包建雄 鄭金吾

(中國石油大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580)

0 引言

氣液兩相流各相產(chǎn)量是監(jiān)測、控制油氣井和氣藏動(dòng)態(tài)特性的主要依據(jù)，目前主要采用分離計(jì)量和非分離計(jì)量兩種計(jì)量方式。前者采用分離器將氣液兩相流分離成氣相和液相進(jìn)行單相計(jì)量。由于分離器存在體積龐大、造價(jià)昂貴以及無法進(jìn)行在線測量等缺點(diǎn)，在海洋、沙漠以及偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣田采用這種計(jì)量方式是不現(xiàn)實(shí)的。采用非分離計(jì)量可實(shí)現(xiàn)流量的在線、連續(xù)、自動(dòng)測量，具有占地面積小、投資少、操作費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[1－2]。油氣田現(xiàn)場大部分地理位置偏僻、環(huán)境惡劣且交通不便，目前主要采用有線或人工的方式獲取現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)，這種方式存在鋪設(shè)線路復(fù)雜、受自然環(huán)境影響大，而且工作量大、易出現(xiàn)差錯(cuò)、實(shí)時(shí)性差等弊端[3]。

GPRS無線上網(wǎng)技術(shù)為流量數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳提供新的傳輸方式。本文通過GPRS模塊利用GPRS網(wǎng)絡(luò)將流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳至數(shù)據(jù)中心上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)流量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，并實(shí)時(shí)準(zhǔn)確發(fā)送報(bào)警信號(hào)，減少意外事故造成損失。數(shù)據(jù)中心上位機(jī)通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

油氣井口兩相流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集單元、流量計(jì)量單元以及數(shù)據(jù)中心上位機(jī)三部分組成。其中，數(shù)據(jù)采集單元完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集并將其轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸送給流量計(jì)量單元;流量計(jì)量單元是系統(tǒng)的核心部分，通過流量計(jì)量模型計(jì)算出各相流量并利用GPRS方式發(fā)送到數(shù)據(jù)中心上位機(jī);數(shù)據(jù)中心上位機(jī)完成流量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示以及現(xiàn)場故障分析?，F(xiàn)場多個(gè)流量計(jì)量單元與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)采用C/S結(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)連接模式，數(shù)據(jù)中心上位機(jī)使用固定IP地址工作于服務(wù)器模式，現(xiàn)場流量計(jì)量單元工作于客戶機(jī)模式，通過GPRS模塊與服務(wù)器建立連接。計(jì)量單元與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)建立連接后，借助于GPRS網(wǎng)絡(luò)以及Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。油氣井口兩相流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 油氣井口兩相流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure of wellhead two-phase flow data acquisition system

圖1中，P表示流體的壓力信號(hào);T表示流體的溫度信號(hào);PD1與PD2表示兩測量孔板處的差壓信號(hào)。

2 流量計(jì)量單元硬件設(shè)計(jì)

流量計(jì)量單元以TI公司推出的TMS320VC5509A作為主控制器，應(yīng)用16位高精度串行A/D轉(zhuǎn)換芯片AD8344E對現(xiàn)場4路模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。選用鐵電存儲(chǔ)器暫存流量數(shù)據(jù)，借助其外圍集成的上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、硬件看門狗、低壓檢測以及高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能輔助流量計(jì)量單元，有效提高流量計(jì)量單元硬件性能。為了實(shí)現(xiàn)油氣井口兩相流數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視，利用GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)I2C轉(zhuǎn)UART電路，為DSP控制GPRS模塊提供一種解決方案。流量計(jì)量單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 流量計(jì)量單元結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 The structure of flow metering unit

2.1 TMS320VC5509A數(shù)字處理器

TMS320VC5509A是TI公司推出的一款低功耗、低成本、高性能數(shù)字處理器，可應(yīng)用于對數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中。其內(nèi)部集成了非常豐富的外設(shè)，通過配置時(shí)鐘發(fā)生器，可對外部輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻，滿足各種系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理速度的要求;利用外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)實(shí)現(xiàn)與異步存儲(chǔ)器、同步突發(fā)SRAM以及同步DRAM接口的連接，可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM)的擴(kuò)展，用于存儲(chǔ)溫度、壓力以及差壓信號(hào);內(nèi)部集成電路模塊(I2C)有效降低電路設(shè)計(jì)復(fù)雜性，方便了功能的擴(kuò)展;內(nèi)置3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)，通過配置可與SPI協(xié)議兼容，實(shí)現(xiàn)與串行Flash的SPI通信，完成在線BootLoader。處理器TMS320VC5509A支持靈活的Idle配置，有效降低系統(tǒng)功耗，適用于對功耗要求較高的場合。

