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油井状态参数监测系统设计
油井状态参数监测系统设计
尹洪石
(大港油田信息中心)
摘要
本文就油井参数监测系统的设计进行了探讨和研究。
该设计基于ATMEL公司生产的应用广泛的AT89C51单片机,并利用它设计了油井监测系统的硬件和软件的功能。
数字化和自动化技术在现代油井监测系统中的使用将是未来油井监测系统的发展方向,它对油井生产具有重要的作用和意义。
关键词:
油井监测;检测硬件;监控软件
ABSTRACT
Inthispaper,parametermonitoringwellsonthesystemdesignofthestudyandresearch.houlddesignamachineofappliedextensiveAT89C51thatproducesaccordingtotheATMELcompany,andmakeuseofthefunctionofthehardwareandsoftwarethatitdesignstheoilwelltomonitorthesystem.Thenumeralturnsandautomatesthetechniqueinthemodernoilwellmonitorsystemofusagewillisanoilwelltomonitorthedevelopmentdirectionofthesysteminthefuture,itproducetohavetheimportantfunctionandmeaningstotheoilwell.
Keywords:
Theoilwellmonitor;Examinethehardware;Superviseandcontrolthesoftware;
引言
油田油井大多都分布在各采油场,油井工作状况的监测和控制,一般的油井大多为油井巡视员或维修工定期巡回检查,随着油井现代化管理水平的不断提高,早期的巡视员方式已逐渐被油井无人值守监测系统替代。
油井监测系统是数字化、集成化、自动化的基于单片机、传感器、显示设备以及现代通信网络的生产实时控制平台。
它的应用能够改善油井工作人员的效率,降低油井企业成本,提升企业管理水平,精确收集油井参数,为油井的安全高效工作提供保障。
本课题主要任务为依据油井生产的实际状况,采用单片机、传感器、显示器以及其他芯片组建硬件部分完成系统得功能设计,在计算机系统上加载相关软件实现对系统运行的监控管理,利用现代通信网络传输监测所得油井实际运行时的各类有效参数,最终在设计出油井监测系统得整体方案。
第一章简介
1.1油井参数监测简介
目前,整个采油也依然依靠庞大的机械设备和众多的人力,但是数字化技术正在不断地应用于油田油井的生产与管理中,先进的数字化油井采油技术日益受到广泛重视。
利用数字化技术,当油井的钻探和产油工作开始时,地下的传感器可以通过通信网络将油井的流量、电压、温度、出油压力等数据源源不断的传递给遥远的监测中心,在公司办公室的工程师或者科学家收到这些数据,进行研究分析和判断之后,就能够向油田的一线技术工作人员发出各种指令,及时调整和处理油井中的问题和故障,从而实现设备的顺利运转以及提高产量。
油井远程测控终端(RTU/SCAFA)可以极大地提高生产运行管理的安全性能和可靠程度,减少不必要的人工浪费和提高数据的准确性,提高生产效率,通过生产过程的集中控制和管理还可以极大地提高企业整体效率地竞争能力,提高预测突发事件地能力和紧急情况下地反应能力,带来潜在地社会和经济效益。
1.2油井监测的特点
使用现代化电子设备对抽油机进行远程监控对于及时、准确、全面地掌握石油生产情况,进行科学决策有着十分重要的意义。
(1)可降低工人劳动强度,提高生产率
(2)便于及时掌握生产情况,利于科学管理
(3)便于采集生产数据,利于科学决策
(4)便于及时发现问题,提高工作效率
第二章监测系统设计
二.3监测系统总体设计
本油井监测系统采用性能优越的ATMEL公司的AT89C51单片机作为核心部件结合主机(服务器)、监测软件、键盘与显示、无线通讯、传感器组及前端处理模块等构成。
数据采集模块主要由传感器和模拟/数字信号转换等组成。
