高明星，黃玉志，胡耀強

陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710075

基于嵌入式的天然氣井口數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

高明星，黃玉志，胡耀強

陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，陜西西安 710075

設(shè)計的嵌入式天然氣井口數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)以嵌入式微處理器 ARM7 為核心硬件，以 GSM 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸平臺，利用短信業(yè)務(wù)方式完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。上位機使用 LabVIE W 軟件搭建虛擬儀器平臺，實現(xiàn)天然氣井口數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。結(jié)果表明所設(shè)計的氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)穩(wěn)定性好、實時性強、可靠性高，在提高生產(chǎn)效率的同時節(jié)省了組網(wǎng)成本，降低了員工勞動強度。

天然氣井口； 遠程監(jiān)測； 微處理器； GSM；無線通信；虛擬儀器

1 天然氣井口數(shù)據(jù)監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀

嵌入式技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，極大地推動了氣田的自動化管理水平[1]。在以往的工業(yè)領(lǐng)域大多采用以單片機或 PLC 為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，利用有線以太網(wǎng)方式完成數(shù)據(jù)通信[2-3]。雖然經(jīng)濟實用，但是應(yīng)用場合有很大程度的限制。由于各氣井分布位置廣、距離遠，促使以無線通訊方式實現(xiàn)對氣井數(shù)據(jù)的監(jiān)測成為一種必然趨勢。

（1）衛(wèi)星通信。衛(wèi)星在空中起中繼站的作用，將地球站發(fā)來的電磁波放大后再返送回另一地球站。由于兩個地球站之間的電磁波傳輸距離較遠，使信號在傳輸時存在延遲，而且易受雨雪等外界環(huán)境氣候的影響[4]。

（2）無線電臺。采用調(diào)頻調(diào)制或調(diào)幅調(diào)制的辦法，將圖像搭載到高頻載波上，轉(zhuǎn)換為高頻電磁波在空中傳輸，但其頻段范圍受限，傳輸環(huán)境易受電磁或外界環(huán)境干擾[5]。

（3）CDMA/GPRS。CDMA（碼分多址），是以擴頻通訊技術(shù)為基礎(chǔ)[6]；GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)），通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行改造來實現(xiàn)分組交換[7]。兩種通信方式都較為優(yōu)越，但在偏遠地區(qū)的覆蓋范圍較小，受適用場合限制。

（4）GSM。GSM 是基于時分多址的全球移動通信技術(shù)，通過 GSM 通信模塊收發(fā)有限長度的文本信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程通信。利用了現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，無需重組網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省了成本[8]。

因此，針對氣田分布廣、距離遠，數(shù)據(jù)監(jiān)測需準確可靠，實時性高等要求，設(shè)計了嵌入式井口監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。系統(tǒng)主要以嵌入式微處理器為核心，利用 GSM 網(wǎng)絡(luò)，借助于短信方式傳輸至上位機，通過 LabVIEW 搭建上位機虛擬儀器平臺，實現(xiàn)氣井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。同時，將采集到的信息發(fā)送至工作人員使用的移動電話，以確保數(shù)據(jù)取全、取準。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

圖1 某集氣站氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)是氣井生產(chǎn)狀況的重要反映，通過對井口數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測與存儲可對氣井狀況的分析提供重要參考依據(jù)[9]。某集氣站的氣井遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示。

系統(tǒng)主要由傳感器、氣井監(jiān)控終端、GSM 網(wǎng)絡(luò)、集氣站監(jiān)控中心和工作人員所用的通信設(shè)備組成。傳感器主要完成井口油壓、套壓、溫度的監(jiān)測；監(jiān)控終端由嵌入式微處理器、供電電路及 GSM 數(shù)據(jù)傳輸模塊組成；監(jiān)控中心位于集氣站，將接收到數(shù)據(jù)進行保存與監(jiān)測。系統(tǒng)將采集到的井口數(shù)據(jù)信息分別發(fā)送至監(jiān)控中心，以及該集氣站工作人員所使用的移動電話。

