油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集層設(shè)備RTM的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鳳民，潘居臣，宋　松，肖　棋，丁大偉，張　威，梁華慶，曹旭東

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心，河北　任丘　062552；

2.中國(guó)石油大學(xué)?。ū本┑厍蛭锢砼c信息工程學(xué)院，北京　102249）

油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采集層設(shè)備RTM的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李鳳民1，潘居臣1，宋松1，肖棋2，丁大偉2，張威2，梁華慶2，曹旭東2

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心，河北任丘062552；

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

所設(shè)計(jì)的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，分別為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和數(shù)據(jù)處理層；文章詳細(xì)介紹了采集層設(shè)備RTM（remote terminal measurement）主要功能模塊的硬件設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)；RTM采用ARM處理器STM32F103作為核心控制器，通過485通信與傳輸層設(shè)備RTU（remote terminal unit）相連，可完成油井油壓、油溫等生產(chǎn)參數(shù)的自動(dòng)采集、抽油機(jī)皮帶輪轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及油井啟停的遠(yuǎn)程控制等功能，具有兼容性好、易拓展和適用范圍廣等特點(diǎn)；所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在油田現(xiàn)場(chǎng)部署應(yīng)用，不僅可以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，而且可及時(shí)發(fā)現(xiàn)油井的異常情況并及時(shí)采取措施，保障了油井生產(chǎn)安全運(yùn)行。

油井監(jiān)控系統(tǒng)；遠(yuǎn)程測(cè)量；遠(yuǎn)程控制

0　引言

石油產(chǎn)業(yè)作為國(guó)家重要的支柱型產(chǎn)業(yè)其油田卻往往分布在人煙稀少且環(huán)境惡劣的地區(qū)，對(duì)于身處一線的石油工人來說，采集抽油機(jī)井的生產(chǎn)參數(shù)以及監(jiān)測(cè)油井工作狀態(tài)面臨著很大的不便［1］。當(dāng)今世界正處在一個(gè)信息化智能化高速發(fā)展的階段，智慧油田的發(fā)展是其在油田行業(yè)的一種表現(xiàn)，采用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)構(gòu)建的油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)抽油機(jī)井的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程的采集與處理，既解決了抽油機(jī)井參數(shù)采集不便的問題，同時(shí)又優(yōu)化了原有的采油系統(tǒng)，提高了抽油機(jī)井的可靠性，使采油過程中的信息獲取與整合、數(shù)據(jù)模擬與分析、預(yù)測(cè)和預(yù)警能力得到了提高，降低了生產(chǎn)成本。RTM作為該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集層的設(shè)備起著參數(shù)采集及傳輸?shù)闹匾饔谩?/p>

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示［2］，系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)采集層（RTM、示功儀和電量模塊）、數(shù)據(jù)傳輸層 （RTU）和數(shù)據(jù)處理層 （上位機(jī)）組成。

圖1　油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)采集層設(shè)備RTM模塊采集抽油機(jī)井的油溫、套壓和回壓等生產(chǎn)參數(shù)，示功儀采集抽油機(jī)的位移和載荷，電量模塊采集抽油機(jī)的三相電參量。數(shù)據(jù)傳輸層設(shè)備RTU，一方面向數(shù)據(jù)采集層發(fā)送命令獲得數(shù)據(jù)，另一方面通過Mc Will連接上位機(jī)，并把數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。上位機(jī)位于數(shù)據(jù)處理層，它管理和控制所有的RTU，實(shí)時(shí)地顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)油井的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

數(shù)據(jù)采集層設(shè)備RTM總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由3路模擬量輸入（AI）、1路數(shù)字量輸入（PI）、2路數(shù)字量輸出（DO）和485通信接口等組成。3路AI用于采集油溫、油壓等模擬量參數(shù)；1路PI采集抽油機(jī)皮帶輪轉(zhuǎn)速，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)井的工作狀態(tài)；2路DO用于控制抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟停；485接口用于RTM與RTU之間的通信，完成采集參數(shù)的上傳和控制命令的下達(dá)。此外設(shè)計(jì)了電源電壓檢測(cè)電路和片上溫度檢測(cè)電路，用于檢測(cè)系統(tǒng)的供電電壓和電路板的溫度，以保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖2　RTM總體結(jié)構(gòu)框圖

2　RTM硬件電路設(shè)計(jì)

2.1主控電路

主控芯片選用意法半導(dǎo)體公司出品的基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103芯片，是一款面向中低端應(yīng)用的32位ARM微控制器。芯片內(nèi)部有3個(gè)12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs且輸入通道多達(dá)16個(gè)；支持多個(gè)定時(shí)器同時(shí)運(yùn)行；支持3個(gè)USART接口等諸多外設(shè)；采用3.3 V供電且工作頻率可高達(dá)72 MHz；睡眠、停機(jī)以及待機(jī)等多種工作模式使其具有低功耗的特性，加上運(yùn)算能力強(qiáng)、低價(jià)等特性都使得該芯片非常適用于野外數(shù)據(jù)采集與控制現(xiàn)場(chǎng)。

