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挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛获奖作品范本


新型油井远程监控装置简介

1、功能概述........................................................................................................................................... 1 2、应用前景......................................................................................................................................... 10 3、系统设计创意................................................................................................................................. 11 4、项目实现介绍................................................................................................................................. 13 5、团队及设计过程............................................................................................................................. 13 6、小结................................................................................................................................................. 15

1、功能概述
系统包括硬件电路设计和 GSM 油井监控软件设计两部分。其中硬件电路设计包 括监测终端和监控中心两部分, 监测终端包括 GSM 通信模块 SIM900A 及其驱动电路、 32 bit ARM 微处理器 STM32F103RBT6、供电电路和传感器的数据采集与处理电路, 继电器控制电路;监控中心包括 SIM900A 及其驱动电路、STM32F103RBT6 单片机、 供电电路、报警处理电路,并通过 RS232 连接至监控计算机。监测终端和监控中心 的 ARM 微处理器软件设计包括 GSM 通信模块的发送与接受主程序、通过串口的短消 息接收和发送等程序,监测终端还包括 RS-485 总线程序、CAN 总线程序、继电器控 制程序、传感器的数据采集与处理程序。GSM 油井监控软件采用 LABVIEW 编写,具 有报警显示、图表监视器、统计图表、打印报表等多个功能。系统框图如图 1.

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图 1 系统应用框图

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MCU 微 控 制 单 元 (STM32F103RBT6)

JTAG 程序下载 机调试接口

2)油



CAN 总 线 单 元 (SN65HVD230)

GSM 监 控 终端与 PC 串行通信 单 元

( MAX323 2 )电 器 组 继 ( 固态继电 器) SP11173.3 提 供 3.3V 电 源 MP2143 提供 4V 电 源给 GSM 模 块 GSM 模块 (SIM900a) RS_485 总单元 (MAX487)

射频天线接口

图 2 装置硬件实物

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1)MCU 微控制单元(STM32F103RBT6)

图 3 MCU 微控制单元 MCU 微控制单元采用 STM32F103RBT6,它使用高性能的 ARM-CortexM3 32bit 的

RISC 内核, 内置高速存储器, 工作频率为 36MHZ,CPU 能以零等待周期访问 (读/写) , 丰富的增强型外设和 IO 端口连接到两条 APB 外围总线外设。 所有型号的器件都包含 一个 12bit 的 ADC 和 3 个通用的 16bit 定时器、 还包含标准的通信接口,2 个 I2C 接 口、2 个 SPI、3 个 USART、一个 CAN.设计时,采用 STM32F103RBT6 可以方便实现接 入传感器信号, 其工作电压为 2.0V~3.6V 的工作电压能够满足 MCU 和 GPRS 模块直接 相连的需要,而无需电平转换,一系列的省电模式满足低功耗应用的需求。

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2)油井控制单元与油井各设备之间串行通信单元(MAX487)

图 4 MAX487 原理图

单片机组成的多机通信系统, 具有灵活的功 能和性价比, 在工业测控领域应用 十分广泛,但是单片机收发的都是 TTL 电平,驱动能力和抗干扰 性有限,无法进行 “长线”通信。实用中常配合总 线互联。RS485 总线就是其中一种,RS485 既是 物 理层的协议标准, 也是串行通信接口的电器标 准, 用此标准可以很方便地把计算机、 单片机和各 种设备连接起来,构成测控系统。RS485 总线是 平衡差分传输,抗干 扰性好,最远可传输 1200 米, 最多可互联 128 个单片机,很适合多机通信。通信 芯片采用 MAXIM 公司生产的 MAX487,该芯片是 RS485 通讯的 低功耗收发器件,它 含有一个驱动器和一个接收器, 最大可连接 128 个子系统, 最远 传输距离 1200 米, 传输速度可达 250KB/s。可采用半双工方式,适合在比较恶劣的环境下工作,在油 井现场,有很大的实用价值。

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3)油井 GSM 监控终端与 PC 串行通信单元(MAX3232)

图 5 MAX3232 串行通信单元

系统采用的是 RS-232 串行通信进行监控中心与监控计算机通讯。RS-232 是目前 PC 机与通信工业中应用最为广泛的一种串行接口,RS-232 被定义为一种在 低速率串行通信中增加通信距离的单端标准,其采取不平衡传输方式。典型的 RS-232 信号在正负电平之间摆动,当发送数据时发送端驱动器输出正电平为+5V~ +15V、负电平为一 5V~一 15V;当传输数据时,线上为 TTL 电平,从开始传输数据 到结束, 线上电平从 TTL 电平到 RS-232 电平再返回 TTL 电平。 接收器典型的工作电 平为+3V~+12V 与一 3V~一 12V。 监控中心使用与计算机进行串行通信,采用 Maxim 公司的 MAX3232 芯片 实现 RS.232 电平转换,MAX3232 是一款能实现 RS-232 接口的低功耗电平转 换芯片,它有两路收发器。 4)GSM 模块单元(SIM900A)

