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【摘 要】 給出了一種能實時遠程測控油田注水設備的系統。該系統采用工控PC作上位機，以多個AT89C52單片機為下位機，上、下位機通過RS－485連接構成總線型網絡。
??? 關鍵詞：注水系統，RS┐485，AT89C52，自動測控
目前，我國油田工業自動化程度較低，油田生產中的重要部門注水站一直由工作人員日夜在戶外監視其狀態，注水泵機組在工作時，處于高電壓、高電流、高液壓的狀態，一旦有異常極易釀成重大事故，如泵機開裂、爆炸、盤根刺水、電機和泵軸承以及軸瓦過熱燒損、泵體振動過大等，甚者導致人員傷亡；另外，由于輸送管線距離長，偷水、偷油的現象時有發生。因此，研制注水站微機測控系統對于油田提高工作效率、減少經濟損失、保障安全生產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，如圖1所示。
其中，栓塞泵是注水站的關鍵設備，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個泵。注水泵與單井、匯管聯合工作構成油田注水站注水系統。要求系統能夠對以下設備的相關參數進行實時監測與控制：
??? （1）高壓栓塞泵機組
·栓塞泵出口壓力實時監測及上限報警并可以自動停泵；
·電機溫度實時監測及上限報警，可以自動停泵；
·電機三相電流實時監測及上、下限報警，可以自動停泵；
??? ·電壓實時監測及上、下限報警；
·曲軸箱溫度實時監測及上、下限報警并可以自動停泵；
??? ·盤根刺水實時監測及報警；
??? ·振動實時監測及報警并可以自動停泵。
??? （2）單井、停注井
??? ·壓力實時監測及上、下限報警；
??? ·停注井瞬時流量監測及上、下限報警；
??? ·累積流量實時監測；
??? ·盜水報警。
（3）常、高壓匯管壓力的實時監測及上、下限報警。
2 系統邏輯結構
在工控設計中，以單片機為主體構成的數據采集和控制系統，其附加電路結構簡單、工作穩定可靠，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接口驅動芯片就可以構成總線型通信網絡，從而將多臺單片機系統連接成一個分布式數據采集和控制系統。這種網絡結構具有接口簡單，靈活性好，價格低，易于控制，傳輸距離可以達到1200米以上等優點。
本系統就是以總線傳輸形式，外掛測量終端（最多可達32臺），由上位機統一管理的多結構雙向式測控系統，每個栓塞泵各配備一套數據測控終端和一套智能流量積算儀，每個單井配備有一套流量積算儀、全部單井配備兩套壓力數據采集終端，前端均為各參量的測量變送器。值班室配有一臺工業控制計算機，并利用原來的交直流控制結構組成完整的數據采集、傳輸、處理與控制系統。
2．1 系統結構圖
系統結構圖見圖2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃終端為數據測控終端，除15＃、16＃用于測量兩個匯管及8口單井的壓力外，其余都用于測量注水泵的參數。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃終端為智能流量計，前7個用于測量7個泵的瞬時、累積流量，后8個用于測量8口井的流量。
2．2 系統結構
??? 系統按結構分為以下幾部分：
??? （1）現場的傳感器與變送器部分
設備所需的測控值與傳感器、變送器的對照表見表1。
??? （2）現場的數據測量終端與流量積算儀
·現場的每臺栓塞泵除流量變送器信號進流量積算儀外，其他的變送器信號均進數據測量終端，即每臺栓塞泵有一個數據測量終端與一個智能流量積算儀。
·現場的所有單井的壓力與高壓匯管、常壓匯管的壓力共用兩個數據測量終端。
??? ·現場的每口單井各有一個智能流量積算儀，
智能流量積算儀具有獨立的總線接口，它可以直接上傳測量的瞬時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栓塞泵進行停泵控制。
??? （4）電腦工作站（位于值班室）
接收數據測量終端與智能流量積算儀上傳的數據，并進行計算、分析，可以顯示測量值、報警值及設定報警限值，須能夠根據用戶的要求及時控制停機并形成數據報表供打印輸出。
3 系統實現
系統實現分為以下三步：
3．1 確定系統上位機與各測控設備的通信協議和 幀結構3．1．1 主機發
??? （1）給終端機的寫操作（發控制命令） FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校驗和求反
（寫）主機地址從機地址
??? （2）給終端機的讀操作（要數據）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校驗和求反
