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基于移动通信网的油田监控管理系统 摘 要： 为实现对远程油田生产现场的监控，提出了一种基于移动通信网络进行远程传输工业生产数据的设计方案。运用EM310模块以及采集设备构成的整个采集系统，通过GPRS网络组成了一种全新的远程油田监控系统。通过实际联网测试，验证了设计方案的可行性。该方案具有可移动性、稳定性较强，受地理环境因素干扰小等优点，具有广泛的应用背景。 关键词： 远程监控； 油田监控； 移动通信网络； EM310模块 中图分类号： TN73134； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1014373X11003604 0 引 言 随着信息产业的高速发展，信息数字化概念在国内越来越多的领域中已经被广泛接受，尤其是关系到国家经济发展的能源行业。目前，国内各大油田采纳铺设骨干网进行信息管理，但是其严峻依靠网络信号，须要生产单位自己铺设网络，并且地理地貌的困难，更加导致铺设网络的成本加大，施工难度上升，这样造成的后果是成本高，同时起效慢16。针对陕北油田生产区的地表特点，考虑到沟谷纵横，梁峁交织，地形较为困难，总体交通条件较差的状况，并对铺设网络的优缺点进行分析，提出了基于移动通信网络进行油田的数字化建设。 1 系统的总体设计 系统通过移动通信网络的短信功能实现上位机与下位机通信，因此为了能够利用移动通信网络，须要分别对上位机和下位机安置GSM模块。GSM模块是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并供应标准接口的功能模块。因此，GSM模块具有发送SMS短信、语音通话、GPRS数据传输等基于GSM网络进行通信的全部基本功能。 GSM模块供应RS 232串口和MCU或者ARM进行通信，因此上位机和下位机都是以串口方式与GSM模块通信，而操控GSM模块工作的指令是AT指令集。AT指令一般应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信，是从终端设备或数据终端设备向终端适配器或数据电路终端设备发送的。通过它，终端设备发送AT指令来限制移动台，与GSM网络业务进行交互。用户可以通过AT指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的限制。整个系统的设计框架如图1所示。两个GSM模块完成了上位机和下位机之间的数据传输功能，而上位机通过GSM模块将管理系统下发的限制吩咐发送至连接下位机的GSM模块，下位机读取存储在GSM模块中的未读信息来接收上位机下发的指令，从而完成相应的操作限制。反之，下位机将油田现场的生产信息通过GSM模块发送给连接在上位机的GSM模块，上位机读取存储在GSM模块中的未读信息来接收下位机发来的信息，并通过分析及归类，直观地将数据信息呈现给管理人员，为其供应决策支持。 2 移动通信网络的短信息功能及数据帧设计 2.1 移动通信网络的短信息功能 移动通信网络的短信功能是通过GSM系统的信令通道来传送短信息的，通过SMSC完成接收、存储和转发用户的短信息。目前，接收和发送SMS短信有三种方式可供选择，它们分别是：Block Mode，Text Mode和PDU Mode。其中，Block Mode方式发送短信须要运用Block机生产厂家供应的驱动支持，目前已经没有厂家公布支持这种短信发送模式。Text Mode方式发送短信很便利，是纯文本方式，可运用不同的字符集，从技术上说也可用于发送中文短消息，但国内手机基本上不支持，主要用于欧美地区，同时Text Mode的发送数据格式也不适合做自定义数据传输，因此选用PDU模式。PDU Mode被全部的手机支持，可以运用任何字符集，这也是手机默认的编码方式。 2.2 数据帧设计 对于GSM远程通信系统，数据通信报文并无统一标准，可以依据详细状况自由设计不同通信终端之间的数据通信报文。