基于嵌入式的天然气井口数据远程监测系统设计.pdf

_工程设计 石油工 程 建设 基于嵌入式的天然气井口数据远程监测系统设计 高明星，黄玉志，胡耀强 陕西延长石油 集团 有限责任公司研究院， 陕西西安 7 1 0 0 7 5 doj 1 0 3 96 9 ／ l l s s n 1 00 1 2 20 6 20 1 4 0 1 ． 00 6 摘要 设计的嵌入式天然气井口数据远程监测系统以嵌入式微处理器 ARM7为核心硬件 ，以 GS M 网络作为传输平台，利用 短信业务方式完成数据的无线传输。上位机使用 L a b V I E W 软件搭建虚拟仪器平台，实现天然气井口数据的远程监测。结 果表明所设计的气井远程监测系统稳定性好 、实时性强、可靠性高 ，在提高生产效率的同时节省了组网成本，降低了 员工劳动强度。 关键词 天然气井口；远程监测i微处理器；GS M；无线通信；虚拟仪器 De s i gn o f Emb ed d ed Remo t e‘ mo nit o r i n g Sy s t e m f or Da t a o f Na t ur al Ga s W el l h e a d Ga o Mi n g x i n g， Hu a n g Yu z h i ， Hu Ya o q i a n g Re s e a r c h I n s t i t u t e o f S h a a n x i Ya n c h a n g P e t r o l e u m Gr o u pCo ． ， L t d ． ，Xi ’ a n 7 1 0 0 7 5，Ch i n a Ab s t r ac t Th e e mb e d d e d r e mo t e mon it o r i n g s y s t e m f or d a t a o f n a t u r a l g a s we l l h ea d is d es i gn e d t a k i n g t h e e mb e d d e d mi c r 0 pr O c e s s 0 r ARM7 a s h a r d war e c o r e ，u s i n g GSM n e t wor k a s t h e t r a n s mi s s i o n p l a t f o r m， u t i l i z i n g SMS s er v i c e f o r t h e wi r e l e s s d a t a t r an s f e r r i n g． Th e h o s t c o mp u t e r u s e s t h e s o f t war e L a b Vl EW t o c o n s t r u c t v i r t u a I i n s t r umen t s p l a t f o r m f 0 r r e mo t e mon it o r i n g t h e d a t a o f n a t u r a I g a s wel l h e a d．Th e r e s u lt s s h o w t h a t t h e r emo t e mo n it o r i n g s y s t e m f or d a t a o f n a t u r a I ga s wel l h e a d h a s g o o d s t a bil i t y ． s t r on g r e a l t i me c ap ab i l it y an d h i g h r el iab i l it y， whic h i mp r o v e s p r o d u c t ion e ff i c i e n c y an d s a v e s t h e c o s t o f n e t wo r k a n d r e d u c e s l h e l a b o r i n t e n s it y o f wo r k e r s ． Ke y wor d s g a s we l l h ea d ； r e mo t e mo n it o r i n g； mi c r op r o c e s s o r ； GSM； wi r e l e s s c ommu n i c a t ion ； v i r t u a l i n s t r u men t 嵌入式技术及网络通讯技术的迅速发展，极大地推动 了气田的自动化管理水平l 1 l 。在以往的工业领域大多采用 以单片机或 P L C为核, D , la 9 数据处理系统 ，利用有线以太 网方式完成数据通信[ _ 3 ] 。虽然经济实用，但是应用场合 有很大程度的限制 。