（讀）主機地址從機地址
??? （3）給流量表的讀操作（要數據）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校驗和求反
（讀）主機地址從機地址3．1．2 從機響應
（1）給主機發數據（即接到“83H”（讀）回答）表1
FRAME－HEADER2，83H，XXH，01H，XXH，FRAME－DATA，校驗和求反
從機地址主機地址數據字節數要上傳的第一組回傳數據
FRAME－DATA結構見表2。
（2）接主機的控制命令（即接到“81H”（寫）控制命令碼）
FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校驗和求反
從機地址主機地址3．1．3 幾點說明
以上地址與數據為BCD碼，高位在前、低位在后；
校驗和求反為從FDH（包含FDH）到校驗和之前的各字節代數和再求反；
通訊速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位數據位，無校驗。
3．2 硬件設計
3．2．1 數據測控終端機原理
??? 數據測控終端機原理圖如圖3所示。
此數據測量終端是以單片機為核心，輔以高精度A／D轉換器制造而成的高精度、高可靠性、功能齊全的智能化數據采集終端。該機設有程序隨機存儲器（EEPROM）及程序看門狗電路，保證了數據存貯與傳輸的可靠性。該機可巡檢8～32路的模擬量，8路的開關量，同時又具有4路的控制量輸出；設有RS485總線接口，方便了數據的傳輸，可以隨時接收上位機發來的控制命令。測量終端可以顯示每路的測量值，平時測量終端輪流顯示8路模擬測量值與3位開關量測量值。本機地址通過鍵盤設置。
??? 數據測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、高精度的智能流量積算儀，可根據不同口徑設置系數K，以便提高計算和顯示的精度；可直接接收頻率信號，也可通過加附件接收模擬信號；可根據用戶需要設置參數；具有四種輸出方式（即頻率量輸出、脈沖報警、模擬量輸出和485接口）；具有小數點移位功能，從而實現了與任何口徑的流量計的配套使用；反應靈敏、計算精確、操作簡便、工作可靠、維修量少。該智能流量積算儀防爆標志為dⅡBT4，可以在具有爆炸危險的場所使用。
??? 流量積算器計算公式：
??? 累積流量：Q累＝N／（1000×K）；單位m3
??? 瞬時流量：Q瞬＝3．6×f／K；單位m3／h
??? 其中：
??? f—脈沖頻率（Hz）；
??? K—儀表常數（脈沖／升）；N—脈沖數。
數據測控終端程序框圖如圖6所示。
3．3 上位機軟件設計
為了值班工人能從軟件畫面中迅速直觀地獲得各設備的運行狀態并控制設備，軟件主要采用現場平面圖與獨立設備流程圖結合的GUI（圖形用戶界面）來測控。現場平面圖畫面中17個設備按鈕分布圖同現場設備分布完全相同，并輔以24個終端與設備的連線圖及相應的控制，而且動畫顯示了上下通訊的情況，注水泵、單井、匯管的開關狀態等信息，點擊設備按鈕，即可進入相應設備的工作流程圖。在單個設備畫面中，動畫地顯示設備的工作運行流程，實時顯示此設備的相關數據，在密碼確認后可設置報警上下限、停機門限等參數，可查看此設備的報警歷史信息。當設備或終端出現異常或狀態改變時，在相應畫面的相應位置上會出現警告或變動。情況緊急時，軟件會按照預先安排的處理方案自動處理，準確及時地排除險情。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生，報警模塊通過屏幕閃爍、不斷發出報警聲音、彈出報警信息等手段提醒情況的發生。技術人員可在工具欄選項中獲得更詳細的通信細節資料，從而方便了檢修調試。
在打印模塊中，通過程序實現了數據庫、報表與操作員間的靈活接口，解決了普通計算機報表形式單一的問題，并能方便地通過選擇時間、設備等關鍵信息查看或打印相應的歷史數據。
??? 軟件流程圖如圖7所示。
本系統實現了油田注水站的自動化管理，可以在無人值守的情況下遙控有故障的栓塞泵停止工作，可根據現場的異常情況進行相應的報警，并可通過停注井的壓力檢測及時發現水、油盜竊的現象，確保了注水系統的安全性、可靠性，從而全面實現了所需的各項指標和技術要求。此外，本系統還具有許多優點。首先，系統終端機具有數據采集、顯示、傳輸及控制的功能，設有EEPROM掉電保護及程序看門狗電路，保證參數設置不會丟失。其數據測控終端是一種多功能、可廣泛使用在各種工業自動化控制場所的設備。其次，該系統數據傳輸采用隔離技術的RS485接口，可靠性高，誤碼率低于10－6的用戶界面，簡單直觀；在值班室可隨時調看需要的各種設備工作參數；可設置各參量的報警上下限值和停泵極