由于GSM网络的短信数据通信接收端可以通过一般手机实现短信接收，所以必需在短信数据通信报文设计中可以进行数据加密设计，以防止非法用户对GSM短信数据通信报文的破解和滥用，保证整个SMS短信限制系统的稳定性。采纳PDU模式发送短信，用户只能最多发送140 B的短信内容，而合理地利用这140 B的内容来实现系统所要求的各个功能，就须要涉及到如何制定更加简洁，有效的数据协议，以此确定在不同的短信内容中包含了什么样的信息，最终完成上位机系统和下位机系统之间的操控吩咐和数据交换。考虑到系统应具备的功能需求，以及采纳PDU模式发送短信的特点，制定了以下数据的协议。表1为PDU数据包中，在用户信息码段上制定的数据传输协议，其中，以$作为短信数据通信报文的帧头字节；1 B作为设备类型；2 B作为油罐ID；1 B作为吩咐字；1 B报文长度，指的是报文内容的长度；报文内容受PDU短信数据包的用户信息长度的限制，一般在034 B之间。 为了确保上位机及下位机读取到的短信是正确的，因此须要设定一个帧头字节来确认接收到的短信是否为系统的另一方所发。由于在数据传输中，没有运用到$字符，因此选择其作为帧头字节，这样不会发生传输的数据与帧头字节相同时，而导致的无法或者错误地提取用户信息。 由于整个系统的短信发送对象包含了上位机短信发送对象和下位机短信发送对象，如何分辨接收到的短信为这两对象的某一对象所发送的，须要设定一个设备类型。设备类型一共占一个字节，当设备类型为0时，代表上位机系统所发送的短信；当设备类型为1时，代表下位机系统所发送的短信。 在油田生产时，每一个油罐对应了一口油井，因此一个下位机系统对应了一个油罐。在采集数据时，获知接收到的数据归属于哪一口油井就显得非常重要。数据传输协议中的油罐ID就是为了解决这一问题，它对应了连接同一个上位机系统的全部油罐的惟一编号，其范围为165 535。 占一个字节的吩咐字是整个数据报表中最为重要的一部分，它表明白这条短信所含的内容是属于哪一类的信息。上位机系统或下位机系统依据这一吩咐字来读取之后的报文内容，或者执行相应的操作。吩咐字的设置见表2，在表中共设定了四个功能，而这四个功能也对应了不同的报文长度，以及不同的报文内容。在报文内容中，当前时间是指上位机接收到的短信时间，其格式为：一共占6 B，第一个字节存储年，范围0255，表示2000年2255年；其次个字节存储月，范围112；第三个字节存储日，范围131；第四个字节存储小时，采纳24 h制，范围023；第五个字节存储分钟，范围059；第六个字节存储秒，范围059。当前油量和拉取油量都为4 B的无符号整型，范围04 294 967 295，单位为克。而报文长度则是依据报文内容的总长度得出的，例如：当报文内容为空时，则报文长度为0。当报文内容由当前时间和当前油量组成时，报文长度为当前时间所占的字节数加上当前油量所占的字节数之和。 3 系统硬件设计 由于基于移动通信网的油田监控管理系统的主要功能有以下方面： 通过GSM网络进行远程通信，对终端进行相应的操作； 通过识别IC卡的方式，实现现场集输管理的智能监控； 通过智能仪表获得油罐里的实时油量信息，作为管理人员下达决策的参考依据； 远程限制磕头机的工作状态，节约人力资源，并能在突发事务下刚好进行自我处理； 拥有全面的系统自我报警机制，在油井现场发生的各种非正常状况自动发送报警信息，通知管理人员实行相应的措施，并刚好处理。 通过上述功能，再考虑到以后系统升级所面临更多的功能实现，得出硬件功能为以下方面：系统能够自我上电复位、自我加载运行程序；系统硬件支持海量数据的处理；系统硬件能与GSM模块进行相互通信；系统硬件能与IC识别器进行相互通信；系统硬件能与智能仪表进行相互通信；系统硬件能限制磕头机的工作状态，即对继电器的开关量进行完整限制；系统硬件能回传磕头机的工作状态，即获得磕头机的开关量。 依据系统硬件所具备的功能，考虑到的硬件设计如下： 依据硬件系统应拥有的第2条功能，所选的硬件平台为DSP；依据井场的现场平安智能监控，所选的DSP芯片为美国德州仪器公司生产的TMS320DM642芯片。 