耿樹朋，王念興，姜淑忠，劉秋軍

（1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.大慶油田力神泵業(yè)有限公司，大慶 163311）

0 引言

石油是一種重要的戰(zhàn)略資源，滲透到經(jīng)濟(jì)、軍事、工業(yè)和交通等各方面，油田采油設(shè)備的正常運(yùn)行對企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有直接影響[1]。在全球數(shù)字化的背景下，油田數(shù)字化已經(jīng)是一個(gè)迫切的要求。而我國油井的地理特點(diǎn)是地處邊遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣、分布范圍廣，人工巡檢效率低且不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)油田采油設(shè)備即抽油機(jī)工況問題，因此抽油機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測成為必然[2]。抽油機(jī)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)是油田數(shù)字化的一個(gè)重要組成部分，它有利于迅速、精準(zhǔn)而全面地了解油井現(xiàn)場情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，節(jié)約能源，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本和人力資源，提高管理信息的效率，促進(jìn)數(shù)字化油田形成成熟的勘探開發(fā)一體化的工作思路、管理體系和技術(shù)體系。

在此背景下，本文提出設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service，GPRS）的抽油機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端模塊、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)三個(gè)部分，可整合分布零散的油田抽油機(jī)信息孤島，實(shí)時(shí)監(jiān)測油田實(shí)況，實(shí)現(xiàn)油田數(shù)字化。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心部分在于數(shù)據(jù)傳輸模塊。一般而言，有線傳輸方式通信效率高、系統(tǒng)穩(wěn)定，但國內(nèi)油田采油區(qū)分布零散，面積過大；如果采用有線傳輸方式將出現(xiàn)初期投入過大、網(wǎng)絡(luò)布置繁瑣、維護(hù)費(fèi)用高昂等問題。

當(dāng)前油田實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)主要采取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸方式有無線數(shù)字電臺、無線網(wǎng)橋和通信衛(wèi)星等。文獻(xiàn)[3]中提出了基于無線數(shù)字電臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，其優(yōu)點(diǎn)是通訊靈活、易于實(shí)現(xiàn)；但在長距離、多高山阻擋情況下，該通訊方式所需中繼站數(shù)目及中轉(zhuǎn)次數(shù)將明顯增加，且易受干擾、誤碼率高導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到限制。當(dāng)前大慶油田在使用基于無線網(wǎng)橋的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，則存在易受天氣變化影響等問題，如下雨會以熱損的方式吸收微波而引起衰減。文獻(xiàn)[4]中提出了基于通信衛(wèi)星的油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)前伊拉克的油田對該通信方式采用較多，較高的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用是其軟肋。

而GPRS作為當(dāng)前的全球移動通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communication，GSM）網(wǎng)絡(luò)向第三代移動通信技術(shù)轉(zhuǎn)換的過渡技術(shù)（2.5G），具有接入快速、時(shí)刻在線、按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸中有不可比擬的優(yōu)勢，并且中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)數(shù)年建設(shè)已日臻成熟，地區(qū)的覆蓋率超過90%，GPRS信號能夠做到無盲區(qū)覆蓋國內(nèi)油田。因此本系統(tǒng)采用先進(jìn)成熟的GPRS-DTU模塊為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊，依托穩(wěn)定、可靠的中國移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，在保證數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)、準(zhǔn)確的前提下，將數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用也降到了最低。與此同時(shí)，該通信鏈路由專業(yè)的運(yùn)營商來維護(hù)，這就避免了用戶在使用監(jiān)控系統(tǒng)的同時(shí)，還需要耗費(fèi)很大精力去維護(hù)通信線路等問題；節(jié)約了用戶的初期建設(shè)投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用[3]。

如圖1所示，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端模塊安裝在控制柜內(nèi)，通過傳感器采集抽油機(jī)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)：電動機(jī)的線電壓、線電流；電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、減速箱皮帶輪轉(zhuǎn)速；懸點(diǎn)載荷、位移；井口井液溫度、壓力、套管壓力等。數(shù)據(jù)通過GPRS模塊上傳至服務(wù)器系統(tǒng)，由服務(wù)器將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中，而用戶可以通過服務(wù)器終端平臺查看數(shù)據(jù)庫中由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端采集來的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測的功能。

