李鳳民，潘居臣，宋 松，趙 沖，梁華慶

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心，河北 任丘062552；2.中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開發(fā)

李鳳民1，潘居臣1，宋 松1，趙 沖2，梁華慶2

（1.中石油華北油田分公司數(shù)據(jù)中心，河北 任丘062552；2.中國石油大學(xué)（北京）地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249）

研發(fā)的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)軟件，控制油井遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備（RTU），可完成油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程自動采集、傳輸、存儲、顯示與查詢等功能。系統(tǒng)軟件基于易語言可視化開發(fā)環(huán)境，采用可移植性好、使用方便、功能強(qiáng)的Oracle9I作為數(shù)據(jù)的存儲管理數(shù)據(jù)庫，充分利用API，COM、DLL、OCX等組件進(jìn)行UI界面和主要功能的開發(fā)。文中詳細(xì)介紹了軟件的主要關(guān)鍵功能模塊及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)。該系統(tǒng)部署于油田現(xiàn)場，可實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)的實(shí)時(shí)高效監(jiān)管，生產(chǎn)問題的全面、快捷診斷，保障油井生產(chǎn)安全運(yùn)行。

油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)；采集與管理軟件；Oracle數(shù)據(jù)庫；易語言

華北油田二連分公司地處內(nèi)蒙草原高寒地區(qū)，東西長430公里，南北寬210公里，其油井地處偏遠(yuǎn)，分布范圍廣。如果油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)全靠人工采集，不僅工人勞動強(qiáng)度大，需要耗費(fèi)大量的人力和物力；而且采集的數(shù)據(jù)為非連續(xù)性數(shù)據(jù)，對油井出現(xiàn)的異常情況不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)采取措施而降低了生產(chǎn)效率，增加了采油成本。為此，在油井井場部署RTU終端和各類傳感器，研發(fā)油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)油井生產(chǎn)參數(shù)的自動采集和遠(yuǎn)程控制，生產(chǎn)參數(shù)的超限報(bào)警，操作人員可以在中心控制室對油井的生產(chǎn)進(jìn)行7× 24小時(shí)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控管理，將傳統(tǒng)的人工巡檢方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苎矙z、組織運(yùn)維。

1　系統(tǒng)整體框架

系統(tǒng)由位于井場的各類傳感器 （油井功圖、電參量、壓力、溫度等傳感器）、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集設(shè)備（RTU）、McWill無線傳輸模塊和基站，以及位于中控室的上位機(jī)組成。所研發(fā)的軟件部署于中控室的上位機(jī)上，控制和管理RTU設(shè)備，完成油井功圖、電參、壓力、溫度等參數(shù)的采集和管理，并監(jiān)控油井運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

2　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

2.1功能需求分析

系統(tǒng)軟件，一方面要有控制和管理RTU的功能，另一方面要有良好的數(shù)據(jù)管理功能，具體應(yīng)滿足以下需求：

1）可視化管理RTU設(shè)備信息的功能；

2）良好地輪詢訪問RTU的功能；

3）實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)的功能；

4）實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)的功能；

5）查詢處理歷史數(shù)據(jù)的功能。

2.2功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)以下模塊：

1）RTU設(shè)備管理模塊

現(xiàn)場RTU設(shè)備安裝完畢后，所有設(shè)備初始的IP、端口、網(wǎng)關(guān)等參數(shù)均是相同的，因此需要對有設(shè)備的上述參數(shù)進(jìn)行配置。由于設(shè)備數(shù)量眾多，如果采用人工對每一臺設(shè)備逐一現(xiàn)場配置，不僅工人的勞動強(qiáng)度大，也不利于設(shè)備的隨時(shí)增減管理。因此需要開發(fā)RTU設(shè)備管理模塊，完成局域網(wǎng)內(nèi)所有在線RTU設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程配置。

2）輪詢控制管理模塊

該模塊可手動配置多個采集命令，進(jìn)行多設(shè)備多命令的輪詢采集控制。

3）數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊對Oracle數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行動態(tài)添加、歷史數(shù)據(jù)的查詢。

4）輸出模塊

該模塊包括采集參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)和圖像的導(dǎo)出以及打印。

系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

3　軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

3.1開發(fā)環(huán)境

使用Windows XPSP3、易語言V5.3、Oracle9I版本作為數(shù)據(jù)庫，使用ModScan32作為采集校驗(yàn)對比工具。

3.2關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1）在線RTU設(shè)備偵測

所有RTU通過以太網(wǎng)與上位機(jī)連接，通信協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus TCP協(xié)議。