传感器采集到数据经过必要处理应用现代移动通信手段传递到监测控制主机。
包含这个所谓现代通信手段的部分为该监测系统的通信网络部分,它利用覆盖面广泛的移动通信技术GSM或者GPRS将采油井数据实时的传送到监测控制部分。
监测控制部分负责处理和储存所有油井的实时数据,并且向油井一线工作人员发出有关执行的指令。
监测控制部分的信息来源于硬件设计的监测数据采集部分。
通过本系统工作人员只需要在监测控制部分即可获得远处的油井现场工作参数信息,而不必再亲自到各个油井巡查了,避免了资源的浪费和提高了抽油机运转效率。
二.4监测系统功能简介
根据油井的实际情况以及设计要求,监测系统应该具有以下功能:
1.数据采集处理功能
系统具有自动监测、记录采油设备上的电压、温度、压力、流量等数据,且进行必要处理能力。
2.数据共享功能
所测数据以及采油井设备的工作状态可以传输到局域网上,实现管理部门的共享。
3.报警功能
根据设定参数和监测软件,可以系统对每口油井的所测数据实现监测,如果所测数据超过了设定范围,可以进行实时报警。
4.显示输出功能
系统设有显示输出功能,可以将现场的数据通过显示器显示出来,供用户实时查看和监视。
5.权限设置功能
权限设置分为操作员、管理员、系统总管理员三种,并利用用户名和用户密码加以限制和设定。
二.5监测系统总体框图
具体框图如下2.3所示
图2.3系统总体框图
第三章监测系统硬件设计
三.3传感器组
传感器组把油井实际运行中的各种温度、压力、电压、流量等主要物理量采集起来并且短期保存。
考虑到油井工作环境的特殊性,所选用的传感器必须能够在较为恶劣的条件须下工作,而且精度必须满足实际应用的要求。
该系统的技术指标如下:
监测电压:
220V±1%
监测流量:
0.005~0.1m/s
监测温度:
-30℃~+80℃
监测压力:
3pa~10pa
三.3.1温度传感器组
从测温范围以及工作环境考虑,本设计选用美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流传感器ADF590型号。
它的主要特性如下:
1、流过器件的电流(mA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
mA/K式中:
—流过器件(AD590)的电流,单位为mA;T—热力学温度,单位为K。
2、AD590的测温范围为-55℃~+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V~30V。
电源电压可在4V~6V范围变化,电流变化1mA,相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压,因而器件反接也不会被损坏。
4、输出电阻为710MW。
5、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线性误差为±0.3℃。
三.3.2电压转换器
监测设备的电压为220V,而系统中心所能接受的电压为5V,所以要经过电压转换。
将220V的电压经过变压器、桥式整流,最后通过稳压器得到我们所要的电压。
转换过程如图4-1所示。
三.3.3流量传感器
由于在石油工业中被测流体成分和物理化学性质复杂、再加上工作现场的条件有时十分恶劣,只有相对较少的也一些流量传感器可以应用。
光线流量传感器与传统的其他流量传感器相比,具有测量灵敏度高、动态测量范围大、耐高温高压、抗电磁干扰能力强的优点。
本系统传感器所采集信息最终都要转换为数字量,因此我们选择开关型霍尔传感器。
三.3.4压力传感器
压力传感器的测量原理是把被测液体引入密封容器中,流体对容器周围施加压力,使弹性元件(大多为金属磨片)产生变形(如位移、角移位、角度等),然后通过变压器把这种变形变换成机械量或者电压输出(如电压、电流、频率等)。
在压力传感器中,这种变换器可以是电位计、金属应变片、磁敏元件电容元件、电感元件、压电元件、压阻元件等。
本次设计选用CYYB-120BP系列压力变送器,它采用高稳定、高可靠性的压力敏感组件和高品质的集成电路组装而成,它具有高品质、低价位、能适应各种工业应用的特点,是精密机械加工+温度补偿+模拟信号处理技术的结晶,主体电路工艺材料先进,密封固化与外部完全隔离,能满足防潮、防水、防爆、防腐、防尘等恶劣工况的要求,选用不同的过程连接件可对强腐性的介质、高低温介质、粘稠介质进行准确测量。
