2023年挑战杯大学生课外学术科技作品竞赛获奖作品范本.doc

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1、 新型油井远程监控装置简介1、功能概述12、应用前景103、系统设计创意114、项目实现简介135、团队及设计过程136、小结151、功能概述系统涉及硬件电路设计和GSM油井监控软件设计两某些。其中硬件电路设计涉及监测终端和监控中心两某些，监测终端涉及GSM通信模块SIM900A及其驱动电路、32 bit ARM微解决器STM32F103RBT6、供电电路和传感器数据采集与解决电路,继电器控制电路；监控中心涉及SIM900A及其驱动电路、STM32F103RBT6单片机、供电电路、报警解决电路，并通过RS232连接至监控计算机。监测终端和监控中心ARM微解决器软件设计涉及GSM通信模块发送与接

2、受主程序、通过串口短消息接受和发送等程序，监测终端还涉及RS-485总线程序、CAN总线程序、继电器控制程序、传感器数据采集与解决程序。GSM油井监控软件采用LABVIEW编写，具有报警显示、图表监视器、记录图表、打印报表等各种功能。系统框图如图1. 图1 系统应用框图GSM模块（SIM900a）继电器组（固态继电器）SP1117-3.3提供3.3V电源MP2143提供4V电源给GSM模块RS_485总单元(MAX487)2） 油井GSM监控终端与PC串行通信单元（MAX3232）射频天线接口CAN总线单元（SN65HVD230）JTAG程序下载机调试接口MCU微控制单元（STM32F103R

3、BT6） 图2 装置硬件实物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ARM-CortexM3 32bitRISC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。所有型号器件都涉及一种12bitADC和3个通用16bit定期器、还涉及原则通信接口,2个I2C接口、2个SPI、3个USART、一种CAN.设计时，采用STM32F103RBT6可以以便实现接入传感器信号，其工作电压为2.0V3.6V工作电压可以满足MCU和

4、GPRS模块直接相连需要，而无需电平转换，一系列省电模式满足低功耗应用需求。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原理图单片机构成多机通信系统，具有灵活功 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 物理层协议原则，也是串行通信接口电器标 准，用此原则可以很以便地把计算机、单片机和各 种设备连接起来，构成测控系统。RS485总线是 平衡差分传播，抗干扰性好，最远可传播1200米， 最多可互联128个单片机，很适

5、合多机通信。通信芯片采用MAXIM公司生产MAX487，该芯片是RS485通讯 低功耗收发器件，它具有一种驱动器和一种接受器，最大可连接128个子系统，最远 传播距离1200米，传播速度可达250KBs。可采用半双工方式，适合在比较恶劣环境下工作，在油井现场，有很大实用价值。 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 系统采用是RS-232串行通信进行监控中心与监控计算机通讯。RS-232是当前PC机与通信工业中应用最为广泛一种串行接口，RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增长通信距离单端原则，其采用不平衡传播方式。典型RS-232信

6、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；当传播数据时，线上为TTL电平，从开始传播数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接受器典型工作电平为+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MAX3232芯片实现RS232电平转换，MAX3232是一款能实现RS-232接口低功耗电平转换芯片，它有两路收发器。4）GSM模块单元（SIM900A） 图6 GSM模块单元（SIM900A）GSM模块采用了SIMCOM公 司SIM900A，该模块体积小巧 性能突出。内嵌TCPIP

7、协议，扩展 TCPIP AT命令让顾客可以容 易地使用TCPIP协议并且在数 据传播方面应用广泛。油井远程监控系统普通采用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）油田采油矿场普通由多口油井、计量间 、管汇阀组 、转油站 、联合站 、原油外输系统 、油罐及油田其她分散设施构成 ， 整个采油矿场各种 设施工作状况及采出油品数据 (重要有温度 、压力 、流

8、量等) 将直接关系到油田生产稳定及原油质量 。面对单个油井众多检测设备，在数据传播某些建立CAN总线和RS-485总线局域网，再将汇总信息通过GSM远传至监控中心。SN65HVD230是德州仪器公司生产33V CAN总线收发器，可与带有CAN控制器 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1Mbs。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”，是一种所有由固态电子元件构成新型无触点开关器件，它运用电子元件(如开关三极管、双向可控硅等半导体器

