油田注水站微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)?

【摘　要】　給出了一種能實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程測(cè)控油田注水設(shè)備的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工控PC作上位機(jī)，以多個(gè)AT89C52單片機(jī)為下位機(jī)，上、下位機(jī)通過(guò)RS－485連接構(gòu)成總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞：注水系統(tǒng)，RS┐485，AT89C52，自動(dòng)測(cè)控
　　
　　目前，我國(guó)油田工業(yè)自動(dòng)化程度較低，油田生產(chǎn)中的重要部門(mén)注水站一直由工作人員日夜在戶(hù)外監(jiān)視其狀態(tài)，注水泵機(jī)組在工作時(shí)，處于高電壓、高電流、高液壓的狀態(tài)，一旦有異常極易釀成重大事故，如泵機(jī)開(kāi)裂、爆炸、盤(pán)根刺水、電機(jī)和泵軸承以及軸瓦過(guò)熱燒損、泵體振動(dòng)過(guò)大等，甚者導(dǎo)致人員傷亡；另外，由于輸送管線(xiàn)距離長(zhǎng)，偷水、偷油的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，研制注水站微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)對(duì)于油田提高工作效率、減少經(jīng)濟(jì)損失、保障安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。
1　注水站工作、安全防范要求
??? 某油田注水站井、泵布局圖及編號(hào)，如圖1所示。
　　其中，栓塞泵是注水站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是給地下高壓注水，以保持足夠的地下油壓，本站有7個(gè)泵。注水泵與單井、匯管聯(lián)合工作構(gòu)成油田注水站注水系統(tǒng)。要求系統(tǒng)能夠?qū)σ韵略O(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制：
??? （1）高壓栓塞泵機(jī)組
　　·栓塞泵出口壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上限報(bào)警并可以自動(dòng)停泵；
　　·電機(jī)溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上限報(bào)警，可以自動(dòng)停泵；
　　·電機(jī)三相電流實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警，可以自動(dòng)停泵；
??? ·電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警；
　　·曲軸箱溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警并可以自動(dòng)停泵；
??? ·盤(pán)根刺水實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警；
??? ·振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及報(bào)警并可以自動(dòng)停泵。
??? （2）單井、停注井
??? ·壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警；
??? ·停注井瞬時(shí)流量監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警；
??? ·累積流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；
??? ·盜水報(bào)警。
　?。?）常、高壓匯管壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及上、下限報(bào)警。 2　系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
　　在工控設(shè)計(jì)中，以單片機(jī)為主體構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，其附加電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，并且多種微處理芯片中都集成了串行通信接口，使用這些串行通信接口和RS－485接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以構(gòu)成總線(xiàn)型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單，靈活性好，價(jià)格低，易于控制，傳輸距離可以達(dá)到1200米以上等優(yōu)點(diǎn)?！　?br>　　本系統(tǒng)就是以總線(xiàn)傳輸形式，外掛測(cè)量終端（最多可達(dá)32臺(tái)），由上位機(jī)統(tǒng)一管理的多結(jié)構(gòu)雙向式測(cè)控系統(tǒng)，每個(gè)栓塞泵各配備一套數(shù)據(jù)測(cè)控終端和一套智能流量積算儀，每個(gè)單井配備有一套流量積算儀、全部單井配備兩套壓力數(shù)據(jù)采集終端，前端均為各參量的測(cè)量變送器。值班室配有一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，并利用原來(lái)的交直流控制結(jié)構(gòu)組成完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與控制系統(tǒng)。
2．1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃終端為數(shù)據(jù)測(cè)控終端，除15＃、16＃用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)匯管及8口單井的壓力外，其余都用于測(cè)量注水泵的參數(shù)。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃終端為智能流量計(jì)，前7個(gè)用于測(cè)量7個(gè)泵的瞬時(shí)、累積流量，后8個(gè)用于測(cè)量8口井的流量。