限值，以便根據用戶的要求控制停泵；可查看報警的歷史記錄及設備工作歷史記錄，并可形成報表打印。該系統在油田測控領域處于領先水平，具有良好的推廣潛力。
參考文獻
1 何立民．單片機應用文集．北京：北京航空航天大學出版社，1993
2 李 華．MSC－51系列單片機使用接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1999
3 張振榮，晉明武，王毅平編著．CS51單片機原理及應用技術．北京：人民郵電出版社，2000
??? 關鍵詞：注水系統，RS┐485，AT89C52，自動測控
目前，我國油田工業自動化程度較低，油田生產中的重要部門注水站一直由工作人員日夜在戶外監視其狀態，注水泵機組在工作時，處于高電壓、高電流、高液壓的狀態，一旦有異常極易釀成重大事故，如泵機開裂、爆炸、盤根刺水、電機和泵軸承以及軸瓦過熱燒損、泵體振動過大等，甚者導致人員傷亡；另外，由于輸送管線距離長，偷水、偷油的現象時有發生。因此，研制注水站微機測控系統對于油田提高工作效率、減少經濟損失、保障安全生產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，如圖1所示。
其中，栓塞泵是注水站的關鍵設備，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個泵。注水泵與單井、匯管聯合工作構成油田注水站注水系統。要求系統能夠對以下設備的相關參數進行實時監測與控制：
??? （1）高壓栓塞泵機組
·栓塞泵出口壓力實時監測及上限報警并可以自動停泵；
·電機溫度實時監測及上限報警，可以自動停泵；
·電機三相電流實時監測及上、下限報警，可以自動停泵；
??? ·電壓實時監測及上、下限報警；
·曲軸箱溫度實時監測及上、下限報警并可以自動停泵；
??? ·盤根刺水實時監測及報警；
??? ·振動實時監測及報警并可以自動停泵。
??? （2）單井、停注井
??? ·壓力實時監測及上、下限報警；
??? ·停注井瞬時流量監測及上、下限報警；
??? ·累積流量實時監測；
??? ·盜水報警。
（3）常、高壓匯管壓力的實時監測及上、下限報警。
在工控設計中，以單片機為主體構成的數據采集和控制系統，其附加電路結構簡單、工作穩定可靠，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接口驅動芯片就可以構成總線型通信網絡，從而將多臺單片機系統連接成一個分布式數據采集和控制系統。這種網絡結構具有接口簡單，靈活性好，價格低，易于控制，傳輸距離可以達到1200米以上等優點。
本系統就是以總線傳輸形式，外掛測量終端（最多可達32臺），由上位機統一管理的多結構雙向式測控系統，每個栓塞泵各配備一套數據測控終端和一套智能流量積算儀，每個單井配備有一套流量積算儀、全部單井配備兩套壓力數據采集終端，前端均為各參量的測量變送器。值班室配有一臺工業控制計算機，并利用原來的交直流控制結構組成完整的數據采集、傳輸、處理與控制系統。
2．1 系統結構圖
系統結構圖見圖2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃終端為數據測控終端，除15＃、16＃用于測量兩個匯管及8口單井的壓力外，其余都用于測量注水泵的參數。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃終端為智能流量計，前7個用于測量7個泵的瞬時、累積流量，后8個用于測量8口井的流量。
2．2 系統結構
??? 系統按結構分為以下幾部分：
??? （1）現場的傳感器與變送器部分
設備所需的測控值與傳感器、變送器的對照表見表1。
??? （2）現場的數據測量終端與流量積算儀
·現場的每臺栓塞泵除流量變送器信號進流量積算儀外，其他的變送器信號均進數據測量終端，即每臺栓塞泵有一個數據測量終端與一個智能流量積算儀。
·現場的所有單井的壓力與高壓匯管、常壓匯管的壓力共用兩個數據測量終端。
??? ·現場的每口單井各有一個智能流量積算儀，
智能流量積算儀具有獨立的總線接口，它可以直接上傳測量的瞬時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栓塞泵進行停泵控制。
??? （4）電腦工作站（位于值班室）
接收數據測量終端與智能流量積算儀上傳的數據，并進行計算、分析，可以顯示測量值、報警值及設定報警限值，須能夠根據用戶的要求及時控制停機并形成數據報表供打印輸出。
3 系統實現
系統實現分為以下三步：
3．1 確定系統上位機與各測控設備的通信協議和 幀結構3．1．1 主機發
??? （1）給終端機的寫操作（發控制命令） FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校驗和求反