該模塊主要實(shí)現(xiàn)對局域網(wǎng)內(nèi)所有在線RTU的設(shè)備參數(shù)自動錄入功能。上位機(jī)通過UDP廣播通信協(xié)議向局域網(wǎng)廣播地址發(fā)送特定協(xié)議數(shù)據(jù)幀廣播包。RTU通過特定端口收到合法的廣播包后進(jìn)行數(shù)據(jù)包校驗(yàn)、響應(yīng)應(yīng)答。

上位機(jī)收到RTU的響應(yīng)報(bào)文后，按照協(xié)商好的偵測協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)包的解析、校驗(yàn)，完成在線設(shè)備的參數(shù)顯示、錄入功能。若CRC校驗(yàn)錯誤，則不顯示當(dāng)前設(shè)備參數(shù)。由于初始配置的RTU設(shè)備可能其IP地址、端口等參數(shù)均是相同的，但其設(shè)備的具體序列號卻不同。因此上位機(jī)進(jìn)行顯示時(shí)，按照返回的數(shù)據(jù)包中的設(shè)備序列號不同進(jìn)行相應(yīng)錄入操作，相同的則不予顯示。

在線設(shè)備偵測流程圖如圖3所示。

圖3　在線設(shè)備偵測流程圖

2）遠(yuǎn)程RTU配置

軟件經(jīng)TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連入單個設(shè)備，可以對單井RTU進(jìn)行具體參數(shù)配置和單井的數(shù)據(jù)采集。通過協(xié)商好的PC與RTU CFG配置協(xié)議，完成對單井的MAC地址、IP地址、子網(wǎng)掩碼、默認(rèn)網(wǎng)關(guān)以及端口號進(jìn)行讀參數(shù)和寫參數(shù)操作。

讀參數(shù)操作時(shí)，上位機(jī)通過TCP方式向當(dāng)前連入的設(shè)備IP地址和特定端口發(fā)送命令報(bào)文，采集設(shè)備收到后進(jìn)行解析校驗(yàn)，成功則進(jìn)行數(shù)據(jù)響應(yīng)。若校驗(yàn)失敗，則返回協(xié)議幀頭，上位機(jī)顯示讀取失敗信息。同樣，在上位機(jī)對RTU設(shè)備進(jìn)行寫參數(shù)操作時(shí)，響應(yīng)模式同上。然后逐一對在線設(shè)備完成IP等參數(shù)配置。

連入該設(shè)備時(shí)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制RTU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、上傳。實(shí)現(xiàn)單井?dāng)?shù)據(jù)的采集、查看功能。

上位機(jī)與采集設(shè)備RTU CFG配置由通信數(shù)據(jù)幀頭和數(shù)據(jù)參數(shù)組成。其中，數(shù)據(jù)幀頭格式如表1示，CFG配置協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如表2示。

表1　CFG配置數(shù)據(jù)幀頭

3）輪詢數(shù)據(jù)采集

可以通過采集管理進(jìn)入對多設(shè)備的多命令輪詢數(shù)據(jù)采集。按照Modbus TCP協(xié)議，通過對Address、Device ID、Length以及Modbus pt參數(shù)配置，基于Modbus命令報(bào)文的編譯，再通過上位機(jī)多線程技術(shù)發(fā)送給采集設(shè)備，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對同一個設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的多個不同的命令配置，即遠(yuǎn)程控制RTU設(shè)備執(zhí)行多個不同的采集命令。設(shè)定好輪詢的采集時(shí)間間隔，便可以進(jìn)行自動數(shù)據(jù)采集。

表2　CFG配置協(xié)議數(shù)據(jù)參數(shù)

輪詢采集流程圖如圖4所示。

圖4　輪詢采集控制流程圖

4）遠(yuǎn)程Oracle數(shù)據(jù)庫的存儲、讀取

采集到的數(shù)據(jù)，按照Modbus協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，經(jīng)過特定算法處理，將模擬量轉(zhuǎn)換為實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并操作Oracle存儲過程將數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫、更新。

Oracle數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程登陸子程序核心代碼如下：

①主機(jī)名=編輯框_主機(jī)名.內(nèi)容

②數(shù)據(jù)庫名=編輯框_數(shù)據(jù)庫名.內(nèi)容

③用戶名 =編輯框_登錄用戶.內(nèi)容

④用戶密碼=編輯框_登錄密碼.內(nèi)容

⑤標(biāo)簽_信息顯示.標(biāo)題=“正在連接數(shù)據(jù)庫，請稍候......”