2．2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為以下幾部分：
??? （1）現(xiàn)場(chǎng)的傳感器與變送器部分
　　設(shè)備所需的測(cè)控值與傳感器、變送器的對(duì)照表見(jiàn)表1。
??? （2）現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)測(cè)量終端與流量積算儀
　　·現(xiàn)場(chǎng)的每臺(tái)栓塞泵除流量變送器信號(hào)進(jìn)流量積算儀外，其他的變送器信號(hào)均進(jìn)數(shù)據(jù)測(cè)量終端，即每臺(tái)栓塞泵有一個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量終端與一個(gè)智能流量積算儀。
　　·現(xiàn)場(chǎng)的所有單井的壓力與高壓匯管、常壓匯管的壓力共用兩個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)量終端。
??? ·現(xiàn)場(chǎng)的每口單井各有一個(gè)智能流量積算儀，
智能流量積算儀具有獨(dú)立的總線(xiàn)接口，它可以直接上傳測(cè)量的瞬時(shí)流量值與累積流量值給電腦工作站。
??? （3）交直流控制部分
　　交直流控制部分利用原有的控制元件對(duì)栓塞泵進(jìn)行停泵控制。
??? （4）電腦工作站（位于值班室）
　　接收數(shù)據(jù)測(cè)量終端與智能流量積算儀上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計(jì)算、分析，可以顯示測(cè)量值、報(bào)警值及設(shè)定報(bào)警限值，須能夠根據(jù)用戶(hù)的要求及時(shí)控制停機(jī)并形成數(shù)據(jù)報(bào)表供打印輸出。
3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分為以下三步：
3．1　確定系統(tǒng)上位機(jī)與各測(cè)控設(shè)備的通信協(xié)議和　　幀結(jié)構(gòu)3．1．1　主機(jī)發(fā)
??? （1）給終端機(jī)的寫(xiě)操作（發(fā)控制命令）　　FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校驗(yàn)和求反　　
　?。▽?xiě)）主機(jī)地址從機(jī)地址
??? （2）給終端機(jī)的讀操作（要數(shù)據(jù)）
　　FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校驗(yàn)和求反　　
　?。ㄗx）主機(jī)地址從機(jī)地址
??? （3）給流量表的讀操作（要數(shù)據(jù)）
　　FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校驗(yàn)和求反　　
　?。ㄗx）主機(jī)地址從機(jī)地址3．1．2　從機(jī)響應(yīng)
　?。?）給主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)（即接到“83H”（讀）回答）表1 　　FRAME－HEADER2，83H，XXH，01H，XXH，F(xiàn)RAME－DATA，校驗(yàn)和求反　　
　　從機(jī)地址主機(jī)地址數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)要上傳的第一組回傳數(shù)據(jù)
FRAME－DATA結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。
　?。?）接主機(jī)的控制命令（即接到“81H”（寫(xiě)）控制命令碼）
　　FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校驗(yàn)和求反　　
　　從機(jī)地址主機(jī)地址3．1．3　幾點(diǎn)說(shuō)明
　　以上地址與數(shù)據(jù)為BCD碼，高位在前、低位在后；
　　校驗(yàn)和求反為從FDH（包含F(xiàn)DH）到校驗(yàn)和之前的各字節(jié)代數(shù)和再求反；
　　通訊速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位數(shù)據(jù)位，無(wú)校驗(yàn)。
3．2　硬件設(shè)計(jì)
3．2．1　數(shù)據(jù)測(cè)控終端機(jī)原理
??? 數(shù)據(jù)測(cè)控終端機(jī)原理圖如圖3所示。
　　此數(shù)據(jù)測(cè)量終端是以單片機(jī)為核心，輔以高精度A／D轉(zhuǎn)換器制造而成的高精度、高可靠性、功能齊全的智能化數(shù)據(jù)采集終端。該機(jī)設(shè)有程序隨機(jī)存儲(chǔ)器（EEPROM）及程序看門(mén)狗電路，保證了數(shù)據(jù)存貯與傳輸?shù)目煽啃?。該機(jī)可巡檢8～32路的模擬量，8路的開(kāi)關(guān)量，同時(shí)又具有4路的控制量輸出；設(shè)有RS485總線(xiàn)接口，方便了數(shù)據(jù)的傳輸，可以隨時(shí)接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令。測(cè)量終端可以顯示每路的測(cè)量值，平時(shí)測(cè)量終端輪流顯示8路模擬測(cè)量值與3位開(kāi)關(guān)量測(cè)量值。本機(jī)地址通過(guò)鍵盤(pán)設(shè)置。
??? 數(shù)據(jù)測(cè)控終端程序框圖如圖4所示。 3．2．2　智能流量積算儀原理
