基于CDMA／GPRS的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

基于CDMA／GPRS的遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

目前天然氣開采過程中，氣田的產(chǎn)氣量取決于壓縮機站工況的好壞。完善的監(jiān)測技術(shù)對于氣井的正常運作具有重大意義，在廣泛調(diào)研了國內(nèi)外遠程監(jiān)測系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，通過對國內(nèi)現(xiàn)有遠程監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足進行分析，提出一種集數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)測、CDMA／GPRS無線通訊等技術(shù)于一體的天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)增壓設(shè)備故障，實現(xiàn)專家及管理人員不上井便可及時、有效地查看氣井的工況信息，為單井采氣效率提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，進而確保最優(yōu)氣井工況。

天然氣井 CDMA／GPRS遠程傳輸 力控組態(tài) 遠程監(jiān)測

0 引言

在我國，由于氣田地理環(huán)境復(fù)雜，我國氣井?dāng)?shù)量多，井與井之間相距甚遠，交通不便，目前絕大多數(shù)氣井仍采用傳統(tǒng)的人工巡檢、抽查的維護方式，不僅費時費力而且周期長，導(dǎo)致設(shè)備故障不能及時被發(fā)現(xiàn)［1-2］。因此，實現(xiàn)氣井工況的實時遠程監(jiān)測已成為氣田生產(chǎn)自動化領(lǐng)域的重要課題之一。

針對天然氣井生產(chǎn)過程的實時動態(tài)監(jiān)測，能夠有效地防止由于井口壓力、溫度過高而引起的重大事故，保障氣井生產(chǎn)的正常進行。同時，也便于管理人員優(yōu)化氣井產(chǎn)量，提高單井采氣率。而針對增壓設(shè)備的實時動態(tài)監(jiān)測，則有利于氣井管理人員及時發(fā)現(xiàn)增壓設(shè)備故障，并立刻做出相應(yīng)的處理和控制。綜上可知，建立一套完善的天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實時地監(jiān)測氣井的工作狀況，能夠提高氣井生產(chǎn)管理效率，從而達到“節(jié)能降耗、增產(chǎn)增收”的目的，這對于實現(xiàn)氣井現(xiàn)代化生產(chǎn)管理和維護具有重大的現(xiàn)實意義。

1 天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計準則

在最大限度滿足安全、生產(chǎn)系統(tǒng)要求的前提下，根據(jù)氣井生產(chǎn)現(xiàn)場的實際情況，筆者所開發(fā)的天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)遵守以下5個方面的準則［3］。

1）可靠性。系統(tǒng)可靠性高是遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計最重要的原則。系統(tǒng)必須具備較強的抗干擾能力，才能保證其在工作條件下運行穩(wěn)定、可靠。

2）易操作性。后臺監(jiān)測中心軟件采用提示、查看、口令等直觀的人機對話方式，具有友好的人機對話功能，方便工作人員查詢、管理與操作。

3）通用性與可擴展性。遠程監(jiān)測系統(tǒng)不需要做任何改動，或只需要進行少量改動，就能夠應(yīng)用于其他工作場合，構(gòu)成新的測控系統(tǒng)。其監(jiān)測終端應(yīng)預(yù)留一定數(shù)量的接口，便于擴展傳感器或其他功能模塊。模塊間通信應(yīng)當(dāng)采用統(tǒng)一的通信協(xié)議標準。

4）經(jīng)濟合理性與可維護性。遠程監(jiān)測系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，軟硬件功能搭配恰到好處，便于安裝、維護和檢修。遠程監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)具備成本低、功能強、性價比高等特點，便于進行大面積的推廣。

5）先進性。遠程監(jiān)測系統(tǒng)所使用的程序設(shè)計、檢測方法、控制方法、輸入輸出方式及手段等，都應(yīng)符合現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展方向，具有一定的先進性。

2 天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體架構(gòu)

天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)采用集散分布模式，由現(xiàn)場氣井監(jiān)測參數(shù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、管理

中心監(jiān)測軟件系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊實時采集安裝在氣井現(xiàn)場的各類傳感器所測量的井場監(jiān)測數(shù)據(jù)［4］；以RS-485串口通訊方式傳輸?shù)浆F(xiàn)場的CDMA／GPRS無線通信模塊；無線通信模塊利用基站將所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時遠程發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)端；基地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則通過Internet接收數(shù)據(jù)，經(jīng)交換機進行數(shù)據(jù)交換處理，最終通過以太網(wǎng)或局域網(wǎng)傳至監(jiān)控中心計算機上，為管理人員、專家以及領(lǐng)導(dǎo)提供數(shù)據(jù)的實時查詢、分析和處理。天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 天然氣井遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 天然氣井?dāng)?shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計

針對天然氣井?dāng)?shù)據(jù)遠程傳輸?shù)奶攸c，對比現(xiàn)有傳輸模式的優(yōu)缺點，最終選擇了適合氣井?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)腃DMA／GPRS移動終端機。CDMA／GPRS是在移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠提供廣域無線IP和端到端的連接，通過網(wǎng)絡(luò)控制器可以直接接入Internet，是無線終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的絕佳方式［5］。

CDMA／GPRS移動終端機需要與數(shù)據(jù)遠程傳輸軟件相配合，才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。筆者遵守TCP／IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議［6-7］，基于Winsock網(wǎng)絡(luò)編程接口，采用C#編程語言，設(shè)計和開發(fā)了數(shù)據(jù)傳輸軟件，實現(xiàn)了井場與基地之間的遠程通信。軟件能夠完成天然氣井現(xiàn)場與基地間的數(shù)據(jù)實時傳輸，為基地專家對采氣作業(yè)的實時監(jiān)測及遠程決策提供技術(shù)支持。軟件運行前，需要先配置服務(wù)器端IP網(wǎng)絡(luò)地址及端口，當(dāng)與基地端接收軟件創(chuàng)建連接成功后，即可實現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)通信。