由于各气井分布位置广、距离远 ， 促使以无线通讯方式实现对气井数据的监测成为一种必 然趋势 。 目前 ，常用的无线远程数据通信方式主要有 1 卫星通信。卫星在空中起中继站的作用 ，将地球 站发来的电磁波放大后再返送回另一地球站 。由于两个 地球站之间的电磁波传输距离较远 ，使信号在传输时存 在延迟，而且易受雨雪等外界环境气候的影响[ 。 2 无线电台。采用调频调制或调幅调制的办法 ， 将图像搭载到高频载波上 ，转换为高频电磁波在空中传 输 ，但其频段范围受限 ，传输环境易受电磁或外界环境 干扰[ 5 ] 0 3 CDM GP RS。CDMA 码分多址 ，是以扩 频通讯技术为基础[ 。 GPRS 通用分组无线业务 ， 通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行改造 来实现分组交换[7 ] 。两种通信方式都较为优越，但在偏远 高明星等 基于嵌入式的天然气井口数据远程监测系统设计 地区的覆盖范围较小 ，受适用场合限制。 4 GSM。GSM 是基于时分多址的全球移动通信 技术 ，通过 GS M 通信模块收发有限长度的文本信息， 实现数据的远程通信 。利用了现有的移动通信网络进行 传输 ，无需重组网络，节省了成本[ 8 ] 。 因此，针对气田分布广、距离远 ，数据监测需准确可 靠 ，实时性高等要求，设计了嵌入式井口监测系统 ，实 现气井生产数据的监测 。系统主要以嵌入式微处理器为 核心 ，利用 GS M 网络 ，借助于短信方式传输至上位机， 通过 L a b VI E W 搭建上位机虚拟仪器平台 ，实现气井生 产数据的远程监测 。同时，将采集到的信息发送至工作 人员使用的移动电话 ，以确保数据取全 、取准 。 井口生产数据是气井生产状况的重要反映，通过对井 口数据的采集、监测与存储可对气井状况的分析提供重 要参考依据l g l 。某集气站的气井远程监测系统设计方案如 气l拌I 气l井 2 气井“ 图 1某集气站气井远程监 测系统设计 方案 系统主要由传感器、气井监控终端、GS M 网络、集 气站监控中心和工作人员所用的通信设备组成。传感器 主要完成井口油压、套压、温度的监测 ；监控终端由嵌 入式微处理器、供电电路及 GSM 数据传输模块组成 ； 监控中心位于集气站，将接收到数据进行保存与监测 。系 统将采集到的井 口数据信息分别发送至监控中心 ，以及 该集气站工作人员所使用的移动电话。 2 ． 1监控终端硬件设计 井口数据监测终端是以 NXP公司的 ARM7为核心 处理器 ，由通信模块 T C3 5 i 、电平转化芯片 CH 3 4 0及外 围电路组成 。 工程设计l 系统设计时 ，采用模块化的设计思路，将传感器采集 到的信号经过 MCU处理后 ，再由 GS M 以短信的形式进 行无线传输 。信号分别发送至工作人员以及监控中, ba g 接收设备 。监控中心的上位机利用 L a b VI E W 搭建虚拟仪 器平台，以串口的方式完成数据的显示与存储 。系统结 构如图2所示 。 垦 堡 璧 至 } 二 LPC21 O 3 内置A／ D转换器 图 2 系统结构示意 发送短信 将天然气井口油压、套压及温度数据以短 信的形式发送至监控中心及工作人员。 显示数据对气井油压 、套压、温度数据通过监控中 心上位机所搭建的虚拟仪器平台进行实时监测与显示。 储存数据 将井口油压、套压、温度数据进行存储， 便于对气井的生产状态进行分析。 2 1 ． 1信号采集模块 气井数据监测的对象主要包『} 舌 井口油压、套压及温度。 井口油压和套压传感器选择电阻应变片传感器 P T P 5 0 1 ， 其测量范围为 0～1 5 0 MP a，输出信号为 4～2 0 mA，供 电电压为 D C2 4V，介质温度为 - 2 0～1 5 0℃；温度传感 器选择 P T 1 0 0，测温范围为 一 2 0 0～6 5 0℃，输出信号为 4～2 0 mA。将采集到的标准电流信号通过模拟信号隔离 转换器 型号为 I B F 1 2 一 A4一 P3 一 OZ，可将输 出 4 ～ 2 0mA的标准电流信号转换为0～3 _ 3 V的电压信号，利 用 L P C2 1 0 3的内置 A ／ D转换器完成信号的处理 。 2 ． 1 l 2嵌入式处理器模块 微处理器选择 3 2位 ARM7系列嵌入式微处理器 L P C2 1 0 3 I ％。采用 1 ． 8 V和 3 ． 3 V双电源供电方式 ，其 中 1 ． 8 V的内部电压和 3 ． 3 V的外设电压 ，芯片每个管脚 可承受最大 5 V电压 ，最高工作频率可达 7 0 MH z ，内 部集成有 8路 1 0位 D转换器，转换时间为 2 ．4 4 u S ，其 极低的功耗和较快的处理速度满足天然气井口数据远程 监测系统的设计要求。 第4 0 卷第1 期 2 3■_