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图 6 GSM 模块单元(SIM900A)

GSM 模块采用了 SIMCOM 公 司的 SIM900A,该模块体积小巧. 性能突出。内嵌 TCP/IP 协议,扩展 的 TCP/IP AT 命令让用户能够容 易地使用 TCP/IP 协议.而 且在数 据传输方面应用广泛。油井远程监控系统通常采用 TC35i GSM 通信模块,其 工作频段少,支持 900/1800Mhz,不能支持 GPRS,且功耗较高。本装置设计采用 SIM900A 无线通信模块,它有 4 个工作频段,支持 GSM/GPRS,且尺寸小、功耗低。 5)CAN 总线单元(SN65HVD230)

图 7 CAN 总线单元(SN65HVD230)

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油田的采油矿场通常由多口油井、 计量间 、 管汇阀组 、 转油站 、 联合站 、 原油外输系统 、 油罐及油田的其他分散设施组成 , 整个采油矿场各种 设施的工 作状况及采出油品的数据 (主要有温度 、压力 、流量等) 将直接关系到油田生产 的稳定及原油质量 。面对单个油井的众多检测设备,在数据传输部分建立 CAN 总 线和 RS-485 总线局域网,再将汇总的信息通过 GSM 远传至监控中心。 SN65HVD230 是德州仪器公司生产的 3.3V CAN 总线收发器,可与带有 CAN 控 制器的 TMS320k240x 系列 DSP 配套使用,该收发器具有 差分收发能力,最高速率 可达 1Mb/s。广泛用于汽 车、工业自动化、UPS 控制等领域。 6)继电器组(固态继电器)

图 8 继电器组

固态继电器(SOLIDSTATE RELAYS),简写成“SSR”,是一种全部由固态电子元 件组成的新型无触点开关器件, 它利用电子元件(如开关三极管、 双向可控硅等半导 体器件)的开关特性, 可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的, 因此又被称为 “无触点开关”。当发现停电、停机、缺相、油管堵塞、液面过低等情况,固态继 电器组可以用来隔离控制电力电子设备启停,从而减少设备损坏,缩短停机时间。

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7)电源(MP2143、SP1117-3.3)

图 9 三端稳压模块 SP1117

三端稳压模块 SP1117, 可将输入的 5V 电压转化为 3.3 电压, 为 MCU、 SN65HVD230、 MAX3232、MAX487 供电。 SIM900A 模块采用单电源供电,供电范围 3.2~4.8V 之间,推荐电压为 4.0V, 模块射频发射时会导致电压跌落,这时电流的峰值最高会达到 2A 以上,因此电源 供电能力尽可能达到 2A,输入电压与 VBAT 压差不大,所以选用 LDO(low dropout regulator,低压差线性稳压器),本设计采用的是 MP2143 电源芯片。

图 10 MP2143 电源芯片电路

为了增强模块电源抗干扰能力(主要抗浪涌,脉冲群,静电等),不至于在外 界环境比较恶劣的情况下导致模块供电异常,建议根据实际应用在外部电源输入端 加一些共模电感、TVS 管等器件,在 VBAT 供电芯片输出端加一些 nf 、pf 级电容, 滤除干扰。 PCB 布局时候 VBAT 上的旁路电容尽量要放在对应 pin 附近,为了减少 PCB 走线阻抗,VBAT 走线尽量宽、走线尽量短,最好大面积铺地。

