基于嵌入式的天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高明星，黃玉志，胡耀強(qiáng)

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075

基于嵌入式的天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高明星，黃玉志，胡耀強(qiáng)

陜西延長(zhǎng)石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710075

設(shè)計(jì)的嵌入式天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以嵌入式微處理器 ARM7 為核心硬件，以 GSM 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺(tái)，利用短信業(yè)務(wù)方式完成數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。上位機(jī)使用 LabVIE W 軟件搭建虛擬儀器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)天然氣井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的氣井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)節(jié)省了組網(wǎng)成本，降低了員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

天然氣井口； 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)； 微處理器； GSM；無(wú)線通信；虛擬儀器

1 天然氣井口數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

嵌入式技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地推動(dòng)了氣田的自動(dòng)化管理水平[1]。在以往的工業(yè)領(lǐng)域大多采用以單片機(jī)或 PLC 為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用有線以太網(wǎng)方式完成數(shù)據(jù)通信[2-3]。雖然經(jīng)濟(jì)實(shí)用，但是應(yīng)用場(chǎng)合有很大程度的限制。由于各氣井分布位置廣、距離遠(yuǎn)，促使以無(wú)線通訊方式實(shí)現(xiàn)對(duì)氣井?dāng)?shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)成為一種必然趨勢(shì)。

（1）衛(wèi)星通信。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，將地球站發(fā)來(lái)的電磁波放大后再返送回另一地球站。由于兩個(gè)地球站之間的電磁波傳輸距離較遠(yuǎn)，使信號(hào)在傳輸時(shí)存在延遲，而且易受雨雪等外界環(huán)境氣候的影響[4]。

（2）無(wú)線電臺(tái)。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸，但其頻段范圍受限，傳輸環(huán)境易受電磁或外界環(huán)境干擾[5]。

（3）CDMA/GPRS。CDMA（碼分多址），是以擴(kuò)頻通訊技術(shù)為基礎(chǔ)[6]；GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)），通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換[7]。兩種通信方式都較為優(yōu)越，但在偏遠(yuǎn)地區(qū)的覆蓋范圍較小，受適用場(chǎng)合限制。

（4）GSM。GSM 是基于時(shí)分多址的全球移動(dòng)通信技術(shù)，通過(guò) GSM 通信模塊收發(fā)有限長(zhǎng)度的文本信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程通信。利用了現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，無(wú)需重組網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了成本[8]。

因此，針對(duì)氣田分布廣、距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需準(zhǔn)確可靠，實(shí)時(shí)性高等要求，設(shè)計(jì)了嵌入式井口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)主要以嵌入式微處理器為核心，利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)，借助于短信方式傳輸至上位機(jī)，通過(guò) LabVIEW 搭建上位機(jī)虛擬儀器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。同時(shí)，將采集到的信息發(fā)送至工作人員使用的移動(dòng)電話，以確保數(shù)據(jù)取全、取準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 某集氣站氣井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)是氣井生產(chǎn)狀況的重要反映，通過(guò)對(duì)井口數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)可對(duì)氣井狀況的分析提供重要參考依據(jù)[9]。某集氣站的氣井遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由傳感器、氣井監(jiān)控終端、GSM 網(wǎng)絡(luò)、集氣站監(jiān)控中心和工作人員所用的通信設(shè)備組成。傳感器主要完成井口油壓、套壓、溫度的監(jiān)測(cè)；監(jiān)控終端由嵌入式微處理器、供電電路及 GSM 數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；監(jiān)控中心位于集氣站，將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)將采集到的井口數(shù)據(jù)信息分別發(fā)送至監(jiān)控中心，以及該集氣站工作人員所使用的移動(dòng)電話。

