发送请求连接短消息，待g p r s 链路建立以后再执行指定的操作。 其主控站短消息模块的具体实现过程如下： 首先，系统建立三个基本功能类短：消息操作类( s m s 类) 、短消息 状态类( s m st r a f f i c 类) 、串口类( c o m 类) 。 s m s 类 该类中主要是封装了一些a t 指令，实现了一些必须