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2、应用前景
通过现场测试本系统能够及时准确的将需要采集的数据显示在巡检软件界面上 来.并且可以从控制现场的各项参数,已经基本选到了各项技术指标,最太数据量 传输的示功图能够准确、快速的远程传输到监控中心,从而证明我们采用的油井自 动化监控系统实现的数据远程传输方案是可行的。 采油井应用本新型油井远程监控系统后,可以极大地提高生产运行管理的安全 性能和可靠程度, 减少不必要的人工浪费和提高数据采集的准确性, 提高生产效率, 通过生产过程的集中控制和管理还可极大地提高企业整体效率的竞争能力,提高预 测突发事件的能力和紧急情况下快速反应能力,带来潜在的社会和经济效益。特别 是国内近几年来的油井远程监控系统开发及应用得到了飞速的发展,形成了多处样 板油田和成功应用案例,极大地方便了现场油井管理,提高了生产效率。利用现代 自动化技术对采油井的生产管理进行远程监控,是提高石油开采业的全员生产率, 降低石油开采成本的有效方法之一。 使用现本装置对抽油机进行远程监控对于及时、准确、全面地掌握石油生产情 况,进行科学决策有着十分重要的意义。 (1)可降低工人劳动强度,提高生产率 传统的数据采集方法,工作量大而繁重,费用高,特别在雨雪天气,有些井无 法采集,严重影响生产,采用远程监测,数据采集只需室内进行,大大降低工人的 劳动强度,同时可减少冗余人员,利于降本增效。 (2)便于及时掌握生产情况,利于科学管理 传统的数据采集方法,通常以人工的方式用报表反映采油情况,难以及时、准 确、全面直观、高效、连续地反映生产动态。实现油井的远程监控,管理人员在办 公室或各个测点上就可以直观地看到所有抽油机的工作情况。随着无线通讯网的发 展,各级管理部门可随时掌握一线的生产情况,真正做到运筹帷幄之中,决胜千里 之外。 (3)便于采集生产数据,利于科学决策 人工采集数据,每口井一般每天只测一次工作参数,为了诊断井下工作情况, 一般每口井一到两周要停机测试一次井下功图及液面,费时费力。由于数据量小, 很难做数据的统计分析。实现远程监控可快速测试并长期保存大量工作数据,并以 此为依据进行科学的生产分析,为决策提供可靠论据。 (4)便于及时发现问题,提高工作效率 实现抽油机的远程监控,可以及时发现油井停电、不正常停机、油管泄漏、凡 尔泄漏、液面过低等情况,从而有效地防止设备损坏,减少停机时间。抽油机运行 过程中,油井的机电设备难免会出现一些不正常情况,如缺相、井下受卡等,有些 情况如能及时发现并处理,就可以减少或避免油井故障,减少经济损失。 另外,本装置集成了 GSM/GPRS、CAN 总线、485 总线等功能,不单适用于油井的 远程监控,对于像路灯、设备较分散的工厂、电力监控等各种行业都有应用价值, 可以大大简化管理方式,节约企业成本,达到减员增效的目的。

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3、系统设计创意
1、采用 GSM 短信通信方式进行数据通讯:由于油田都有网覆盖,利用现有的基 站系统,可以很方便地实现数据远程传输,不需组建自己的网络,大大节省了组网 成本。从根本上解决了采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网的难题,实现 了通过短消息实时进行油井监控,并且很好的完成了监控任务。该方式充分利用了 GSM 公网资源,通过 GSM 通信模块收发有限长度的文本信息,实现远程数据的通讯。 GSM 网络为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式,利用现有的 GSM 网络资源,发挥其网络覆盖率高、传输特性好、建设和维护成本低等优势,己经成 为现代国际工业远程控制及现场检测等领域新的发展趋势,并已广泛应用于安防报 警、电力监控等各种行业。 2、监控软件设计:利用工业标准的图形化开发环境 LabVIEW 设计监控软件。它 结合了图形化编程方式的高性能与灵活性以及专为测试、测量与自动化控制应用设 计的高端性能与配置功能,能为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种 应用提供必要的开发工具。 对报警信息进行处理, 并智能化判断报警信息。 如图 11.

图 11 基于 LabVIEW 的设计监控软件

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3、基于 labview 的油井网络监测系统设计。通过基于 labview 的油井网络监测 系统,将监控画面发布到到 internet 上,各个管理部门可直接通过浏览器访问实时 监测数据。如 图 11 “从网络端可看到服务器的运行情况”。

图 12 “从网络端可看到服务器的运行情况”

4、采用高性能 32 位 RAM 微处理器 STM32F103RBT6 作为控制核心:具有高性能、 易开发、高度兼容、低工作电压、低功耗以及实时、数字信号处理的 32 位闪存微控 制器。STM 公司为用户提供了标准的固件函数库通过使用本固件函数库,无需深入 了解细节, 用户可以轻松应用每一个外设。 因此可以大大缩短用户的程序编写时间, 进而降低开发成本。 5、报警中心的设计:监控中心接收到由油井监控终端发来的报警信息,通过对 短信内容的解读, 恢复成数传信号并通过 RS-232 串口送至监控计算机处理, 实时监 测油井报警状态。 6、油井远程监控系统通常采用 TC35i GSM 通信模块,其工作频段少,支持 900/1800Mhz,不能支持 GPRS,且功耗较高。本系统设计采用 SIM900A 无线通信模 块,它有 4 个工作频段,支持 GSM/GPRS,且尺寸小、功耗低。 7、 油田的采油矿场通常由多口油井、计量间 、 管汇阀组 、 转油站 、 联 合站 、原油外输系统 、油罐及油田的其他分散设施组成 ,整个采油矿场各种 设 施的工作状况及采出油品的数据 (主要有温度 、压力 、流量等) 将直接关系到油 田生产的稳定及原油质量 。面对单个油井的众多检测设备,在数据传输部分建立 CAN 总线和 RS-485 总线局域网,再将汇总的信息通过 GSM 远传至监控中心。 8、 图表功能,根据实时电流和电压数据绘制变化趋势曲线图;根据遥测上来 的 载荷、位移参数值,绘制示功图;制作实时以及历史报表。