主控電路如圖3所示，包括啟動(dòng)模式設(shè)置電路（采用FLASH啟動(dòng)）、復(fù)位電路及外部振蕩電路。選用占用引腳最少的SWD調(diào)試模式，使得芯片有更多的引腳去鏈接外設(shè)，同時(shí)將所有未用的I/O管腳拉低，可使芯片的運(yùn)行更加穩(wěn)定，以避免出現(xiàn)程序的跑飛現(xiàn)象。

2.2模擬量采集電路

模擬量采集電路共有三路，主要用于測(cè)量抽油機(jī)井的油壓、油溫等模擬量。油壓、油溫傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的4～20 m A電流信號(hào)，為了防止外界干擾引起大的瞬時(shí)電流而導(dǎo)致芯片損壞，在電路的輸入端加裝了0.1 A的保險(xiǎn)絲，之后用一個(gè)150歐電阻將電流量轉(zhuǎn)換成0.6～3 V的電壓量，再經(jīng)過限幅保護(hù)和低通濾波后，送入8路16位的AD轉(zhuǎn)換電路（見圖4），將電壓量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在AD轉(zhuǎn)換芯片與主控芯片間有一個(gè)隔離芯片，其作用是將5 V供電的AD轉(zhuǎn)換芯片所產(chǎn)生的最大5 V脈沖降壓至最大3.3 V，輸入到3.3 V供電的主控芯片中，同時(shí)也將主控芯片產(chǎn)生的最大3.3 V脈沖升壓至最大5 V，輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片中。這樣，既實(shí)現(xiàn)了AD芯片與主控芯片之間數(shù)據(jù)的有效傳輸，又對(duì)主控芯片起到了保護(hù)作用。

2.3皮帶輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

圖3　主控電路圖

圖4　模擬量采集電路

該電路可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)皮帶輪的轉(zhuǎn)速，由此來判定其工作是否正常。當(dāng)皮帶輪打滑時(shí)會(huì)造成采集的功圖參數(shù)不正常，需要及時(shí)校正；當(dāng)皮帶斷裂后會(huì)造成意外停井，需要及時(shí)更換皮帶。該電路能夠很好地保障抽油機(jī)的正常運(yùn)行。

皮帶輪檢測(cè)電路如圖5所示，首先通過霍爾傳感器將皮帶輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖。該脈沖信號(hào)經(jīng)過由保險(xiǎn)絲以及光電耦合器所構(gòu)成的保護(hù)電路后，輸入到主控芯片的外部中斷引腳上，通過外部中斷與定時(shí)器測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)，從而得知皮帶輪的轉(zhuǎn)速。

圖5　皮帶輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊

2.4數(shù)字量輸出電路

該電路通過輸出24 V和0 V的高低電平來控制繼電器的閉合，繼而實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)的遠(yuǎn)程啟停控制，其電路如圖6所示。

圖6　數(shù)字量輸出電路

當(dāng)主控芯片輸出高電平時(shí)，NPN三極管導(dǎo)通，繼而光耦導(dǎo)通，輸出0 V；當(dāng)主控芯片輸出低電平時(shí)，三極管截止，光耦也不導(dǎo)通，則輸出為24 V。三極管之后接一個(gè)起保護(hù)作用的隔離芯片，防止外部輸入較大的瞬時(shí)干擾電流燒壞芯片。在輸入與三極管之間的低通濾波電路可以濾除一些干擾信號(hào)，避免了由干擾所引起的電平跳轉(zhuǎn)使電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，導(dǎo)致其長(zhǎng)時(shí)間啟停以致瞬間電流太大燒壞電機(jī)。

2.5485通信電路

采用485通信接口和標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)RTM與RTU之間的數(shù)據(jù)傳輸，其中485通信電路如圖7所示。相比于232通信，485通信傳輸距離遠(yuǎn)，抑制共模干擾能力強(qiáng)，傳輸更穩(wěn)定可靠。

圖7　485通信電路

3　RTM軟件設(shè)計(jì)

3.1主控程序

RTM主程序流程圖如圖8所示，整個(gè)流程從RTM開始上電接收RTU命令、處理命令、采集數(shù)據(jù)到最后發(fā)送數(shù)據(jù)給RTU。初始化函數(shù)主要是配置RTM的一些基本信息，包括RTM的設(shè)備ID、分配的RAM及Flash空間地址、功能碼的宏定義以及一些諸如LED初始化等采集指示子函數(shù)的初始化。

3.2數(shù)據(jù)采集程序

該部分程序流程如圖9所示。首先對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行功能碼分類。四類功能碼的代碼及其含義如下：