依据硬件系统应拥有的第35条功能，同时考虑到GSM模块和IC识别器的通信接口为RS 232串口，智能仪表的通信接口为RS 485串口，同时为了便利以后系统升级，在此多预留了一个RS 232串口。因此整个硬件系统需拥有3个RS 232串口、1个RS 485串口。 依据硬件系统应拥有的第6第7条功能，充分考虑到该系统所限制的磕头机的个数不大于7个，同时限制继电器的开关的数据位数和获得继电器开关的数据位数应相等，因此从DSP中引出了8位数据总线，作为继电器开关量的数据传输，为了节约硬件资源，降低硬件开发及生产成本，采纳了数据双向传输方式。 基于系统所要求的硬件设计，制定了如下设计方案： 选用TMS320DM642芯片作为系统的主控芯片，依据该芯片须要的电源选用相应的电源芯片得到5 V和3.3 V的电压； 为了能让系统上电自我重启和自我加载程序，通过DM642外加4M×8 b的FLASH；由于DM642的片上存储资源较小，所以外加2块4M×64 b的异步存储器SDRAM，扩大系统的存储数据实力； 为了扩展系统的诸多功能，通过DSP的外部存储器接口外加了一块CPLD器件，该器件实现外部地址的扩展，可以通过地址扩展带动实现相应功能，如并行数据转换串行数据的器件。 由于系统须要4个串口，因此在CPLD外挂接2块并行数据转换串行数据的器件，而每块TL16C752B可以限制两个串口，因此达到了硬件系统的设计要求。 由于系统须要限制并获得磕头机的工作状态，并实现数据总线的读写操作复用的功能，因此从DM642中引出低8位的数据线作为传输限制及获得限制磕头机工作的继电器的开关量；为了实现数据总线的读写功能复用，因此8位数据线通过CPLD器件，在CPLD器件内部进行逻辑推断，实现数据线的功能复用。 由于CPLD器件上挂接了8位数据线，两块TL16C752B器件，为了让主控芯片DM642能够去限制，因此从DM642上引出了8根地址线，这8根地址线通过CPLD进行逻辑功能添加后，对每个器件和数据线进行地址映射，这样使每个和CPLD连接的模块都有了对DM642的地址映射。 为了让CPLD能和DM642之间进行相互的通信，须要将CPLD的限制引脚和DM642的部分限制引脚相接，这样实现了CPLD在DM642的限制下进行正常工作。 通过上述的方案设计，得出系统的设计方案如图2所示。 4 系统软件设计 系统软件设计主要包括了下位机模块程序设计，以及上位机模块程序设计。 下位机模块程序的主流程图如图3所示。 由于硬件设计电路中，EMIF的CE0到CE2的空间挂接有FLASH，SDRAM和串口数据的串并行转换芯片，因此必需要对EMIF进行CE空间的限制寄存器的配置。由于串口通信的数据才有8位数据，1位停止位的格式，因此要对TL16C752B芯片的寄存器配置，同时考虑到DSP传输数据的速度很快，因此对TL16C752B芯片的收发数据的FIFO缓冲区进行最大字节的配置。由于硬件设计电路中要求运用DM642自身的定时器来完成系统的时钟系统，因此对DM642的32位定时器进行配置，DM642共有三个通用32位定时器，本系统采纳第一个定时器完成时钟系统，因此对定时器0进行相关配置。系统是基于GSM网络进行远程通信来实现诸多功能的，因此验证和保证网络的流畅性是特别有必要的。依据EM310芯片所支持的AT指令集进行验证和配置其工作方式，该模块完成了EM310的网络流畅性，关闭EM310的回显功能和设置EM310接收的短信格式。 系统采纳DM642片内的定时器0作为系统的时钟，而定时器采纳中断方式打开，因此在这一模块中，对定时器0的中断使能是必需的，同时，为了保证系统时钟在计时的同时对油罐中的油量信息进行读取并将这一数据作为系统的初始状态，因此在定时器工作的时候就记录油量数据。系统一旦运行，就必需告知上位机其工作状态已为正常工作时，并且要让上位机对其时间信息，油量上升门限一百零一分比和每日汇报油量的时间进行设置，因此必需引入一个信号来告知上位机其工作状态已经从关闭状态变为工作状态，在这里，这个信号就是重启警报。