現(xiàn)階段，我國大部分通信企業(yè)偶爾也會組織一些學習或培訓等等，但這種培訓或?qū)W習僅僅是短暫性的，不僅沒有培訓制度，還缺乏長遠的規(guī)劃。因而，目前大部分通信公司并沒有形成良好的學習氛圍，這就導致公司員工在專業(yè)知識和專業(yè)素質(zhì)方面難以獲得很大的提高。長此以往，必然會難以適應(yīng)通信企業(yè)的飛速發(fā)展。人力資源管理歸根結(jié)底是對人的管理，通信公司員工素質(zhì)水平較低與人力資源管理的水平有密切的關(guān)系。因此，為促進通信公司的健康發(fā)展，完善薪酬與績效管理是十分必要的，且會發(fā)揮重要的作用。

2.1 監(jiān)控終端硬件設(shè)計

井口數(shù)據(jù)監(jiān)測終端是以 NXP 公司的 ARM7 為核心處理器，由通信模塊 TC35i、電平轉(zhuǎn)化芯片 CH340 及外圍電路組成。

系統(tǒng)設(shè)計時，采用模塊化的設(shè)計思路，將傳感器采集到的信號經(jīng)過 MCU 處理后，再由 GSM 以短信的形式進行無線傳輸。信號分別發(fā)送至工作人員以及監(jiān)控中心的接收設(shè)備。監(jiān)控中心的上位機利用 LabVIEW 搭建虛擬儀器平臺，以串口的方式完成數(shù)據(jù)的顯示與存儲。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

發(fā)送短信：將天然氣井口油壓、套壓及溫度數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送至監(jiān)控中心及工作人員。

顯示數(shù)據(jù)：對氣井油壓、套壓、溫度數(shù)據(jù)通過監(jiān)控中心上位機所搭建的虛擬儀器平臺進行實時監(jiān)測與顯示。

儲存數(shù)據(jù)：將井口油壓、套壓、溫度數(shù)據(jù)進行存儲，便于對氣井的生產(chǎn)狀態(tài)進行分析。

2.1.1 信號采集模塊

氣井數(shù)據(jù)監(jiān)測的對象主要包括井口油壓、套壓及溫度。井口油壓和套壓傳感器選擇電阻應(yīng)變片傳感器 PTP501，其測量范圍為 0 ～ 150 MPa，輸出信號為 4 ～ 20 mA，供電電壓為 DC 24 V，介質(zhì)溫度為 -20 ～ 150 ℃；溫度傳感器選擇 PT100，測溫范圍為 -200 ～ 650 ℃，輸出信號為4 ～ 20 mA。將采集到的標準電流信號通過模擬信號隔離轉(zhuǎn)換器（型號為IBF12-A4-P3-Oz），可將輸出4～ 20 mA 的標準電流信號轉(zhuǎn)換為 0 ～ 3.3 V 的電壓信號，利用 LPC2103 的內(nèi)置 A/D 轉(zhuǎn)換器完成信號的處理。

2.1.2 嵌入式處理器模塊

微處理器選擇 32 位 ARM7 系列嵌入式微處理器LPC2103[10]。采用 1.8 V 和 3.3 V 雙電源供電方式，其中 1.8 V 的內(nèi)部電壓和 3.3 V 的外設(shè)電壓，芯片每個管腳可承受最大 5 V 電壓，最高工作頻率可達 70 MHz，內(nèi)部集成有 8 路 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為 2.44 μs，其極低的功耗和較快的處理速度滿足天然氣井口數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.1.3 GSM模塊

無線通信 GSM 模塊選擇 Siemeils 公司的 TC35i[11]。其工作電壓為 3.3 ～ 5.5 V，工作頻段為 900 MHz 和1 800 MHz，功耗分別為 2 W 和 1 W。模塊的 AT 命令集接口可支持文本和 PDU 模式的短消息，還具有電話簿、多方通話、漫游檢測等功能。