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9.本装置集成了 GSM/GPRS、CAN 总线、485 总线等功能,不单适用于油井 的远程监控,对于像路灯、设备较分散的工厂都有应用价值,都可以大大简化管理 方式,节约企业成本,达到减员增效的目的。

4、项目实现介绍
(1) 信号采集处理 监控终端的工作状态传感器主要有压力传感器、温度传感器、可燃性气体浓度 传感器等。正常工作时,相应的传感器单元将信号传输到 STM32F103RBT6 微处理器 进行 A/D 转换,再通过 STM32F103RBT6 微处理器进行信号处理后,以短信或 TCP 数据传输的形式发送到现有的 GSM 网络。 (2)通信信道 根据采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网的问题,在监控终端单元和 控制站之间传递信息,采用 GSM 短信通信方式进行数据通讯。每个监测终端和控制 端都配备有固定号码的手机 SIM 卡。 该系统的通信信道是由中国移动公司提供的 GSM 网络。 (3) 远程油井诊断 对油井的远程诊断是利用监测终端的采集系统、数据传输系统等把采油机的运 行参数(温度,压力等)传回主站的控制中心,经控制中心的专家系统对这些数据的 分析,判断出采油机的运行状况,并及时提出调整建议。 (5) 远程油井控制 油井远程控制技术是利用 GSM 通讯模块接收主站控制中心的控制指令,经处理 后产生控制动作,接通或断开电机控制器,通过控制电机的运行和停止来控制采油 机的起抽和停抽。

5、团队及设计过程
本团队由 5 名大三的本科生组成。 在辽宁科技大学学生课外科技活动计划的支 持下,经过一年时间的不断完善和进步,完成了此次设计。 在设计之初,五个人还是电子设计的门外汉,通过这次设计不但掌握了许多电 子设计的知识,还培养了团队精神,锻炼了顽强的意志。这些收获对团队成员一生 的发展都会产生很大的影响。 首先我们将该项目分为几个部分:STM32F103RBT6 微处理器的编程、GSM 通信模 块 SIM900A 及其驱动电路的设计、供电电路的设计、PCB 板的绘制。我们团队中每 个人分配相应的任务,积极的研究学习、相互讨论并请教老师。其中最为困难的是 GSM 通信模块 SIM900A 驱动电路的设计的供电电路的设计,由于 GSM 频率较高,对 PCB 板上的天线部分走线要求比较苛刻,所以在设计中犯了许多小错误。此外,由 于 GSM 通信模块 SIM900A 的瞬间通信电流高达 2A 左右, 所以对它的供电电路设计有 较高的要求,同时还要考虑到 STM32F103RBT6 微处理器与 GSM 通信模块 SIM900A 的 供电电源隔离,电磁兼容等问题。 在查阅了大量资料与试验后,我们成功设计出 PCB 板,GSM 网络通信成功,这 极大的激励了我们的斗志, 我们进一步努力完成了 LAABVIEW 监控软件的 GSM 通信模 块控制,通过不断试验与改进,完成了系统性能又一次的提高。
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图 12 实物

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6、小结 抽油井无线远程监控系统是一个可无限扩展的分布式处理系统,系统网络上的 每一台智能终端是一个节点,每个节点独立执行分配给它的任务,这种结构的优点 不会因为一个节点的离线影响整个网络的运行。在重大事件发生时,各智能终端能 够在迅速报警的同时, 及时自动采取措施以减少损失。 本方案整合了诸多先进技术, 实现了预期的目标。另外,由于本装置集成了 GSM/GPRS、CAN 总线、485 总线等 功能,不单适用于油井的远程监控,对于像路灯、设备较分散的工厂都有应用价值, 都可以大大简化管理方式,节约企业成本,达到减员增效的目的。整个项目全部由 本科生在课外完成,对于本科生探索技术的新领域是一种的尝试。更重要的是在项 目完成的过程当中,项目成员分工协作,充分体现了团队精神,才能够将每个人在 不同技术方面的专长整合起来,最终完成了这样一个综合性较强的方案,这在本科 生课外科技活动中也是一次有益的探索。

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