同样，由于系统限制了多个磕头机的工作状态，为了避开上位机在未对磕头机的工作时间段进行设置就出现其恒久关闭的现象，因此系统本身就包含了对磕头机工作状态的初始化。 收到短信以及处理短信内容模块是本系统的最重要的核心，前面所提的模块都是为了使这个模块能够正常运行所做的打算。其中查询EM310芯片中有无新短信是该模块的重要步骤，因为只有得到新的短信后并且验证新的短信是上位机所发的短信，该模块才能进行相应的处理，而没有得到新的短信或者并不是上位机所发的短信，该模块将会跳过这一模块，因此前面所做的验证网络流畅性等都是为了保证上位机给该系统所发的短信能正确地被EM310接收到并读入DSP中。为了保证短信的保密性，因此在上位机发送短信的同时，对短信进行加密，而到了本系统，须要对短信进行译码。由于通信协议中包含了短信的吩咐字以及相应的限制信息，因此对短信译码后根据通信协议进行影像的任务处理。 油量发生异样推断及后续处理的功能主要完成了远程限制磕头机的工作状态，节约人力资源，并能在突发事务下刚好进行自我处理，并且拥有全面的系统自我报警机制，在油井现场发生的各种非正常状况自动发送报警信息，通知管理人员实行相应的措施，并刚好处理这两个功能。这一模块是本系统自发完成的限制，触发其完成的各种功能都和系统的初始化或者油量状态有关。其中，系统的初始化是依据系统向上位机发送重启报警后，上位机接收到该报警后就主动给下位机发送相应的初始化信息。IC卡的设置主要是规范工作人员进行拉取原油的行为，使上层人员能对每一次拉取油的员工信息和实行油量信息进行管理。而油量状态是依据连接在该系统的智能仪表所读取的信息进行推断的，当油量处于非正常下降和超过设置门限而可能导致油罐冒顶的现象时，系统会自发的进行报警，尤其是当油罐将要冒顶的时候，系统会自我地对磕头机进行操作，关闭其电源开关量，使其关闭，停止抽油。 上位机系统的监控软件所须要的生产现场的数据信息和限制下位机系统的指令都是通过GPRS模块的通信来实现的。该监控软件是基于Windows标准图形化界面，在VS2022环境下，采纳ADO方式连接数据库管理系统SQL Server 2022。该应用软件的主要功能是供应了一个良好的界面。 监控中心软件负责接收各油田生产现场的正常工业数据或异样报警数据信号，显示各油田生产现场的生产状态，并对每次接收到的数据进行分析推断，然后将这些参数数据存入数据库中。管理人员通过分析各生产现场采集设备采集到的各油井各项参数，了解各油井的生产状况。并且在监控中心服务器端向油田生产现场发生限制指令，以调整现场的工作状态。 5 结 论 该系统将GPRS网络技术和数字化油田建设的理念结合在一起，各油田工作点通过GPRS网络将数据远程发送至监控中心，从根本上实现了无线通信。目前，已在西安某石化设备公司下进行推广运用。该系统通过对GPRS网络的数据帧协议的设定，提出了基于移动通信网络传输油田生产数据的机制，使系统能够在无需在高成本的状况下进行油田数字化建设，提高了系统的稳定性，削减了更多的资金开销，可以在不同的地域进行运用，具有广泛推广的实际应用价值。 参考文献 1 包明国，赵跃华.GPRS无线通信限制器及其在数字化油田中的应用D.镇江：江苏高校，2022. 2 李立春，张晓东.基于GPRS的油田计量采集限制系统的设计J.嵌入式系统应用，2022：7373. 3 贾向朝，张玉杰.基于GPRS的油田远程监测防盗系统J.通信技术，2022：208210. 4 潘峥嵘，滕尚伟，尹晓霜，等.基于GPRS的油田抽油机远程在线监控系统的设计与实现J.化工自动化及仪表，2022，35：7577. 5 肖兵，李利军.基于无线网络及GPRS油田监控系统设计J.智能电器与计算机应用，2022，17：2427. 6 王如涛，黄星，赵金龙，等.应用于油田的ARM9 GPRS无线通信系统J.自动化应用，2022，7：2729. 第13页 共13页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页第 13 页 共 13 页