現(xiàn)階段，我國(guó)大部分通信企業(yè)偶爾也會(huì)組織一些學(xué)習(xí)或培訓(xùn)等等，但這種培訓(xùn)或?qū)W習(xí)僅僅是短暫性的，不僅沒(méi)有培訓(xùn)制度，還缺乏長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃。因而，目前大部分通信公司并沒(méi)有形成良好的學(xué)習(xí)氛圍，這就導(dǎo)致公司員工在專業(yè)知識(shí)和專業(yè)素質(zhì)方面難以獲得很大的提高。長(zhǎng)此以往，必然會(huì)難以適應(yīng)通信企業(yè)的飛速發(fā)展。人力資源管理歸根結(jié)底是對(duì)人的管理，通信公司員工素質(zhì)水平較低與人力資源管理的水平有密切的關(guān)系。因此，為促進(jìn)通信公司的健康發(fā)展，完善薪酬與績(jī)效管理是十分必要的，且會(huì)發(fā)揮重要的作用。

2.1 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

井口數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端是以 NXP 公司的 ARM7 為核心處理器，由通信模塊 TC35i、電平轉(zhuǎn)化芯片 CH340 及外圍電路組成。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路，將傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò) MCU 處理后，再由 GSM 以短信的形式進(jìn)行無(wú)線傳輸。信號(hào)分別發(fā)送至工作人員以及監(jiān)控中心的接收設(shè)備。監(jiān)控中心的上位機(jī)利用 LabVIEW 搭建虛擬儀器平臺(tái)，以串口的方式完成數(shù)據(jù)的顯示與存儲(chǔ)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

發(fā)送短信：將天然氣井口油壓、套壓及溫度數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送至監(jiān)控中心及工作人員。

顯示數(shù)據(jù)：對(duì)氣井油壓、套壓、溫度數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)控中心上位機(jī)所搭建的虛擬儀器平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與顯示。

儲(chǔ)存數(shù)據(jù)：將井口油壓、套壓、溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，便于對(duì)氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析。

2.1.1 信號(hào)采集模塊

氣井?dāng)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的對(duì)象主要包括井口油壓、套壓及溫度。井口油壓和套壓傳感器選擇電阻應(yīng)變片傳感器 PTP501，其測(cè)量范圍為 0 ～ 150 MPa，輸出信號(hào)為 4 ～ 20 mA，供電電壓為 DC 24 V，介質(zhì)溫度為 -20 ～ 150 ℃；溫度傳感器選擇 PT100，測(cè)溫范圍為 -200 ～ 650 ℃，輸出信號(hào)為4 ～ 20 mA。將采集到的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)通過(guò)模擬信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換器（型號(hào)為IBF12-A4-P3-Oz），可將輸出4～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為 0 ～ 3.3 V 的電壓信號(hào)，利用 LPC2103 的內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器完成信號(hào)的處理。

2.1.2 嵌入式處理器模塊

微處理器選擇 32 位 ARM7 系列嵌入式微處理器LPC2103[10]。采用 1.8 V 和 3.3 V 雙電源供電方式，其中 1.8 V 的內(nèi)部電壓和 3.3 V 的外設(shè)電壓，芯片每個(gè)管腳可承受最大 5 V 電壓，最高工作頻率可達(dá) 70 MHz，內(nèi)部集成有 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為 2.44 μs，其極低的功耗和較快的處理速度滿足天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 GSM模塊

無(wú)線通信 GSM 模塊選擇 Siemeils 公司的 TC35i[11]。其工作電壓為 3.3 ～ 5.5 V，工作頻段為 900 MHz 和1 800 MHz，功耗分別為 2 W 和 1 W。模塊的 AT 命令集接口可支持文本和 PDU 模式的短消息，還具有電話簿、多方通話、漫游檢測(cè)等功能。

GMS 模塊硬件設(shè)計(jì)包括 TC35i、NE555 以及 SIM的卡槽，具體電路如圖3所示。為使 TC35i 進(jìn)入工作狀態(tài)，須給啟動(dòng)引腳（I GT）提供一個(gè) ＞ 100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過(guò) 1 ms。所增加的 NE555作為多諧振蕩器，以提供脈沖電壓。

設(shè)計(jì)時(shí)，ZIF 連接器和 50 Ω天線連接器，可分別連接 SIM 卡支架和天線。通過(guò) AT 命令可實(shí)現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為 0.3 ～ 115 kb/s，自動(dòng)波特率為1.2 ～ 115 kb/s。

