油田注水參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李響　司珈銘　劉慧超

摘 要：油田的數(shù)字化建設(shè)中，注水系統(tǒng)對于提高產(chǎn)量來說非常重要，而注水井?dāng)?shù)量巨大，參數(shù)眾多，使得對注水井系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)控、分析成為注水系統(tǒng)的重點。油田注水參數(shù)采集系統(tǒng)可以替代工作人員在戶外監(jiān)視，減輕工作人員的工作負(fù)擔(dān)。本文基于AVR內(nèi)核的ATmega16作為主控制器，采用SIM900A作為無線傳輸模塊，用戶在手機上可以實時監(jiān)測注水參數(shù)的變化趨勢，并能查詢并打印歷史數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：油田；注水；參數(shù)采集；監(jiān)測

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1.背景意義

為了保持油層壓力，獲得較高的采收率，需要對油田進(jìn)行注水。而注水井的分布范圍廣、數(shù)量多，使得對注水井系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)控、分析成為注水系統(tǒng)的重點。目前由于我國油田生產(chǎn)中的重要注水站一直由工作人員在戶外監(jiān)視其狀態(tài)，部分油井裝備了注水參數(shù)采集系統(tǒng)，但由于沒有實現(xiàn)無線傳感，數(shù)據(jù)采集工作必須由工作人員攜帶手持設(shè)備到現(xiàn)場，工作量大，而且極易出錯，數(shù)據(jù)存儲及查詢系統(tǒng)多為客戶端和服務(wù)器端架構(gòu)，使得對參數(shù)的監(jiān)控?zé)o法遠(yuǎn)距離準(zhǔn)確傳輸，在實際生產(chǎn)監(jiān)控中存在滯后現(xiàn)象。因此設(shè)計一種油田注水參數(shù)采集監(jiān)測系統(tǒng)對于油田提高工作效率、保障生產(chǎn)安全有著十分重要的意義。

2.系統(tǒng)設(shè)計思路

系統(tǒng)利用流量傳感器和壓力傳感器作為監(jiān)測設(shè)備，利用無線通信模塊進(jìn)行與主控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

用戶可通過WEB的方式瀏覽當(dāng)前實時數(shù)據(jù)曲線，并可查詢指定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)曲線，也可以導(dǎo)出需要的相關(guān)數(shù)據(jù)，并打印數(shù)據(jù)報表。系統(tǒng)云服務(wù)器數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng)如圖1所示。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文以基于AVR內(nèi)核的ATmega16控制器，并結(jié)合GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對油田注水系統(tǒng)流量、壓力工況參數(shù)無線的實時監(jiān)測。系統(tǒng)以GPRS為數(shù)據(jù)傳輸載體，以互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器和服務(wù)器的模式架構(gòu)為前端系統(tǒng)。形成網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測，實時顯示流量、壓力曲線，所有從監(jiān)控終端發(fā)送的數(shù)據(jù)均存儲于數(shù)據(jù)庫中。能夠在線實時對油田注水站機組的流量、壓力進(jìn)行監(jiān)測分析，且能查詢其歷史數(shù)據(jù)并打印，若系統(tǒng)拓展后還可實現(xiàn)故障記錄、為機組的狀態(tài)維護(hù)提供信息等功能。

3.1 單片機硬件電路

ATmega16片內(nèi)包含經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器，共有1.0MHz、2.0MHz、4.0MHz或8.0MHz4個時鐘頻率。將其作為系統(tǒng)時鐘時只需要按照數(shù)據(jù)手冊對熔絲位CKSEL進(jìn)行編程即可。因此，當(dāng)選擇片內(nèi)RC振蕩器時，無須外部晶振電路，系統(tǒng)也可正常工作。為了更好地抑制噪聲，應(yīng)在AREF引腳上連接一個0.1uF的電容進(jìn)行解耦。因為連接導(dǎo)線和引腳的組合電容的影響，在進(jìn)行ADC采樣時會使輸入的電壓值產(chǎn)生一定幅度的下降，而提高ADC輸入端的電容量就可以使壓降減輕，因此在ADC的輸入引腳端并接一個470pF的電容。并且又額外增加一個430Ω的外部輸入電阻，組成的RC網(wǎng)絡(luò)具有濾波功能，能夠濾除高頻噪音。當(dāng)RESET為低電平時，可以通過串行SPI總線對Flash及EEPROM進(jìn)行編程。串行接口包括SCK、MOSI（輸入）及MISO（輸出）。因此引出如表所示的相關(guān)引腳供Flash及EEPROM編程時使用。SPI串行編程映射見表1。

3.2 SIM900A硬件設(shè)計

SIM900A GSM/GPRS模塊使用單電源供電，其供電范圍在3.2V～4.8V之間，硬件設(shè)計手冊上推薦電壓為4.0V，由于模塊在進(jìn)行突發(fā)射頻發(fā)射時會使電壓跌落，此時的峰值電流最高會達(dá)到2A以上，所以要求電源的供電能力要盡量達(dá)到2A，并在電源引腳處根據(jù)供電IC的輸出能力并接大電容。因此，電源部分的設(shè)計會影響模塊整體的工作穩(wěn)定性，如設(shè)計不好會導(dǎo)致開機幾秒鐘之后就關(guān)機、在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸或信號不好時模塊關(guān)機或重啟。

4.程序設(shè)計總體流程

本設(shè)計采用了ATmega16單片機片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集傳感器發(fā)出的信號，因此需要對相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化配置。其中ADMUX為ADC多工選擇寄存器，主要配置了ADC的參考電壓源和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的左對齊。ADCSRA為ADC控制和狀態(tài)寄存器A，主要使用了ADC和配置了ADC預(yù)分頻器。

在進(jìn)行單次采集之前，需要在ADMUX寄存器寫入選擇的ADC通道，之后通過ADCSRA寄存器啟動ADC，并循環(huán)讀取ADIF標(biāo)志位等待ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束。由于ATmega16單片機片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為10位精度，分別存儲在ADCH和ADCL寄存器內(nèi)，當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果左對齊時，直接在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束后讀取ADCH寄存器即可得到8位精度的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

結(jié)語

本文對自動采集和無線傳輸進(jìn)行了初步研究和設(shè)計，如果需要真正在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中使用該系統(tǒng)還有很多的地方需要改進(jìn)和完善，例如提升數(shù)據(jù)采集部分的數(shù)據(jù)精度，在惡劣的環(huán)境下使系統(tǒng)保持長時間穩(wěn)定的運行狀態(tài)等。尤其是在人機交互頁面部分，如何更好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中的需求，提高用戶的操作效率和管理效率，如增加用戶權(quán)限管理系統(tǒng)，使管理者能夠指定用戶查看的數(shù)據(jù)范圍等，都是在之后需要進(jìn)一步拓展的功能

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