基于CAN總線技術(shù)的油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

卞哲英，高 超

(承德石油高等?？茖W(xué)校計算機與信息工程系，河北 承德 067000)

1 應(yīng)用背景

在油氣井的勘探開發(fā)過程中，需要及時準(zhǔn)確的獲得儲層真實的天然氣或原油產(chǎn)能、流體性質(zhì)、地層參數(shù)等資料，以便能對被測試井作出一個比較正確的評價，并為今后該井所處的油氣田區(qū)塊的勘探開發(fā)提供理論依據(jù)。因此取全取準(zhǔn)各種資料數(shù)據(jù)在測試流程系統(tǒng)中占了非常重要的地位。為了準(zhǔn)確地錄取現(xiàn)場資料，實現(xiàn)自動化地面計量，及時快速地傳遞數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場資料傳遞的實時性和連續(xù)性，設(shè)計開發(fā)了基于總線技術(shù)的油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用先進(jìn)的計算機技術(shù)、傳感技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對油井地面數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實時的自動采集與監(jiān)測[1］。

2 總體設(shè)計思路

本采集監(jiān)測系統(tǒng)，采用現(xiàn)場總線技術(shù)，利用總線智能壓力變送器、總線智能溫度變送器、總線智能差壓變送器以及各種流量計等電子儀器儀表，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集軟件，構(gòu)建的基于現(xiàn)場總線技術(shù)和智能傳感技術(shù)相結(jié)合的智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)井口、油嘴管匯、加熱爐、三相分離器等地面計量設(shè)備的壓力、溫度、油氣水產(chǎn)量等幾十個現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集和錄入[2-4］。所有的數(shù)據(jù)可以以數(shù)字或曲線圖的形式顯示出來，可以按需要生成各種報表，可以將數(shù)據(jù)進(jìn)行實時打印，可以按指定的格式存儲到硬盤，還可以實現(xiàn)多種流量測量計算，為油氣田公司的決策提供科學(xué)的依據(jù)。

油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于高壓深井放噴測試作業(yè)，必須能安全、準(zhǔn)確、全自動獲取詳盡的測試資料并加以處理和輸出，避免測試時人為讀取數(shù)據(jù)的誤差及各資料錄取時的不同時性。并隨時監(jiān)測整個測試流程安全狀態(tài)，提供安全報警，以便能在測試過程中遇到異常情況及時作出反應(yīng)，采取適當(dāng)?shù)目刂铺幚泶胧?，減少高溫高壓深井測試的不安全因素，確保測試作業(yè)安全順利。

3 系統(tǒng)組成及功能

油井智能數(shù)字自動采集監(jiān)測系統(tǒng)是由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀、采集儀專用電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件、防爆總線電纜箱、分離器防爆分線箱、現(xiàn)場總線電纜箱、電纜分線器、智能壓力變送器、智能溫度變送器以及智能差壓變送器等組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集儀由數(shù)據(jù)采集主機、現(xiàn)場控制單元、信號處理單元、彩色液晶顯示器、各種接口、各種監(jiān)測儀表、機柜及機柜總線等組成?，F(xiàn)場多路數(shù)據(jù)實時總線采集、錄入與數(shù)據(jù)庫存儲。

2)數(shù)據(jù)采集專用電源

數(shù)據(jù)采集專用電源由UPS、充電電池、電源控制部分、外供電顯示及保護(hù)部分等組成。數(shù)據(jù)采集專用電源設(shè)計為隔爆本安型。

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件包

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計，并以數(shù)據(jù)表形式實時顯示、以曲線形式實時顯示、以流程圖形式實時顯示;數(shù)據(jù)超限實時報警以及其它類型的實時報警;多功能的系統(tǒng)設(shè)置;采集報表的自動生成;多種形式的數(shù)據(jù)篩選;資料數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、拷貝及打印輸出等。多種流量測量計算方法:臨界速度流量計測氣產(chǎn)量計算;通過壓差、靜壓和流動溫度等參數(shù)進(jìn)行三相分離器測氣的氣產(chǎn)量計算。

4)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場總線

采用先進(jìn)的現(xiàn)場總線技術(shù)，通過一條現(xiàn)場總線全部實現(xiàn)對安裝在現(xiàn)場流程上的變送器、流量儀表的供電和數(shù)據(jù)通訊。數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場總線包括液體流量現(xiàn)場總線電纜、分離器及節(jié)流管匯總線電纜、總線分配器、變送器電纜等。