??? 智能流量積算儀原理圖如圖5所示?！? 　　智能流量積算儀是以高性能、低功耗的COMS單片機(jī)和寬溫度范圍的液晶顯示器為核心，以＋24V電源或電池供電的高技術(shù)、高精度的智能流量積算儀，可根據(jù)不同口徑設(shè)置系數(shù)K，以便提高計(jì)算和顯示的精度；可直接接收頻率信號(hào)，也可通過(guò)加附件接收模擬信號(hào)；可根據(jù)用戶(hù)需要設(shè)置參數(shù)；具有四種輸出方式（即頻率量輸出、脈沖報(bào)警、模擬量輸出和485接口）；具有小數(shù)點(diǎn)移位功能，從而實(shí)現(xiàn)了與任何口徑的流量計(jì)的配套使用；反應(yīng)靈敏、計(jì)算精確、操作簡(jiǎn)便、工作可靠、維修量少。該智能流量積算儀防爆標(biāo)志為dⅡBT4，可以在具有爆炸危險(xiǎn)的場(chǎng)所使用。
??? 流量積算器計(jì)算公式：
??? 累積流量：Q累＝N／（1000×K）；單位m3
??? 瞬時(shí)流量：Q瞬＝3．6×f／K；單位m3／h
??? 其中：
??? f—脈沖頻率（Hz）；
??? K—儀表常數(shù)（脈沖／升）；N—脈沖數(shù)。
　　數(shù)據(jù)測(cè)控終端程序框圖如圖6所示。
3．3　上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
　　為了值班工人能從軟件畫(huà)面中迅速直觀(guān)地獲得各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并控制設(shè)備，軟件主要采用現(xiàn)場(chǎng)平面圖與獨(dú)立設(shè)備流程圖結(jié)合的GUI（圖形用戶(hù)界面）來(lái)測(cè)控。現(xiàn)場(chǎng)平面圖畫(huà)面中17個(gè)設(shè)備按鈕分布圖同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分布完全相同，并輔以24個(gè)終端與設(shè)備的連線(xiàn)圖及相應(yīng)的控制，而且動(dòng)畫(huà)顯示了上下通訊的情況，注水泵、單井、匯管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)等信息，點(diǎn)擊設(shè)備按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)設(shè)備的工作流程圖。在單個(gè)設(shè)備畫(huà)面中，動(dòng)畫(huà)地顯示設(shè)備的工作運(yùn)行流程，實(shí)時(shí)顯示此設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，在密碼確認(rèn)后可設(shè)置報(bào)警上下限、停機(jī)門(mén)限等參數(shù)，可查看此設(shè)備的報(bào)警歷史信息。當(dāng)設(shè)備或終端出現(xiàn)異?；驙顟B(tài)改變時(shí)，在相應(yīng)畫(huà)面的相應(yīng)位置上會(huì)出現(xiàn)警告或變動(dòng)。情況緊急時(shí)，軟件會(huì)按照預(yù)先安排的處理方案自動(dòng)處理，準(zhǔn)確及時(shí)地排除險(xiǎn)情。為了使值班人員，尤其是夜班人員能夠注意到異常情況的發(fā)生，報(bào)警模塊通過(guò)屏幕閃爍、不斷發(fā)出報(bào)警聲音、彈出報(bào)警信息等手段提醒情況的發(fā)生。技術(shù)人員可在工具欄選項(xiàng)中獲得更詳細(xì)的通信細(xì)節(jié)資料，從而方便了檢修調(diào)試。
　　在打印模塊中，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)、報(bào)表與操作員間的靈活接口，解決了普通計(jì)算機(jī)報(bào)表形式單一的問(wèn)題，并能方便地通過(guò)選擇時(shí)間、設(shè)備等關(guān)鍵信息查看或打印相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。
??? 軟件流程圖如圖7所示。
　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了油田注水站的自動(dòng)化管理，可以在無(wú)人值守的情況下遙控有故障的栓塞泵停止工作，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的異常情況進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警，并可通過(guò)停注井的壓力檢測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)水、油盜竊的現(xiàn)象，確保了注水系統(tǒng)的安全性、可靠性，從而全面實(shí)現(xiàn)了所需的各項(xiàng)指標(biāo)和技術(shù)要求。此外，本系統(tǒng)還具有許多優(yōu)點(diǎn)。首先，系統(tǒng)終端機(jī)具有數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸及控制的功能，設(shè)有EEPROM掉電保護(hù)及程序看門(mén)狗電路，保證參數(shù)設(shè)置不會(huì)丟失。其數(shù)據(jù)測(cè)控終端是一種多功能、可廣泛使用在各種工業(yè)自動(dòng)化控制場(chǎng)所的設(shè)備。其次，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用隔離技術(shù)的RS485接口，可靠性高，誤碼率低于10－6的用戶(hù)界面，簡(jiǎn)單直觀(guān)；在值班室可隨時(shí)調(diào)看需要的各種設(shè)備工作參數(shù)；可設(shè)置各參量的報(bào)警上下限值和停泵極

　

限值，以便根據(jù)用戶(hù)的要求控制停泵；可查看報(bào)警的歷史記錄及設(shè)備工作歷史記錄，并可形成報(bào)表打印。該系統(tǒng)在油田測(cè)控領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，具有良好的推廣潛力。
1　何立民．單片機(jī)應(yīng)用文集．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
2　李　華．MSC－51系列單片機(jī)使用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
3　張振榮，晉明武，王毅平編著．CS51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2000