三.4前端处理单元
通过传感器采集的原始的物理量多为较小的数据,不可以直接使用,因此,必须通过放大器进行放大处理。
同样,采集到的原始数据多为模拟量,需要转换为数字量以供有关设备使用。
3.2.1放大器
考虑到油井的工作环境,我们选用HARRIS公司生产的精密运算放大器CA314。
该产品采用BIOMOS工艺制成,输入级为MOSFET结构,输出级为CMOS结构,具有选通功能,输入失调电流为0.5pA,输入偏置电流为10pA,转换速率为9V/μS,增益带宽乘积为4.5MHz,输入电阻为60欧,可用于采样/保持电路、有源滤波器、峰值检测器、电压比较器、稳压电源系统、告警电路、电池供电便携式仪器以及自动控制系统器等领域。
工作环境温度范围-55℃~125℃
极限参数:
电源电压……………………±18V
差模输入电压……………………8V
引线耐焊接温度(10s)………………300℃
输入电流………………1mA
3.2.2采样保持器
A/D转换器在进行A/D转换期间,通常要求输入的模拟量应保持不变,以保证A/D转换得准确进行。
因此,采样信号应送至采样保持电路(亦称采样保持器)进行保持。
采样保持器对系统精度有很大影响,特别是对一些瞬变模拟信号更为明显。
本设计采用LF398。
他有8个引脚,结构框图如图3.2.2所示。
图3.2.2LF398结构框图
3.2.3模数转换器
A/D转换器的功能主要是将输入的模拟信号转换成数字信号,如电压、电流、温度测量等都属于这种转换。
根据本系统的实际情况,考虑到现实的可行性,逐次逼近是ADC从速度和转换精度来看,都比较适中,电路结构又不太复杂,因而选用逐次逼近式ADC。
本次采用的转换器为ADC0809型号。
ADC0809芯片性能特点:
是一种简单的COMS器件,外部供给基准电压;单通道转换时间116
s;分辨率为8位,带有三态输出锁存器,转换结束时,可由CPU打开三态门,读出8位的转换结果;有8个模拟量的输入端,可引入8路待转换的模拟量。
ADC0809采用双列直插式封装,共有28条引脚。
A
3.2.4多路模拟开关
模拟多路开关是一种重要的器件,在多路被测信号公用一路A/D转换器的数据采集系统中,通常用来将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换,以便计算机能对多路被测信号进行处理。
本设计选CD4051,它是一种常用的8路模拟开关。
CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表1。
“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。
此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰-峰值达15V的交流信号。
CD4051具体管脚如图4-6所示。
图4-6CD4051引脚图
C、B、A为二进制控制输入端,改变C、B、A的数值,可以译出8种状态,并选中其中之一,使输入输出接通。
当INH=1时,通道断开;当INH=0时,通道接通。
改变图中IN/OUT0~7及OUT/IN的传递方向,则可用作多路开关或反多路开关。
真值表如下;
三.4.1分频器、译码器、锁存器
由于所选的单片机的晶振频率与ADC0809的工作频率不同,所以要进行分频输出。
由于系统是在多路状态下进行的,需要确定什么时间监测哪一路的物理量,故需要有译码控制。
本设计采用锁存器74LS373,译码器74LS379,分频器74LS74。
74LS373是一种8D锁存器,具有三态驱动输出,74LS373锁存器主要用于锁存地址信息、数据信息以及DMA页面地址信息等。
其引脚电路如图4-7所示:
图4-774LS373引脚图
74LS74芯片是上升沿触发、带复位端和置位端的双D触发器,它可以作用作分频。
分频器引脚图如图4-8所示:
图4-874LS74
双2-4译码器74LS139引脚图如图4-9所示(只标出一个2-4译码器):
图4-974LS139引脚图