5)總線智能變送器

總線智能變送器包括總線智能壓力變送器、總線智能溫度變送器、總線智能差壓變送器等?？偩€智能變送器:總線制(帶有微處理器)的全數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的測量儀表;具有全量程寬溫度補償和非線性補償功能，在補償溫度范圍內(nèi)的任何環(huán)境溫度下使用，均能保證變送器的測量精度;具有變送器參數(shù)設(shè)置更改和故障自診斷功能，具有儀器設(shè)備的型號、編號、ID號、通訊波特率、阻尼系數(shù)、修正系數(shù)以及壓力溫度計量單位等出廠參數(shù)的存儲功能。

4 油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)

4.1 油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)硬件及功能

1)采集儀主機:采用低功耗工業(yè)級硬件系統(tǒng)，500 G硬盤，21″彩色液晶顯示器，WindowsXP操作系統(tǒng)。USB2.0接口6個，RS232串行接口4個，并口接口1個，100Mb以態(tài)網(wǎng)絡(luò)接口2個。

2)數(shù)據(jù)采集儀可通過VGA線與采集房內(nèi)的大屏幕電視連接，在大屏幕電視上可同時顯示現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集儀可通過網(wǎng)線與外部計算機連接，在外部計算機上可同時顯示現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)。

3)外部備份主機接口:如果數(shù)據(jù)采集儀主機出現(xiàn)故障，可通過外部備份主機接口，連接外部計算機的接口，接替數(shù)據(jù)采集儀主機繼續(xù)工作。

4)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容:可實現(xiàn)井口、油嘴管匯、加熱爐、三相分離器等地面計量設(shè)備的壓力、溫度、油氣水產(chǎn)量等幾十個現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集和錄入。系統(tǒng)適應(yīng)氣井試氣流程、氣井試采流程、常規(guī)試油流程、壓裂流程等多種工藝流程以及計量間和油氣集輸中轉(zhuǎn)站的現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動采集和錄入。

5)現(xiàn)場總線智能傳感器集成有現(xiàn)場總線控制功能，并可以通過CAN總線與主機進(jìn)行通信。主機(PC機)上安裝總線通信卡PIC-7841(或稱適配器)，計算機自動為其分配內(nèi)存地址和硬件終端號，并將其作為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)存進(jìn)行讀寫。數(shù)據(jù)采集通道20個，以后根據(jù)用戶需要可擴展。

4.2 油井智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

1)主機程序設(shè)計

在監(jiān)控主機的通信過程中，起關(guān)鍵作用的是CAN控制器的通信卡，它就相當(dāng)于連接在CAN總線上的CAN通信節(jié)點模塊，它使監(jiān)控主機方便地連接到CAN總線上，而監(jiān)控主機與CAN通信卡之間的數(shù)據(jù)交換關(guān)系如圖2所示。

2)監(jiān)控軟件功能實現(xiàn)

通信方式:在實際應(yīng)用中，主機采用查詢方式與前端各控制器通信，根據(jù)油井現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時性要求在每2 min完成一次數(shù)據(jù)采集，時間間隔也可以根據(jù)實際需要由操作人員設(shè)定。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理:將得到的原始數(shù)據(jù)，即現(xiàn)場油氣體的油壓、套壓、流量及井口溫度等數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)超限實時報警以及其它類型的實時報警。

控制開關(guān)井:根據(jù)超限報警，通過遠(yuǎn)程控制井口節(jié)流閥來實現(xiàn)控制井口開關(guān)操作。

數(shù)據(jù)管理:所有自動采集錄入的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)表形式實時顯示、以曲線形式實時顯示、以流程圖形式實時顯示。多功能的系統(tǒng)設(shè)置;采集報表的自動生成;多種形式的數(shù)據(jù)篩選;歷史數(shù)據(jù)的查詢;資料數(shù)據(jù)的導(dǎo)出、拷貝及打印輸出等。