9、件)开关特性，可达成无触点无火花地接通和断开电路目，因而又被称为“无触点开关”。当发现停电、停机、缺相、油管堵塞、液面过低等状况，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。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，供电范畴 3.24.8V之间，推荐电压为4.0V，模块射频发射时会导致电压跌落，这时电流峰值最高会达成 2A以上，因而电源供电能力尽量达成2A，输入电

10、压与VBAT 压差不大，因此选用 LDO（low dropout regulator，低压差线性稳压器），本设计采用是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（重要抗浪涌，脉冲群，静电等），不至于在外界环境比较恶劣状况下导致模块供电异常，建议依照实际应用在外部电源输入端加某些共模电感、TVS 管等器件，在VBAT 供电芯片输出端加某些nf 、pf 级电容，滤除干扰。 PCB布局时候VBAT 上旁路电容尽量要放在相应pin 附近，为了减少 PCB走线阻抗，VBAT 走线尽量宽、走线尽量短，最佳大面积铺地。2、应用前景通过现场测试本系统可以及时精确将需要采

11、集数据显示在巡检软件界面上来并且可以从控制现场各项参数，已经基本选到了各项技术指标，最太数据量传播示功图可以精确、迅速远程传播到监控中心，从而证明咱们采用油井自动化监控系统实现数据远程传播方案是可行。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营管理安全性能和可靠限度，减少不必要人工挥霍和提高数据采集精确性，提高生产效率，通过生产过程集中控制和管理还可极大地提高公司整体效率竞争能力，提高预测突发事件能力和紧急状况下迅速反映能力，带来潜在社会和经济效益。特别是国内近几年来油井远程监控系统开发及应用得到了飞速发展，形成了多处样板油田和成功应用案例，极大地以便了现场油井管理，提高了生产效

12、率。运用当代自动化技术对采油井生产管理进行远程监控，是提高石油开采业全员生产率，减少石油开采成本有效办法之一。使用现本装置对抽油机进行远程监控对于及时、精确、全面地掌握石油生产状况，进行科学决策有着十分重要意义。(1)可减少工人劳动强度，提高生产率老式数据采集办法，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，大大减少工人劳动强度，同步可减少冗余人员，利于降本增效。(2)便于及时掌握生产状况，利于科学管理老式数据采集办法，普通以人工方式用报表反映采油状况，难以及时、精确、全面直观、高效、连续地反映生产动态。实现油井远程监控，管理人员在

13、办公室或各个测点上就可以直观地看到所有抽油机工作状况。随着无线通讯网发展，各级管理部门可随时掌握一线生产状况，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，每口井普通天天只测一次工作参数，为了诊断井下工作状况，普通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，很难做数据记录分析。实现远程监控可迅速测试并长期保存大量工作数据，并以此为根据进行科学生产分析，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、液面过低等状况，从而有效地防止设备损坏，减少停机时间

14、。抽油机运营过程中，油井机电设备难免会浮现某些不正常状况，如缺相、井下受卡等，有些状况如能及时发现并解决，就可以减少或避免油井故障，减少经济损失。此外，本装置集成了GSM/GPRS、CAN总线、485总线等功能，不单合用于油井远程监控，对于像路灯、设备较分散工厂、电力监控等各种行业均有应用价值，可以大大简化管理方式，节约公司成本，达成减员增效目。3、系统设计创意 1、采用GSM短信通信方式进行数据通讯：由于油田均有网覆盖，运用既有基站系统，可以很以便地实现数据远程传播，不需组建自己网络，大大节约了组网成本。从主线上解决了采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网难题，实现了通过短消息实时进行油井

15、监控，并且较好完毕了监控任务。该方式充足运用了GSM公网资源，通过GSM通信模块收发有限长度文本信息，实现远程数据通讯。GSM网络为既有数据采集系统提供一种便捷无线数据传播方式，运用既有GSM网络资源，发挥其网络覆盖率高、传播特性好、建设和维护成本低等优势，己经成为当代国际工业远程控制及现场检测等领域新发展趋势，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：运用工业原则图形化开发环境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高品位性能与配备功能，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开发工具。对

16、报警信息进行解决，并智能化判断报警信息。如图11. 图11 基于LabVIEW设计监控软件 3、基于labview油井网络监测系统设计。通过基于labview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运营状况”。 图12 “从网络端可看到服务器运营状况” 4、采用高性能32位RAM微解决器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、数字信号解决32位闪存微控制器。STM公司为顾客提供了原则固件函数库通过使用本固件函数库，无需进一步理解细节，顾客可以