天然氣井?dāng)?shù)據(jù)遠程傳輸軟件主要由遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器端和數(shù)據(jù)客戶端兩部分構(gòu)成。遠程數(shù)據(jù)服務(wù)器端可實時接收通過CDMA／GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，存入數(shù)據(jù)庫并提供給應(yīng)用程序使用。數(shù)據(jù)客戶端主要安裝于現(xiàn)場數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)器計算機，將氣井現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)實時地發(fā)送至基地管理中心。

天然氣井?dāng)?shù)據(jù)遠程傳輸軟件客戶端發(fā)送流程圖、服務(wù)器端接收工作流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 遠程傳輸軟件發(fā)送流程圖

圖3 數(shù)據(jù)遠程傳輸軟件接收流程圖

2.3 天然氣井管理中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

結(jié)合氣井?dāng)?shù)據(jù)遠程傳輸軟件，開發(fā)和設(shè)計了天然氣井管理中心監(jiān)測系統(tǒng)軟件，該軟件以力控組態(tài)

軟件為開發(fā)平臺，結(jié)合SQLServer2008數(shù)據(jù)庫，通過上位機實時分析與儲存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集存儲、數(shù)據(jù)處理、趨勢曲線顯示，以及遠程信息發(fā)布等功能。

根據(jù)天然氣井監(jiān)測軟件的功能需求分析可知，監(jiān)測軟件需要實現(xiàn)現(xiàn)場采氣工藝流程的實時監(jiān)測與仿真、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線繪制與顯示、系統(tǒng)事件記錄，以及對采氣作業(yè)中突發(fā)異常事故進行及時報警等功能［8-10］。同時，通過與SQLServer關(guān)系數(shù)據(jù)庫的連接，完成實時數(shù)據(jù)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的儲存，并對儲存在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)以曲線和數(shù)據(jù)報表的方式進行查詢、回放和顯示。進一步通過建立網(wǎng)絡(luò)，可利用瀏覽器遠程監(jiān)測采氣現(xiàn)場的實時作業(yè)情況，進而對現(xiàn)場施工及時做出評判和指示。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測軟件結(jié)構(gòu)圖

通過分析天然氣井采油工藝流程，確定相應(yīng)施工監(jiān)測參數(shù)，基于力控組態(tài)軟件設(shè)計平臺，開發(fā)了一套天然氣井實時監(jiān)測軟件。該實時監(jiān)測軟件完成了對天然氣井采油工藝流程的模擬與仿真。該系統(tǒng)能夠在監(jiān)測界面上直觀地顯示天然氣井配套組成裝備、監(jiān)測傳感器、儀器儀表的安裝位置，以及各鉆井設(shè)備的實時運行狀態(tài)。同時，可以在現(xiàn)場工況仿真界面上實時動態(tài)地顯示傳感器采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)。各曲線繪制模塊可對實時或歷史數(shù)據(jù)以曲線的形式展現(xiàn)給用戶，可直觀、快速地顯示當(dāng)前監(jiān)測狀況。

4 結(jié)論

1）針對現(xiàn)有遠程監(jiān)測技術(shù)存在的不足，設(shè)計出一套天然氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)，有效地監(jiān)測增壓站的工況信息，及時發(fā)現(xiàn)增壓設(shè)備故障，為提高單井采氣效率提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持。

2）根據(jù)天然氣井?dāng)?shù)據(jù)遠程傳輸?shù)奶攸c和要求，設(shè)計并開發(fā)了一套遠程數(shù)據(jù)傳輸軟件，該軟件能與現(xiàn)有傳輸硬件系統(tǒng)相配套，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程實時傳輸。

3）基于力控組態(tài)軟件平臺開發(fā)出一套遠程實時監(jiān)測軟件，實現(xiàn)了天然氣井的現(xiàn)場工況仿真，實時監(jiān)測當(dāng)前氣井生產(chǎn)情況。同時，該系統(tǒng)還具備遠程信息發(fā)布功能，實現(xiàn)專家及管理人員不上井，便可及時有效地查看氣井的工況信息，從而確保氣井工況最優(yōu)。

［1］楊川東.采氣工程［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001.

［2］李瑞.遠程監(jiān)測技術(shù)的前景展望［J］.鐵路通信信號工程技術(shù)，2012（5）：94-96.

［3］楊世興，郭秀才.監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理與實用設(shè)計［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］高明星，黃玉志，胡耀強.基于嵌入式的天然氣井口數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.石油工程建設(shè)，2014（1）：22-25.

［5］萬劍.基于GPRS的遠程狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011.

［6］Chitre V A,Daigle J N.Performance of IP-based servic?es over GPRS.IEEE Transactions on Computers［J］. 2003，52（6）：727-741.

［7］KaldenR，Meirick I，MeyerM.W irelessInternetaccess based on GPRS.IEEE Wireless Communications［J］.2000，7（2）：8-18.

［8］龔榮.油井遠程監(jiān)測管理軟件設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

［9］朱磊.基于組態(tài)軟件的遠程油氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］.西安：西安石油大學(xué)，2012.

［10］張紅宇.基于無線通訊技術(shù)的計算機遠程監(jiān)測管理系統(tǒng)［J］.陜西理工學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2007（4）：24-27.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2014）04-0028-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.008

修訂回稿日期：2014－07－07

陳路原（1962－），高級工程師，從事油氣田開發(fā)工作。E-mail：secondbo@126.com。