5 采用的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 智能傳感技術(shù)的應(yīng)用

隨著系統(tǒng)自動化程度的提高和復(fù)雜性的增加，對傳感器的綜合精度、穩(wěn)定可靠性和響應(yīng)要求越來越高，傳統(tǒng)的傳感器功能單一、性能不穩(wěn)定，不能滿足多種測試的要求。智能傳感器是利用微計算機技術(shù)使傳感器智能化，兼有信息檢測、信息處理、通信的功能。具有高精度、高可靠、寬量程、自適應(yīng)能力強等特點。智能傳感器還具有:1)數(shù)據(jù)處理功能，能實現(xiàn)傳感器的自動調(diào)零、自動補償、信號數(shù)字化處理，采用數(shù)字濾波減少噪聲和干擾信號的影響;2)接口功能，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，容易通過RS-232、RS-485、HART、CAN、FF等總線與上位機進(jìn)行通信。本系統(tǒng)采用智能傳感器和現(xiàn)場總線技術(shù)構(gòu)建的油井地面數(shù)據(jù)智能數(shù)字監(jiān)測系統(tǒng)，非常適合油氣田的惡劣環(huán)境，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高，減少了一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的中間環(huán)節(jié)?？捎蛇h(yuǎn)距離中央控制計算機來控制整個系統(tǒng)工作，對被測現(xiàn)場進(jìn)行遠(yuǎn)距離測量和控制，很大程度上提高了系統(tǒng)安全和人員安全。

5.2 CAN總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用

CAN(Controller Area Network)總線是一種支持分布式控制和實時控制的串行總線式通信網(wǎng)絡(luò)，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性的特點。系統(tǒng)的CAN總線通信方式，是以半雙工的方式工作，一個節(jié)點發(fā)送信息，多個節(jié)點接收信息，可以實現(xiàn)全分布式多機系統(tǒng)，提高數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目煽啃?。CAN總線的信息存取采用一種作為廣播式的存取工作方式，信息可以在任何時候由任何節(jié)點發(fā)送到空閑的總線上，然后根據(jù)接收信息的標(biāo)識符決定是否讀取信息包中的數(shù)據(jù)。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除傳統(tǒng)的地址編碼，而代之以通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼。這種面向數(shù)據(jù)而不是面向節(jié)點的方式使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點個數(shù)不受限制，加入和減少設(shè)備不影響系統(tǒng)工作。CAN總線收發(fā)數(shù)據(jù)的長度最多為8個字節(jié)，因而不存在占用總線時間過長的問題，可以保證通信的實時性。通信速率最高可達(dá)1 Mb/s。通信介質(zhì)可以是同軸電纜、光纖，也可以采用雙絞線。CAN總線具有點對點通信和一點對多點的通信方式?；贑AN總線的油井智能數(shù)字采集監(jiān)測系統(tǒng)是一種典型的分布式通信系統(tǒng)，主機既可以與各節(jié)點(智能數(shù)字變送器)分別進(jìn)行點對點的雙向通信，也可以同時和所有節(jié)點進(jìn)行一點對多點的單向通信。由控制主機(PC機)直接控制整個系統(tǒng)，實現(xiàn)對井口、油嘴管匯、加熱爐、三相分離器等地面計量設(shè)備的壓力、溫度、油氣水產(chǎn)量等幾十個現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和管理。

5.3 防爆處理

本系統(tǒng)應(yīng)用在油氣田的開發(fā)現(xiàn)場，處于惡劣環(huán)境之中，周圍環(huán)境中存在可燃?xì)怏w是具有爆炸性場所，設(shè)計本系統(tǒng)為隔爆本安型。選用的各種傳感器均為本安型電氣設(shè)備，它具有電路無論在正常工作或故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)，均不能點燃可爆性物質(zhì)的性能。監(jiān)測系統(tǒng)的供電電源，設(shè)計成隔爆兼本安型。對穩(wěn)壓電源采用過流、短路、過壓的雙重保護(hù)，使本安型電源保護(hù)速度快、靈敏、可靠。

6 結(jié)論

本系統(tǒng)主要以計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，將CAN現(xiàn)場總線技術(shù)與數(shù)字智能傳感器應(yīng)用到油氣田井口現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)中?；诂F(xiàn)場總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕M網(wǎng)方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，連接方便，抗干擾能力強，特別適合油田、石化的野外以及溫差變化較大的惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場使用。

[1]馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2005.

[2]郭秀才，楊世興.監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M］.北京:中國電力出版社，2010.

[3]王志良.信息社會中的自動化新技術(shù)[M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

[4]胡家華.現(xiàn)代測控技術(shù)[M］.北京:國防工業(yè)出版社，2012.