GMS 模塊硬件設(shè)計包括 TC35i、NE555 以及 SIM的卡槽，具體電路如圖3所示。為使 TC35i 進入工作狀態(tài)，須給啟動引腳（I GT）提供一個 ＞ 100 ms 的低脈沖，電平下降持續(xù)時間不可超過 1 ms。所增加的 NE555作為多諧振蕩器，以提供脈沖電壓。

設(shè)計時，ZIF 連接器和 50 Ω天線連接器，可分別連接 SIM 卡支架和天線。通過 AT 命令可實現(xiàn)雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可選波特率為 0.3 ～ 115 kb/s，自動波特率為1.2 ～ 115 kb/s。

圖3 GSM 模塊電路

2.2 嵌入式程序設(shè)計

設(shè)計時選用 ADS1.2[12]作為軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境，利用C語言進行編程。系統(tǒng)主程序包括信號采集、A/D轉(zhuǎn)換，之后將井口油壓、套壓和溫度值借助 GSM 網(wǎng)絡(luò)進行存儲和發(fā)送。

2.2.1 短消息的格式

GSM 模塊短消息[13]通常提供 TEXT 和 PDU 格式。系統(tǒng)設(shè)計時利用短信息所傳遞的是數(shù)據(jù)信息，所以采用TEXT 模式發(fā)送短信。

2.2.2 信息發(fā)送程序

LPC2103 芯片通過 P0.0 和 P0.1 與 GSM 模塊的TXD 與 RXD 相連接。LPC2103 通過 UART0 口與GSM 模塊進行通信。將指令以串口的方式發(fā)送給 GSM模塊，GSM 模塊針對各指令做出相應(yīng)的響應(yīng)，從而實現(xiàn)所需功能[14]。TC35i 通過AT命令完成與處理器之間的通信。流程如圖4所示。

圖4 短信發(fā)送流程

3 上位機程序設(shè)計

上位機程序設(shè)計主要利用美國 NI 公司開發(fā)的LabVIEW軟件搭建虛擬儀器平臺[15]，實現(xiàn)將監(jiān)控中心接收到的短消息進行顯示與存儲。系統(tǒng)設(shè)計了對 5 個井場，共計 30口氣井在生產(chǎn)過程中井口數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。監(jiān)測界面如圖5所示。

圖5 監(jiān)測界面圖示

在實際生產(chǎn)中，可針對具體情況對程序進行擴展，可增加井數(shù)或被測參數(shù)。在 LabVIEW 軟件程序中，串口設(shè)置的波特率為 9 600 b/s，8 位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1 位停止位。

4 結(jié)束語

提出采用 GSM 短信業(yè)務(wù)與嵌入式技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計嵌入式天然氣井口數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了天然氣井口數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。其中，所使用的 GSM 網(wǎng)絡(luò)短信息業(yè)務(wù)使用方便、成本低廉、傳輸可靠；使用的嵌入式微處理器處理速度快、體積小、功耗低；采用LabVIEW 所構(gòu)建的天然氣井口數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺，界面友好、操作簡單。監(jiān)測系統(tǒng)能夠滿足氣井不易鋪設(shè)線路和數(shù)據(jù)監(jiān)測頻繁的要求，并且在提高生產(chǎn)效率、降低組網(wǎng)成本和降低員工勞動強度方面具有較強的實用價值和研究意義。

[1]周濤．基于嵌入式平臺的采油現(xiàn)場終端監(jiān)控系統(tǒng) [J]．油氣田地面工程，2012，31（11）：78-79．

[2]蔡永昶．基于以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的分布式系統(tǒng)集成設(shè)計 [J]．化工自動化及儀表，2010，37（11）:99-10．

[3]鄭飛，閆蘇斌，張會森.長慶油田井場和增壓站.數(shù)字化監(jiān)控系統(tǒng) [J].石油工程建設(shè)，2013，（5）：39-42.