⑥標(biāo)簽_信息顯示.刷新顯示 （）

⑦是否連接成功 =數(shù)據(jù)庫_連接.打開（“DRIVER=｛Oracle in instantclient10_2｝；DBQ=//”+主機(jī)名+“/”+數(shù)據(jù)庫名+“；UID=”+用戶名 +“；PWD=”+用戶密碼 +“；”，，，）

⑧如果真 （是否連接成功=假）

標(biāo)簽_信息顯示.標(biāo)題=“數(shù)據(jù)庫連接失?。　?#換行符 +數(shù)據(jù)庫_連接.最后錯誤

返回 （）

如果真結(jié)束

⑨_啟動窗口.標(biāo)題 =“數(shù)據(jù)庫連接成功！”

執(zhí)行代碼⑦需要在本地計(jì)算機(jī)上安裝oracle客戶端，以便遠(yuǎn)程訪問oracle服務(wù)端。

4　主要界面及運(yùn)行效果

所研發(fā)的軟件經(jīng)過測試，數(shù)據(jù)采集解析正常，并能夠正確進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和存儲，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能。下面簡要介紹其主要界面及運(yùn)行效果。

1）在線設(shè)備偵測界面

如圖5所示，程序啟動后，通過進(jìn)入在線設(shè)備偵測界面，可通過掃描或刷新按鈕來對局域網(wǎng)內(nèi)的在線RTU設(shè)備在線偵測。該模塊通過UDP方式，向局域網(wǎng)內(nèi)的廣播地址發(fā)送偵測命令包，采集設(shè)備通過設(shè)定端口監(jiān)聽到廣播數(shù)據(jù)包進(jìn)而響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。

2）輪詢管理界面

如圖6所示，通過更新按鈕將需要輪詢的設(shè)備IP加入到輪詢設(shè)備IP列表中，也可以自定義設(shè)備IP，或刪除。按照Modbus協(xié)議，采用類似ModScan32工具的參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行采集命令的編譯后，設(shè)定好輪詢采集間隔時(shí)間后，便開始進(jìn)行輪詢采集。采集到的數(shù)據(jù)一方面動態(tài)顯示，同時(shí)進(jìn)行Oracle數(shù)據(jù)庫存儲。

圖5　在線設(shè)備偵測界面

圖6　輪詢管理界面

5　結(jié)束語

油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)是以提高油田管理水平、油井產(chǎn)量、系統(tǒng)效率為目的，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、控制執(zhí)行于一體的硬軟件綜合平臺。所研發(fā)的系統(tǒng)軟件經(jīng)過測試，運(yùn)行良好、性能穩(wěn)定。人機(jī)界面友好，操作簡單實(shí)用，現(xiàn)有功能可以滿足油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與管理的需求。

［1］華镕.從Modbus到透明就緒:施耐德電氣工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議、設(shè)計(jì)、安裝和應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］李代平.Oracle 9i應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［3］孟祥劍，黎向陽.基于MODBUS協(xié)議的人機(jī)界面和單片機(jī)串行通信［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2014（9）：88-91.

［4］尹嘉鵬.無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連：大連理工大學(xué)，2013.

［5］董小雷，劉志芳.易語言中模塊的使用研究［J］.唐山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2007（5）：95-96.

［6］Sun Y H.Research on embedded protocol modbus/TCPIP conversionmodule［J］.JournalofWomen sHealth，2008:82-95.

［7］QIU Long-jin，GAO Guang-qiang.A remote hot standby systemof oracle［C］.Proceedings of 2012International Conference on Image，Vision and Computing（ICIVC 2012），2012.

Design and development of data acquisition and management system for oilwell production

LIFeng-min1，PAN Ju-chen1，SONG Song1，ZHAO Chong2，LIANG Hua-qing2
（1.Data Center of North China Oil Field，Renqiu 062552，China；2.College of Geophysics and Information Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

The designed data acquisition and management system software for oil well production，controls remote terminal units（RTUs）and can automatic acquire，transmit，store and display production parametersofoilwells in real-time.Based on the E-Language visual development environment and Oracle9I database，the system softwaremakes full use of API，COM，DLL，OCX and other components to develop the UIinterface andmain functions.The key functionmodulesof the software and their realization technology are introduced in detail.The system isdeployed in the oil field，which can realize the real-timeand efficientsupervision ofoilwellproduction，make a comprehensive and quick diagnosisofproduction problems，and ensure the safe operation ofoilwells.

oilwell production data；acquisition andmanagement software；Oracle database；E-Language

TN919

A

1674-6236（2016）19-0018-04

2015-10-15稿件編號：201510090

國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田的應(yīng)用示范項(xiàng)目（CNGI-12-03-043）

李鳳民（1964—），男，河北館陶人，高級工程師。研究方向：油田自動化。