2.2 I2C轉(zhuǎn)UART模塊電路

GPRS模塊采用UART接口與TMS320VC5509A處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但需為處理器設(shè)計(jì)接口轉(zhuǎn)換電路。TMS320VC5509A集成的片內(nèi)外設(shè)中，EMIF、I2C、McBSP以及USB可用于接口電路的轉(zhuǎn)換，從而獲得UART接口，實(shí)現(xiàn)與GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸。針對并行接口轉(zhuǎn)UART接口電路布線復(fù)雜、SPI串行接口轉(zhuǎn)UART接口以及USB接口轉(zhuǎn)UART接口軟件調(diào)試復(fù)雜的情況，選用OD2101芯片來實(shí)現(xiàn)I2C接口與UART接口的轉(zhuǎn)換。OD2101是一款提供I2C轉(zhuǎn)UART接口的專用協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，通過I2C總線與DSP傳輸數(shù)據(jù)，有效簡化電路布線復(fù)雜度。此外DSP通過I2C總線訪問OD2101的數(shù)據(jù)讀寫寄存器、UART接收緩沖字節(jié)數(shù)、I2C可加載字節(jié)數(shù)以及UART接口控制寄存器，即可實(shí)現(xiàn)與UART接口器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。OD2101傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，I2C總線速率為0～400 kbit/s，UART波特率為300～115 200 Baud，可滿足不同速率數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的場合。在I2C數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)與UART數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)分別有64 B的空間，可最大限度地保存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。通過內(nèi)部集成晶振電路、復(fù)位電路減少外圍電路，有效提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。I2C轉(zhuǎn)UART電路如圖3所示。

圖3 I2C轉(zhuǎn)UART電路圖Fig.3 The circuit of I2C converting into UART

DSP通過OD2101可非常方便地進(jìn)行UART接口擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的UART傳輸。當(dāng)UART數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收到新數(shù)據(jù)時(shí)，OD2101通過IRQ引腳輸出低電平觸發(fā)DSP進(jìn)入外部中斷，在外部中斷中，DSP完成對OD2101的UART數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的讀取。當(dāng)DSP給GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過I2C總線寫到OD2101的I2C數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中，然后由OD2101自動(dòng)將數(shù)據(jù)通過UART接口傳送給GPRS模塊。

2.3 GPRS 模塊電路

GPRS模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，可將油氣井口氣液兩相流?shù)據(jù)以及故障信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)中心上位機(jī);同時(shí)，GPRS模塊還接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送的控制命令，并將其通過I2C轉(zhuǎn)UART電路傳送給 DSP。GPRS理論帶寬可達(dá)171.2 kbit/s，通過TCP/IP連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。利用其“永遠(yuǎn)在線”、按流量計(jì)費(fèi)以及覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4－5]，有效解決了以往兩相流計(jì)量系統(tǒng)在流量數(shù)據(jù)傳輸方面的不足。設(shè)計(jì)中選用的GTM900B是一款雙頻段(EGSM900/GSM1800)GSM/GPRS無線模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，無需實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議(point to point protocal，PPP)也可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，方便了應(yīng)用開發(fā)和設(shè)計(jì)。GTM900B提供大容量緩存，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，防止數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)傳輸最高速率可達(dá)85.6 kbit/s，滿足數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)囊?。GPRS模塊接口電路如圖4所示。

圖4 GPRS模塊接口電路圖Fig.4 The interface circuit of GPRS module

GPRS模塊外圍電路包括UART接口電路、啟動(dòng)電路、指示電路以及SIM卡電路等。GTM900B有嚴(yán)格的開機(jī)流程，當(dāng)電源電壓大于3.4 V時(shí)，PWON輸入信號(hào)必須保持低電平10 ms以上，否則無法正常開機(jī)。設(shè)計(jì)中選用RC復(fù)位電路作為GTM900B啟動(dòng)電路，完成模塊上電自動(dòng)開機(jī)。LPG用于指示模塊的工作狀態(tài)，其輸出不能直接驅(qū)動(dòng)LED，需另行設(shè)計(jì)狀態(tài)指示電路，完成模塊當(dāng)前工作狀態(tài)的顯示。