（寫）主機地址從機地址
??? （2）給終端機的讀操作（要數據）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校驗和求反
（讀）主機地址從機地址
??? （3）給流量表的讀操作（要數據）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校驗和求反
（讀）主機地址從機地址3．1．2 從機響應
（1）給主機發數據（即接到“83H”（讀）回答）表1
從機地址主機地址數據字節數要上傳的第一組回傳數據
FRAME－DATA結構見表2。
（2）接主機的控制命令（即接到“81H”（寫）控制命令碼）
FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校驗和求反
從機地址主機地址3．1．3 幾點說明
以上地址與數據為BCD碼，高位在前、低位在后；
校驗和求反為從FDH（包含FDH）到校驗和之前的各字節代數和再求反；
通訊速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位數據位，無校驗。
3．2 硬件設計
3．2．1 數據測控終端機原理
??? 數據測控終端機原理圖如圖3所示。
此數據測量終端是以單片機為核心，輔以高精度A／D轉換器制造而成的高精度、高可靠性、功能齊全的智能化數據采集終端。該機設有程序隨機存儲器（EEPROM）及程序看門狗電路，保證了數據存貯與傳輸的可靠性。該機可巡檢8～32路的模擬量，8路的開關量，同時又具有4路的控制量輸出；設有RS485總線接口，方便了數據的傳輸，可以隨時接收上位機發來的控制命令。測量終端可以顯示每路的測量值，平時測量終端輪流顯示8路模擬測量值與3位開關量測量值。本機地址通過鍵盤設置。
??? 數據測控終端程序框圖如圖4所示。
??? 智能流量積算儀原理圖如圖5所示。
??? 流量積算器計算公式：
??? 累積流量：Q累＝N／（1000×K）；單位m3
??? 瞬時流量：Q瞬＝3．6×f／K；單位m3／h
??? 其中：
??? f—脈沖頻率（Hz）；
??? K—儀表常數（脈沖／升）；N—脈沖數。
數據測控終端程序框圖如圖6所示。
3．3 上位機軟件設計
為了值班工人能從軟件畫面中迅速直觀地獲得各設備的運行狀態并控制設備，軟件主要采用現場平面圖與獨立設備流程圖結合的GUI（圖形用戶界面）來測控。現場平面圖畫面中17個設備按鈕分布圖同現場設備分布完全相同，并輔以24個終端與設備的連線圖及相應的控制，而且動畫顯示了上下通訊的情況，注水泵、單井、匯管的開關狀態等信息，點擊設備按鈕，即可進入相應設備的工作流程圖。在單個設備畫面中，動畫地顯示設備的工作運行流程，實時顯示此設備的相關數據，在密碼確認后可設置報警上下限、停機門限等參數，可查看此設備的報警歷史信息。當設備或終端出現異常或狀態改變時，在相應畫面的相應位置上會出現警告或變動。情況緊急時，軟件會按照預先安排的處理方案自動處理，準確及時地排除險情。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生，報警模塊通過屏幕閃爍、不斷發出報警聲音、彈出報警信息等手段提醒情況的發生。技術人員可在工具欄選項中獲得更詳細的通信細節資料，從而方便了檢修調試。
在打印模塊中，通過程序實現了數據庫、報表與操作員間的靈活接口，解決了普通計算機報表形式單一的問題，并能方便地通過選擇時間、設備等關鍵信息查看或打印相應的歷史數據。
??? 軟件流程圖如圖7所示。
本系統實現了油田注水站的自動化管理，可以在無人值守的情況下遙控有故障的栓塞泵停止工作，可根據現場的異常情況進行相應的報警，并可通過停注井的壓力檢測及時發現水、油盜竊的現象，確保了注水系統的安全性、可靠性，從而全面實現了所需的各項指標和技術要求。此外，本系統還具有許多優點。首先，系統終端機具有數據采集、顯示、傳輸及控制的功能，設有EEPROM掉電保護及程序看門狗電路，保證參數設置不會丟失。其數據測控終端是一種多功能、可廣泛使用在各種工業自動化控制場所的設備。其次，該系統數據傳輸采用隔離技術的RS485接口，可靠性高，誤碼率低于10－6的用戶界面，簡單直觀；在值班室可隨時調看需要的各種設備工作參數；可設置各參量的報警上下限值和停泵極
限值，以便根據用戶的要求控制停泵；可查看報警的歷史記錄及設備工作歷史記錄，并可形成報表打印。該系統在油田測控領域處于領先水平，具有良好的推廣潛力。
參考文獻
2 李 華．MSC－51系列單片機使用接口技術．北京：北京航空航天大學出版社，1999
3 張振榮，晉明武，王毅平編著．CS51單片機原理及應用技術．北京：人民郵電出版社，2000
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