[4]劉啟越．衛(wèi)星通信和衛(wèi)星傳版 [J]．網(wǎng)絡(luò)與信息，2008，（5）：36.

[5]周企偉．無線電臺電性能自動測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．測控技術(shù)，2007，26（12）：25-27．

[6]周立功，嚴寒．GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸/采集設(shè)備組網(wǎng)應(yīng)用[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2007，（10）：17-18．

[7]Wei-Yeh Chen，Jean-Lien C Wu，Hung-Huan Liu．Performance Analysis of Radio Resource Allocation in GPRS Networks[J]．IEEE Communication Engineering，2002：1 461-1 465．

[8]Khaliq A,Arshad M．GSM-based distribution transformermonitoring system[A]．Proceedings of the 12th IEEE Mediterranean（Vol.3）[C].Zagreb:Institute of Electrical and Electronics Engineers,2004.999-1 002．

[9]疏壯志，杜志敏，劉建儀，等．氣井生產(chǎn)動態(tài)預測方法研究[J]．天然氣工業(yè)，2004，24（8）：78-81．

[10]侯丙安，王振松，劉曉云．基于LPC2103的RS485總線通信機的設(shè)計及應(yīng)用[J]．自動化與儀表，2009，（11）：22-25．

[11]蘇維嘉，張其陽．基于TC35I的GSM無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]．電子技術(shù)應(yīng)用，2009，（12）：88-90．

[12]劉銳，王林．基于ARM數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]．中國測試，2010，36（4）：89-92．

[13]張?。?基于SMS短消息傳輸?shù)倪h端控制技術(shù)及其實現(xiàn)[J]．儀器儀表學報，2003，24（4）：610-611．

[14]L Boquete，I Bravo．Telemetry and control system with GSM communications[J]．Micro Processors and Micro systems，2003，27（1）：l-8．

[15]李大鵬，茹予波，韓豐收，等．基于LabVIEW的變電站二次回路在線監(jiān)測系統(tǒng)[J]．儀表技術(shù)與傳感器，2012，（4）：20-22．

國家工程中心海洋立管試驗平臺調(diào)試完成

2014年1月6日，由寶石機械公司主持研發(fā)的“海洋立管共振彎曲疲勞試驗裝置”完成隔水管全尺寸疲勞試驗。這表明國家工程中心首個試驗平臺調(diào)試完成，同時這也是國內(nèi)首臺大直徑鋼管全尺寸高速疲勞試驗設(shè)備。按照計劃，國家工程中心將建成三個試驗平臺，海洋立管共振彎曲疲勞試驗裝置是建成的首個試驗平臺，主要用于深水鉆井立管和采油立管的全尺寸彎曲疲勞試驗。

（本刊摘錄）

Design of Embedded Remote-monitoring System for Data of Natural Gas Wellhead

Gao Mingxing,Huang Yuzhi,Hu Yaoqiang
Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.,Ltd.，Xi’an 710075，China

The embedded remote monitoring system for data of natural gas wellhead is designed taking the embedded microprocessor ARM7 as hardware core,using GSM network as the transmission platform,utilizing SMS service for the wireless data transferring.The host computer uses the software LabVIEW to construct virtual instruments platform for remote monitoring the data of natural gas wellhead.The results show that the remote monitoring system for data of natural gas wellhead has good stability,strong real-time capability and high reliability,which improves production efficiency and saves the cost of network and reduces the labor intensity of workers.

gas wellhead;remote-monitoring;microprocessor;GSM;wireless communication;virtual instrument

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.006

高明星（1986-），女，陜西延安人，助理工程師，2012年畢業(yè)于陜西科技大學，碩士，主要從事油氣田地面控制工程技術(shù)工作。

2013-05-15