三.5单片机芯片
本设计中单片机是监测控制中心的关键部分,考虑到实际情况我们选用ATMEL公司的AT89C51型单片机。
AT89C51是一种4K字节闪烁可编程可擦除只读存储(FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该期间采用ATMEL高度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051使他的一种精简版本。
AT89C单片机位很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
具体管脚如图4-10所示。
3.4I/O扩展芯片
设计选用INTEL公司的8255并行输入/输出接口芯片。
8255是可编程I/O扩展芯片。
对8255输入不同的指令可改变I/O的工作方式。
8255与单片机系统连接方式简单,工作方式由程序设定。
8255内部有4个寄存器:
分别为A、B、C和控制寄存器。
A、B、C寄存器的数据就是引脚PA~PA0、PB7~PB0、PC7~PC0上输入或输出的数据。
而控制寄存器的数据则表明PA、PB、PC的工作方式。
通过CS、A0、A1、Rd和WR对4个寄存器进行操作。
图3.48255引脚图
3.5硬件系统工作原理
系统原理图
3.5.1数据采集模块
数据采集模块主要由各个参数传感器、放大器CA3140、采样保持器LF398、A/D转换器ADC0809、电阻、电容等器件组成。
由于从传感器获得的数据如压力等都较少,所以需要一个放大器。
而电压经过转换过程已经为5伏特了,顾不需要在放大可直接进入A/D转换器。
数据采集处理模块如图4-12所示。
图3.5.1数据采集处理模块
3.5.2微处理器模块
中央处理器芯片为兼容MCS51的AT89C51芯片。
系统采用AT89C51控制I/O扩展芯片8255、A/D转换等部分,单片机的P0口连接ADC0809的八个输出端;8255的地址/数据线D0~D7用于分时传送地址/数据信息。
单片机定时器设置定时时间,系统初始化后开中断,单片机首先送出地址代码,由74LS373、74LS139完成对指定油井的指定一路信号的选通。
在选通的同时启动ADC0809,指定一路闭合后,经过传感器将信号采集、放大后,送到LF398的输入端口,LF398经过短暂的捕捉时间后,讲输入信号保持一段时间,使之满足A/D转换的需要时间。
ADC0809在转换时间内,将输入的模拟量转为数字量。
A/D转换完成后,EOC端发出一个高电平,经过非门后成为低电平。
当单片机的INT1端口检测到有低电平信号的时候,说明A/D转换已经结束,从他获得的数据进入单片机。
在通过预设值比较子程序判断是否正常,预设值为一个范围,只要采集到的值在此范围内即符合要求。
单片机不做处理;如果数据在此范围之外,将根据实际情况处理。
微处理模块构成如图3.5.2所示。
图-3.5.2微处理器模块
3.5.3键盘与显示模块
显示模块时间的控制中心与前方油井现场进行交互和联系得主要平台,通过显示器我们可以清楚地掌握油井现场的生产和故障情况,通过键盘我们可以对收集到的数据进行储存备案以及向油井现场发布相关的指令和命令。
本设计为3*6键盘,六位LED显示。
键盘排列成行列矩阵式,按键的作用是使得相应的接点接通或者断开,在相应得程序配合下也可以产生被按键的键码。
在键盘显示模块中,有18个按键。
分成三行六列,只有某个键按下,相应的行线和列线才会被接通。
键盘中有1-9个数字键。
功能键为八个,还有一个空操作,功能的定义根据实际处理数据的要求确定,如SAV、ADD、SBUF等。
键盘与显示模块如图3.5.3
图4-14键盘与显示模块
第四章监测系统软件设计
四.3总体设计
监控软件是检测控制中心的核心软件部分,它起着收集整理以及储存前方的各种数据、分析判断数据合理性、发出监控中心的处理指令、与前方进行通信以及键盘输入和显示等功能。
监控软件的设计要符合系统应用环境和条件的需要,还要方便操作和运行,能充分的发挥信息化技术在现代油井生产中的作用。
四.3.1系统软件功能设计
一个完整的系统都是由硬件、软件两方面完成的。
对应着硬件系统的设计,软件应实现以下功能:
信号的采集以及处理;根据野外的工作环境设计出来的协调提出的要求。
需要采集信号量有电压、温度、压力、流量等数据,有控制器发出读取指令采集电路从传感器静默数转换获得各需要的数据。
键盘显示功能:
包括各种参数的显示。
它可以让用户更好的掌握各种测量值变化情况以及几工作状态,并通过功能键和数字键可以在线修改不符合设定值的量。
控制执行机构动作:
将控制指令通过总线输送到输出模块,控制相应执行机构的动作,使整个系统正常、有序、稳定的工作。
与主机通信:
由于单片机本身的局限性,不能够进行更高级的算口,而计算机不仅能够执行更高级的算法,还可以解决测量的最合适值,便于以后的远程多个油井的群控,使监测幽静的工作更加方便。
四.3.2系统软件功能规划
从总体上讲,可以将系统大体分为数据采样以及A/D转换模块、动态显示模块、电压比较控制模块,温度比较控制模块、压力比较模块、流量比较模块等。
系统软件流程图如图4.1.2
四.3.3子程序流程图
子程序流程图如图5-2所示
图5-2子程序流程图
4.1.4键控子程序流程图
键控子程序流程图如图4.1.4所示。
四.4系统软件流程图简述
1.系统软件总流程图
开机后系统进行初始化,检查输入的程序和数据是否存在,检查内存空间,为程序的运行做好准备。
然后通过程序制导硬件对油井参数惊醒采集和模数转换,得到的数据进入子程序,处理结果显现出来,接着判断有无键按下。
如有,则进入监控子程序。
监控子程序执行完毕后回到系统的初始状态进行下循环过程;若无键按下,则直接回到系统的初始化状态进行下一次过程。
2.状态参数的(以电压为例)比较子程序流程图
程序运行到这里时,首先进行域设置的比较,判断现场得到的数据实际是否下于上限值。
若大于则报警,然后返回程序;若下于上限制,则再与下限制比较。
如果下于下限值则直接接报警,然后返回主程序;若大于下限制,则直接返回主程序。
3.键位处理子程序
程序运行到监控子程序是首先对8255进行初始化,然后显示一次LED,并且根据程序对键进行查询。
如果键盘内有键按下,则返回系统初始化状态进行下一轮的查询。
若有键按下,则查询复位,取得键位置。
再判断键位值是否为数字键,如果实则进行数字键处理;如果不是,则进行功能键处理,最后处理完毕回到主程序。
第五章GPRS网络简介
5.1GPRS简介
通用无线分组业务GPRS(GeneralPacketRadioService)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,提供端到端的、广域的无线IP连接。
简单的说,GPRS是一项高速数据处理的技术,其方法是以“分组”的形式传送数据。
网络容量只在所需时分配,不要时就释放,这种发送方式称为统计复用。
目前,GPRS移动通信网的传输速度可达115k/s。
GPRS是在GSM基础上发展起来的技术,是介于第二代数字通信和第三代分组型移动业务之间的一种技术,所以通常称为2.5G。
结论
本设计即油井状态监测系统的设计目前已经结束,系统主要对油井的电压、温度、流量、压力等四个数据进行监测,通过传感器组采集油井现场的实时数据,经过放大、模数转换等处理后,将数字量通过GPRS移动通信方式送入监控中心的主机,监控中心对收到的数据进行比较、保存等处理后,将结果显示出来,从而实现对油井现场状态的及时监控。
目前集成传感器、智能传感器及微型传感器等信息采集技术的进步使得未来的油井监测系统在采集现场数据的能力和准确性方面成为可能。
同样,伴随移动通信新技术的发展,诸如3G、4G也为数据的通信传递提供了更好的选择。
另外功能日益完善的计算机也使得监控中心的管理和操作更加方便和容易。
综合而言,未来融合TCP/IP以太网技术、无线传输、信号处理、自动控制、智能设备和人机接口等技术一体的系统将会实现对油井现场的更多参数和状态的更有效监控。
远程油井状态监测系统大大的减轻了公认的劳动强度,改善了公认的工作环境,提高了企业的经济效益和自动化管理水平。
目前信息化技术迅速发展,数字化油井已经成为油井生产企业的共识,而作为数字化油井的主要部分的油井生产数字化将使得监测系统得发展一片光明!
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