3 計(jì)量單元軟件設(shè)計(jì)

計(jì)量單元軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫，同時(shí)借助CCS仿真環(huán)境。其主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將流量計(jì)量單元各功能模塊的初始化和功能函數(shù)均編寫成獨(dú)立的函數(shù)，然后由主函數(shù)及各中斷函數(shù)對其進(jìn)行調(diào)用。主函數(shù)完成流量計(jì)量單元各功能模塊的初始化以及GPRS模塊的入網(wǎng)、注銷操作，各中斷函數(shù)完成氣液兩相流數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、發(fā)送等工作。

GPRS模塊分配的IP地址為GPRS內(nèi)網(wǎng)IP地址，外網(wǎng)無法訪問，為方便數(shù)據(jù)中心上位機(jī)控制流量計(jì)量單元，在運(yùn)行期間，流量計(jì)量單元需與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)保持連接。此外GPRS模塊按流量計(jì)費(fèi)，因此運(yùn)行期間數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用只與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量有關(guān)，與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)連接的時(shí)間無關(guān)。執(zhí)行關(guān)機(jī)操作過程中需重點(diǎn)解決GPRS模塊關(guān)機(jī)問題，GPRS模塊有正常關(guān)機(jī)和緊急關(guān)機(jī)兩種關(guān)機(jī)方式，兩者的區(qū)別在于前者能從注冊網(wǎng)絡(luò)中注銷，后者不能。GPRS模塊正常關(guān)機(jī)流程為在電源電壓工作正常的情況下，PWON引腳被拉低2～3 s，在此過程中完成網(wǎng)絡(luò)注銷。流量計(jì)量單元在硬件設(shè)計(jì)上采用GPRS模塊自動(dòng)開機(jī)的方式，PWON信號(hào)不受DSP的控制，因此在關(guān)機(jī)時(shí)，DSP除了發(fā)送AT指令注銷GPRS網(wǎng)絡(luò)之外，還需要強(qiáng)行從注冊網(wǎng)絡(luò)中注銷。

3.1 I2C轉(zhuǎn)UART模塊軟件設(shè)計(jì)

I2C轉(zhuǎn)UART模塊軟件設(shè)計(jì)包括實(shí)現(xiàn)DSP的I2C讀寫函數(shù)以及對OD2101寄存器的讀寫函數(shù)的編寫。DSP與GPSR模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸通過OD2101完成，DSP將發(fā)送給GPRS模塊的數(shù)據(jù)通過I2C總線寫到OD2101的I2C數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中;GPRS模塊返回的數(shù)據(jù)保存在OD2101的UART數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)中，DSP通過I2C總線對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。I2C讀函數(shù)程序流程圖如圖6所示。

圖6 I2C讀函數(shù)程序流程圖Fig.6 Flowchart of the program of I2C READ function

OD2101在接收到GPRS模塊返回的數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)以中斷的形式通知DSP讀取數(shù)據(jù)?；贕PRS傳輸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，讀取GPRS模塊返回的所有數(shù)據(jù)有以下三種方法。

①通過UART數(shù)據(jù)傳輸波特率以及GPRS模塊返回?cái)?shù)據(jù)的長度來計(jì)算GPRS模塊返回所有數(shù)據(jù)的時(shí)間，DSP進(jìn)入中斷后等待這段時(shí)間，然后通過I2C總線進(jìn)行讀取。

②DSP進(jìn)入中斷后連續(xù)讀取OD2101的UART數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收字節(jié)數(shù)，當(dāng)該值與GPRS模塊返回?cái)?shù)據(jù)長度相等時(shí)，DSP通過I2C總線進(jìn)行讀取所有數(shù)據(jù)。

③通過UART數(shù)據(jù)傳輸波特率計(jì)算GPRS模塊返回一字節(jié)所需要的時(shí)間，當(dāng)這段時(shí)間內(nèi)的OD2101的UART接收緩沖區(qū)接收字節(jié)數(shù)不變時(shí)，DSP通過I2C總線進(jìn)行讀取。