圖1 油田抽油機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

該模塊實(shí)現(xiàn)的功能主要是對抽油機(jī)的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。如圖2所示，硬件主體采用常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，經(jīng)傳感器采集的輸入信號將進(jìn)入信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路內(nèi)部依次是量程轉(zhuǎn)換電路、濾波電路和差分電路。經(jīng)調(diào)理的信號最后被送至AD轉(zhuǎn)換器?？紤]到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端對浮點(diǎn)計(jì)算、通訊接口、外接設(shè)備等的性能要求，本終端采用ST公司的STM32F103作為主芯片[4]。主芯片使用內(nèi)部集成的AD模塊將輸入模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，經(jīng)過計(jì)算得出抽油機(jī)需要監(jiān)測的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，同時(shí)在預(yù)定的時(shí)間間隔內(nèi)將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸至GPRS模塊，進(jìn)而上傳至遠(yuǎn)端的服務(wù)器系統(tǒng)。

圖2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端的軟件程序流程如圖3所示，主要包括了數(shù)據(jù)采集、閾值判斷報(bào)警與數(shù)據(jù)傳輸模塊數(shù)據(jù)交換等步驟。

圖3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端軟件程序框圖

在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的過程中，會出現(xiàn)因環(huán)境溫度變化和變頻控制器電磁干擾等原因?qū)е滤鶎?dǎo)致的數(shù)據(jù)精度降低的問題。為了提高系統(tǒng)精度，獲取偏差較小的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)需要采取相應(yīng)的抗干擾措施來消除或降低各種因素對數(shù)據(jù)采集的干擾，本系統(tǒng)確保數(shù)據(jù)精度手段如下。

1)在AD轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)了差分電路，將信號轉(zhuǎn)換為雙端差動輸入，來消除輸入信號中存在的或信號調(diào)理電路可能引入的共模干擾。

2)對于并行采集通道，為每個(gè)通道設(shè)置了獨(dú)立的模擬地，最后僅在一點(diǎn)將模擬地與系統(tǒng)地連接起來。

3)采用獨(dú)立的直流穩(wěn)壓器產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電壓來為各種芯片提供工作電壓，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，DC-DC變換器也起到了一定的隔離和保護(hù)作用。

4)硬件上采用低通濾波器來濾除信號中可能存在的無關(guān)高頻成分，在后續(xù)數(shù)據(jù)處理過程中也采取了相應(yīng)的數(shù)字濾波技術(shù)。

5)選用高性能、高精度、低功耗的芯片，來滿足系統(tǒng)各方面的要求。

通過驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集終端功能，得知長時(shí)間的采集的工作數(shù)據(jù)波形不會出現(xiàn)斷點(diǎn)或突變值，系統(tǒng)對輸入信號的采樣是正確可靠的。測量精度方面，通過對預(yù)警器的零輸入噪聲測試，可知通道中的零噪聲是在平均值附近波動的隨機(jī)噪聲，平均值比較小，不超過4mV；而在頻率測量與峰值測量精度方面，系統(tǒng)頻率測量的絕對誤差小于0.005Hz，相對誤差小于3ppm（百萬分之三），信號的峰值是通過FFT計(jì)算提取的，測試結(jié)果證明，系統(tǒng)的峰值測量的絕對誤差一般在1mV~7mV，相對誤差小于1%，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度要求。

3 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

3.1 模塊主體設(shè)計(jì)