圖3 GSM 模塊電路

2.2 嵌入式程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)選用 ADS1.2[12]作為軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)主程序包括信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換，之后將井口油壓、套壓和溫度值借助 GSM 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行存儲(chǔ)和發(fā)送。

2.2.1 短消息的格式

GSM 模塊短消息[13]通常提供 TEXT 和 PDU 格式。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用短信息所傳遞的是數(shù)據(jù)信息，所以采用TEXT 模式發(fā)送短信。

2.2.2 信息發(fā)送程序

LPC2103 芯片通過(guò) P0.0 和 P0.1 與 GSM 模塊的TXD 與 RXD 相連接。LPC2103 通過(guò) UART0 口與GSM 模塊進(jìn)行通信。將指令以串口的方式發(fā)送給 GSM模塊，GSM 模塊針對(duì)各指令做出相應(yīng)的響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)所需功能[14]。TC35i 通過(guò)AT命令完成與處理器之間的通信。流程如圖4所示。

圖4 短信發(fā)送流程

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序設(shè)計(jì)主要利用美國(guó) NI 公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件搭建虛擬儀器平臺(tái)[15]，實(shí)現(xiàn)將監(jiān)控中心接收到的短消息進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了對(duì) 5 個(gè)井場(chǎng)，共計(jì) 30口氣井在生產(chǎn)過(guò)程中井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)界面圖示

在實(shí)際生產(chǎn)中，可針對(duì)具體情況對(duì)程序進(jìn)行擴(kuò)展，可增加井?dāng)?shù)或被測(cè)參數(shù)。在 LabVIEW 軟件程序中，串口設(shè)置的波特率為 9 600 b/s，8 位數(shù)據(jù)位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，1 位停止位。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出采用 GSM 短信業(yè)務(wù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)嵌入式天然氣井口數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天然氣井口數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。其中，所使用的 GSM 網(wǎng)絡(luò)短信息業(yè)務(wù)使用方便、成本低廉、傳輸可靠；使用的嵌入式微處理器處理速度快、體積小、功耗低；采用LabVIEW 所構(gòu)建的天然氣井口數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，界面友好、操作簡(jiǎn)單。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠滿足氣井不易鋪設(shè)線路和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)頻繁的要求，并且在提高生產(chǎn)效率、降低組網(wǎng)成本和降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度方面具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和研究意義。

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國(guó)家工程中心海洋立管試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試完成

2014年1月6日，由寶石機(jī)械公司主持研發(fā)的“海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置”完成隔水管全尺寸疲勞試驗(yàn)。這表明國(guó)家工程中心首個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試完成，同時(shí)這也是國(guó)內(nèi)首臺(tái)大直徑鋼管全尺寸高速疲勞試驗(yàn)設(shè)備。按照計(jì)劃，國(guó)家工程中心將建成三個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，海洋立管共振彎曲疲勞試驗(yàn)裝置是建成的首個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)，主要用于深水鉆井立管和采油立管的全尺寸彎曲疲勞試驗(yàn)。

（本刊摘錄）

Design of Embedded Remote-monitoring System for Data of Natural Gas Wellhead

Gao Mingxing,Huang Yuzhi,Hu Yaoqiang
Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.,Ltd.，Xi’an 710075，China

The embedded remote monitoring system for data of natural gas wellhead is designed taking the embedded microprocessor ARM7 as hardware core,using GSM network as the transmission platform,utilizing SMS service for the wireless data transferring.The host computer uses the software LabVIEW to construct virtual instruments platform for remote monitoring the data of natural gas wellhead.The results show that the remote monitoring system for data of natural gas wellhead has good stability,strong real-time capability and high reliability,which improves production efficiency and saves the cost of network and reduces the labor intensity of workers.

gas wellhead;remote-monitoring;microprocessor;GSM;wireless communication;virtual instrument

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.006

高明星（1986-），女，陜西延安人，助理工程師，2012年畢業(yè)于陜西科技大學(xué)，碩士，主要從事油氣田地面控制工程技術(shù)工作。

2013-05-15