1）0X01：讀取DO（數(shù)字輸出狀態(tài)），此狀態(tài)存放在Flash里，數(shù)據(jù)掉電不丟失；

2）0X03：讀寄存器數(shù)據(jù)，此寄存器是初始化時(shí)賦給程序的初值；

圖8　主程序流程圖

3）0X04：讀輸入寄存器數(shù)據(jù)，包括片內(nèi)外AD的采樣數(shù)值以及數(shù)字量輸入PI；

4）0X05：寫DO，即將要控制的高低數(shù)字量寫到Flash中，再?gòu)腇lash中讀取，用來控制繼電器的閉合或斷開。

圖9　數(shù)據(jù)采集部分程序流程圖

3.3485通信程序

通信程序流程如圖10所示。RTM與RTU之間采用485通信，遵循標(biāo)準(zhǔn)的Modbus通信協(xié)議。485為半雙工通信模式，默認(rèn)通信狀態(tài)為接收模式。當(dāng)RTM接收到命令，先判斷命令是否接收完成；若接收完成，則設(shè)定標(biāo)志位，并進(jìn)行CRC校驗(yàn)。若校驗(yàn)成功，則表示傳輸無誤，再判斷各種功能碼的合法性。功能碼合理性判斷成功后，則依據(jù)命令的內(nèi)容采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)按照Modbus通信協(xié)議編輯成數(shù)據(jù)幀后，通過485接口發(fā)送給RTU。整個(gè)RTM的軟件程序以Keil u Vision4為開發(fā)平臺(tái)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。

圖10　485通信程序流程圖

4　試驗(yàn)結(jié)果與分析

RTM模塊設(shè)計(jì)好后，根據(jù)其要實(shí)現(xiàn)的功能對(duì)其進(jìn)行調(diào)試。通過常溫下的三路模擬量標(biāo)定以及高低溫試驗(yàn)可確定其準(zhǔn)確度與工作適應(yīng)環(huán)境。在常溫（26℃）下對(duì)三路模擬量進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)要求4 mA對(duì)應(yīng)10 000，20 mA對(duì)應(yīng)50 000進(jìn)行標(biāo)定，使其精確度達(dá)到0.001 m A。表1為一組常溫下的測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，RTM各個(gè)測(cè)試點(diǎn)工作正常，采集精度達(dá)到預(yù)定要求。

表1　26℃測(cè)試記錄結(jié)果

由于所研制的RTM部署于我國(guó)內(nèi)蒙高寒油田，冬天低溫達(dá)-40℃。為此，需對(duì)RTM進(jìn)行低溫測(cè)試。從-5℃到-40℃每隔30分鐘降5℃，檢驗(yàn)各項(xiàng)參數(shù)與常溫下相比是否有偏差并實(shí)時(shí)記錄，全程保持其與RTU的聯(lián)調(diào)狀態(tài)。表2為一組-35℃下的測(cè)量結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，所研制的RTM在-40℃下工作正常，采集精度滿足要求。

表2　-35℃測(cè)試記錄結(jié)果

5　結(jié)束語(yǔ)

所研發(fā)的RTM經(jīng)過室內(nèi)測(cè)試與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。RTM能夠準(zhǔn)確的采集油井生產(chǎn)參數(shù)和抽油機(jī)的狀態(tài)參數(shù)，并傳送至RTU，再經(jīng)由RTU通過McWill無線傳輸?shù)街锌厥业臄?shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)了油井生產(chǎn)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。這不僅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且提高了油井生產(chǎn)的安全性。

［1］陳勇，孫文磊，譚遠(yuǎn)華，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機(jī)裝備工況采集與可視化研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2015，37 （9）：4-6，28.

［2］王文星，梁華慶，曹旭東，等.油井監(jiān)控系統(tǒng)傳輸層設(shè)備RTU的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2015，23（5）：1515-1518.

［3］曲鵬.基于ZigBee游梁式抽油機(jī)工況監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)研究［D］.大慶：東北石油大學(xué)，2013.

［4］吳家平，沈建華.基于STM32微控制器的過采樣技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010，20 （2）：209-212.

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［7］沈嘉，蔡益州，馮麗萍.過載保護(hù)用低壓電器檢測(cè)與試驗(yàn)方法應(yīng)用研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015 （16）：24.

Design and Implementation of Remote Terminal Measurement Device for Oil Well Monitoring System

Li Fengmin1，Pan Juchen1，Song Song1，Xiao Qi2，Ding Dawei2，Zhang Wei2，Liang Huaqing2，Cao Xudong2
（1.Data center of North China Oil Field，Renqiu062552，China；

2.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing102249，China）

The oil well remote monitoring system is designed by using three-tier structure which includes data acquisition layer，data transmission layer and data processing layer.This paper describes the hardware design and software development of RTM（Remote Terminal Measurement）in acquisition layer in detail.RTM uses ARM processor--STM32F103 as the core controller，connects with the RTU（Remote Terminal Unit）in transmission layer through 485 communication，implements the functions like the automatic detection of the oil well's production parameters such as the oil pressure and oil temperature，the real-time detection of the pumping pulley's speed and the remote control of oil well's starting and stopping.RTM has the characteristics of good compatibility，easy expansion and wide range of applications.The designed system has been applied in oil field which not only can reduce labor intensity and improve work efficiency，but also can detect the abnormalities of wells and take timely measures to guarantee the safe operation of the well production.

oil well monitoring system；remote measurement；remote control

1671-4598（2016）05-0089-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.026

TP23

A

2015-10-29；

2015-12-15。

國(guó)家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田的應(yīng)用示范項(xiàng)目（CNGI-12-03-043）。

李鳳民（1964年-），男，河北省館陶縣人，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，主要從事油田自動(dòng)化方向的研究。