主芯片對輸入信號進(jìn)行處理，通過GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)定期向監(jiān)控中心發(fā)送抽油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)采集終端需要通信接口，本系統(tǒng)采用GPRS遠(yuǎn)程無線傳輸模塊作為通信接口。GPRS模塊主芯片采用SIMCOM公司生產(chǎn)的工業(yè)級GSM、GPRS模塊，帶基站定位功能的SIM900芯片，它支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真業(yè)務(wù)，支持TEXT和PDU格式的短信息發(fā)送與接收，還內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，無需自己編寫協(xié)議，縮短了開發(fā)周期，降低了主控芯片的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端主芯片STM32F103通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊SIM900，如圖2所示。本模塊的軟件程序流程圖如圖4所示，主要包括初始化、檢測網(wǎng)絡(luò)狀況與發(fā)送數(shù)據(jù)等步驟。

圖4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件程序框圖

數(shù)據(jù)采集終端通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送所采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔設(shè)定在30秒，即每過30秒，服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)會通過GPRS通信更新為抽油機(jī)的最新工況數(shù)據(jù)。

為消除GPRS通信中掉線的問題，故需要發(fā)送心跳信號以確定GPRS通信雙方均在線。提到GPRS通信的心跳信號發(fā)送頻率不宜過高，通信忙時(shí)，宜將發(fā)送周期定為30秒；通信閑時(shí)，宜將發(fā)送周期定位3分鐘。因本系統(tǒng)中，GPRS通信更新數(shù)據(jù)的周期本身為30秒，所以不再單獨(dú)進(jìn)行心跳報(bào)文發(fā)送。

當(dāng)服務(wù)器10分鐘沒有收到數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送來的報(bào)文時(shí)，就認(rèn)為該終端已下線，進(jìn)而將該終端及其相應(yīng)抽油機(jī)的信息清楚。此時(shí)，數(shù)據(jù)采集終端會重新開始連接服務(wù)器，從而避免通信鏈路阻塞。當(dāng)服務(wù)器向數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送指令后，如果兩分鐘內(nèi)未收到回應(yīng)，會重新發(fā)送；在重新發(fā)送十次以后仍未收到回應(yīng)的情況下，服務(wù)器也會將該終端及其相應(yīng)抽油機(jī)的信息清除，此時(shí)數(shù)據(jù)采集終端會向服務(wù)器重新發(fā)起通信連接請求。

通過測試驗(yàn)證，可以確定服務(wù)器接收到的數(shù)據(jù)與本模塊發(fā)送的內(nèi)容與數(shù)目一致。本模塊實(shí)現(xiàn)了永遠(yuǎn)在線、透明數(shù)據(jù)高速傳輸功能(理論上GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸速度達(dá)160Kbps)，且無需后臺計(jì)算機(jī)支持，支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、雙向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)傳輸，基本達(dá)到本系統(tǒng)的要求。

3.2 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議

本模塊與遠(yuǎn)程服務(wù)器間的數(shù)據(jù)傳輸通過基于Internet的，對應(yīng)國際通用的網(wǎng)絡(luò)OSI模型?？芍A(yù)警器中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層已由SIM900芯片實(shí)現(xiàn)，故軟件程序上只需要編寫數(shù)據(jù)鏈路層的驅(qū)動和以上幾層內(nèi)容。另外，在芯片端，由于單個(gè)節(jié)點(diǎn)面向控制的信息量不大，信息傳輸?shù)娜蝿?wù)比較簡單，一般將會話層、表示層和應(yīng)用層的編寫合而為一。如前文提及，系統(tǒng)在傳輸層上采用TCP協(xié)議進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)交換，并在TCP協(xié)議的上層一些自定義的通訊協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)[5]。模塊與服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議如圖5所示，為節(jié)省流量，數(shù)據(jù)包中按預(yù)定順序?qū)z測的數(shù)據(jù)結(jié)果組包上傳而不包括參數(shù)號等內(nèi)容。自定義的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中通過起始符校驗(yàn)、剩余字節(jié)數(shù)校驗(yàn)、CRC校驗(yàn)三重檢驗(yàn)來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。該數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間間隔約為30秒，消耗凈流量為6M/月。

圖5 系統(tǒng)內(nèi)部通訊協(xié)議

4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

簡單而言，本模塊實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器將接收到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端上傳的數(shù)據(jù)解碼后直接分門別類存入數(shù)據(jù)庫中的功能。