由于大部分GPRS模塊返回的數(shù)據(jù)長度未知，本設(shè)計(jì)采用第三種方法。

3.2 GPRS模塊與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

流量計(jì)量單元與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)的通信選用網(wǎng)絡(luò)通信中比較常用的客戶機(jī)/服務(wù)器模型[6]，流量計(jì)量單元工作于客戶機(jī)模式，數(shù)據(jù)中心上位機(jī)工作于服務(wù)器模式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心上位機(jī)處于監(jiān)聽狀態(tài)時(shí)，DSP通過控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量單元與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)的連接，將流量數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)中心上位機(jī)。GPRS模塊與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)的連接程序流程圖如圖7所示。

圖7 建立連接程序流程圖Fig.7 Flowchart of the program for establishing connection

GTM900B支持TCP以及UDP兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，且在TCP數(shù)據(jù)傳輸方式中可工作于服務(wù)器模式。數(shù)據(jù)中心上位機(jī)采用Internet網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)時(shí)，由于外網(wǎng)不能訪問GPRS模塊的IP地址，因此，GTM900B必須工作于客戶機(jī)模式。當(dāng)數(shù)據(jù)中心上位機(jī)采用GPRS模塊接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸雙方的IP地址都為GPRS內(nèi)網(wǎng)IP地址，此時(shí)數(shù)據(jù)中心GTM900B可工作于服務(wù)器模式。

4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)中心上位機(jī)采用Inprise公司推出的高性能可視化開發(fā)工具C++Builder，它具有編譯功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)庫開發(fā)簡單以及網(wǎng)絡(luò)開發(fā)方便等特點(diǎn)。利用C++Builder提供的數(shù)據(jù)庫開發(fā)工具，有助于程序員開發(fā)出功能強(qiáng)大、界面美觀的數(shù)據(jù)庫。C++Builder支持結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)，編程人員通過編寫SQL語言就能完成對數(shù)據(jù)庫的所有操作[7]。C++Builder提供與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的控件，可方便網(wǎng)絡(luò)開發(fā)，通過修改UDP或TCP有關(guān)控件屬性，兩臺(tái)計(jì)算機(jī)就能建立網(wǎng)絡(luò)通信[8]。

數(shù)據(jù)中心上位機(jī)與GPRS模塊之間以TCP作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在客戶機(jī)與服務(wù)器建立連接之前，服務(wù)器處于監(jiān)聽狀態(tài)，客戶機(jī)通過服務(wù)器的IP地址與端口號(hào)申請連接。當(dāng)服務(wù)器的IP地址為動(dòng)態(tài)IP地址時(shí)，通過動(dòng)態(tài)域名解析的方法使服務(wù)器動(dòng)態(tài)IP地址與固定域名相綁定，客戶機(jī)通過查詢該域名獲得服務(wù)器當(dāng)前IP地址，然后與其建立連接[9]。當(dāng)服務(wù)器IP地址為固定IP地址時(shí)，客戶機(jī)可直接與該IP地址的服務(wù)器建立連接。

數(shù)據(jù)中心上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)用戶管理、流量數(shù)據(jù)管理、故障診斷以及報(bào)警等功能。流量數(shù)據(jù)管理中包括流量數(shù)據(jù)的存數(shù)、顯示、分析以及查詢等功能，上述操作需要與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，可通過修改C++Builder提供的TQuery控件的SQL屬性來完成訪問數(shù)據(jù)庫的各種操作[10]。

查找流量數(shù)據(jù)具體程序如下。

在修改完TQuery控件的SQL屬性之后有兩種執(zhí)行SQL的方法，Open方法可執(zhí)行查詢并顯示表中的數(shù)據(jù)，ExecSQL方法可插入、刪除以及更新數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于GPRS的兩相流數(shù)據(jù)傳輸新方案。該方案利用GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)接入功能，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心上位機(jī)的遠(yuǎn)程通信，完成將油氣田現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心上位機(jī)，不僅提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，而且避免了現(xiàn)場錯(cuò)綜復(fù)雜的連線。與一般無線通信相比，基于GPRS通信方式不受地形、地貌以及距離的限制，因此將GPRS應(yīng)用到兩相流計(jì)量系統(tǒng)中具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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