4.1 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用Microsoft公司發(fā)布的SQL Server 2008 Express創(chuàng)建，服務(wù)器采用C#編程實(shí)現(xiàn)，其主要的軟件程序流程如圖6所示。

4.2 服務(wù)器平臺設(shè)計(jì)

服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫的訪問平臺采用C/S架構(gòu)，平臺人機(jī)界面采用Visual C#語言實(shí)現(xiàn)，主要架構(gòu)如圖7所示。

圖6 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)軟件程序框圖

圖7 服務(wù)器平臺架構(gòu)

平臺實(shí)現(xiàn)的功能有：1）基本功能，包括系統(tǒng)管理(管理系統(tǒng)中公共參數(shù)或配置信息或權(quán)限或密碼)、權(quán)限管理、油田采油設(shè)備信息管理(設(shè)備安裝地點(diǎn)歸屬單位等)。2）實(shí)時(shí)監(jiān)控與統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能主要是對分布在各地的已安裝的抽油機(jī)的現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)（電動機(jī)的線電壓、線電流；電機(jī)軸轉(zhuǎn)速、減速箱皮帶輪轉(zhuǎn)速；懸點(diǎn)載荷、位移；井口井液溫度、壓力、套管壓力等）實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行異常報(bào)警(聲、光、電話和短信報(bào)警)。統(tǒng)計(jì)分析功能是指抽油機(jī)診斷報(bào)告，即根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，對抽油機(jī)運(yùn)行狀況進(jìn)行評估診斷，形成診斷報(bào)告，提出檢修建議等。

圖8 服務(wù)器平臺界面

5 結(jié)束語

本文在油田數(shù)字化大背景下，提出了基于GPRS的抽油機(jī)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了包含遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端、GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫三層架構(gòu)的系統(tǒng)，其中遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集抽油機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)通過GPRS模塊上傳至服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器平臺根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對抽油機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測并評估診斷。系統(tǒng)具有覆蓋全面、全天候、高可靠性、實(shí)時(shí)迅捷、圖形化操作、直觀簡便、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)滿足一般工程應(yīng)用的要求，在GPRS的技術(shù)應(yīng)用與油田數(shù)字化上有一定的參考價(jià)值和推廣價(jià)值。

[1]Agoston A, tsch C, Jakoby B.Viscosity sensors for engine oil condition monitoring—application and interpretation of results[J].Sensors and Actuators A: Physical,2005,121(2):327-332.

[2]Mi J K, Zhang S C,Chen J P, et al.The distribution of the oil derived from Cambrian source rocks in Lunnan area,the Tarim Basin, China[J].Chinese Science Bulletin, 2007,52(1):133-140.

[3]高樹利.基于數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳技術(shù)的吐哈油田系統(tǒng)級聯(lián)通訊改造[J].儀表電氣,2012,31(11):76-77.

[4]張鶴,王萬良.采用衛(wèi)星通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].機(jī)電工程,2009,26(9):9-12.

[5]潘崢嶸,滕尚偉,尹曉霈,鄧科.基于GPRS的油田抽油機(jī)在線監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].化工自動化及儀表,2008,35(1):75-77.

[6]彭雅奕,姚柒零.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)設(shè)計(jì)移動實(shí)時(shí)在線業(yè)務(wù)心跳信號[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化,2011,24(1):42-45.

[7]田夏利,汪繼軍,薛勝軍.嵌入式Internet中UDP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程.2006(2):104-105,138.

[8]蔡樹向,袁海文,張?jiān)驴?田波.基于GPRS的路用試驗(yàn)儀器遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的可靠通信技術(shù)研究[J].測控技術(shù),2014,33(1):38-42.

[9]楊雨沱,梁煒,張曉玲,劉帥.面向工廠自動化無線網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步方法[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展.2014,51(3):511-518.

[10]郭鵬,孫瑋,韓璞.基于手機(jī)短消息(SMS)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2002,10(8):506-507.