17、轻松应用每一种外设。因而可以大大缩短顾客程序编写时间，进而减少开发成本。 5、报警中心设计：监控中心接受到由油井监控终端发来报警信息，通过对短信内容解读，恢复成数传信号并通过RS-232串口送至监控计算机解决，实时监测油井报警状态。6、油井远程监控系统普通采用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、油田采油矿场普通由多口油井、计量间 、管汇阀组 、转油站 、联合站 、原油外输系统 、油罐及油田其她分散设施构成 ， 整个采油矿场各种

18、设施工作状况及采出油品数据 (重要有温度 、压力 、流量等) 将直接关系到油田生产稳定及原油质量 。面对单个油井众多检测设备，在数据传播某些建立CAN总线和RS-485总线局域网，再将汇总信息通过GSM远传至监控中心。8、图表功能，依照实时电流和电压数据绘制变化趋势曲线图；依照遥测上来 载荷、位移参数值，绘制示功图；制作实时以及历史报表。 9.本装置集成了GSM/GPRS、CAN总线、485总线等功能，不单合用于油井远程监控，对于像路灯、设备较分散工厂均有应用价值，都可以大大简化管理方式，节约公司成本，达成减员增效目。4、项目实现简介 (1) 信号采集解决监控终端工作状态传感器重要有压力传感器

19、、温度传感器、可燃性气体浓度传感器等。正常工作时，相应传感器单元将信号传播到STM32F103RBT6微解决器进行AD转换，再通过STM32F103RBT6微解决器进行信号解决后，以短信或TCP数据传播形式发送到既有GSM网络。（2）通信信道依照采油井分布广、距离远而难于用有线方式组网问题，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手机SIM卡。该系统通信信道是由中华人民共和国移动公司提供GSM网络。(3) 远程油井诊断对油井远程诊断是运用监测终端采集系统、数据传播系统等把采油机运营参数(温度，压力等)传回主站控制中心，经控制中

20、心专家系统对这些数据分析，判断出采油机运营状况，并及时提出调节建议。(5) 远程油井控制油井远程控制技术是运用GSM通讯模块接受主站控制中心控制指令，经解决后产生控制动作，接通或断开电机控制器，通过控制电机运营和停止来控制采油机起抽和停抽。5、团队及设计过程本团队由 5 名大三本科生构成。在辽宁科技大学学生课外科技活动筹划支持下，通过一年时间不断完善和进步，完毕了本次设计。在设计之初，五个人还是电子设计门外汉，通过这次设计不仅掌握了许多电子设计知识，还培养了团队精神，锻炼了顽强意志。这些收获对团队成员毕生发展都会产生很大影响。一方面咱们将该项目分为几种某些:STM32F103RBT6微解决器编

21、程、GSM通信模块SIM900A及其驱动电路设计、供电电路设计、PCB板绘制。咱们团队中每个人分派相应任务，积极研究学习、互相讨论并请教教师。其中最为困难是GSM通信模块SIM900A驱动电路设计供电电路设计，由于GSM频率较高，对PCB板上天线某些走线规定比较苛刻，因此在设计中犯了许多小错误。此外，由于GSM通信模块SIM900A瞬间通信电流高达2A左右，因此对它供电电路设计有较高规定，同步还要考虑到STM32F103RBT6微解决器与GSM通信模块SIM900A供电电源隔离，电磁兼容等问题。在查阅了大量资料与实验后，咱们成功设计出PCB板，GSM网络通信成功，这极大勉励了咱们斗志，咱们进一

22、步努力完毕了LAABVIEW监控软件GSM通信模块控制，通过不断实验与改善，完毕了系统性能又一次提高。 图12 实物6、小结抽油井无线远程监控系统是一种可无限扩展分布式解决系统，系统网络上每一台智能终端是一种节点，每个节点独立执行分派给它任务，这种构造长处不会由于一种节点离线影响整个网络运营。在重大事件发生时，各智能终端可以在迅速报警同步，及时自动采用办法以减少损失。本方案整合了诸多先进技术，实现了预期目的。此外，由于本装置集成了GSM/GPRS、CAN总线、485总线等功能，不单合用于油井远程监控，对于像路灯、设备较分散工厂均有应用价值，都可以大大简化管理方式，节约公司成本，达成减员增效目。整个项目所有由本科生在课外完毕，对于本科生摸索技术新领域是一种尝试。更重要是在项目完毕过程当中，项目成员分工协作，充足体现了团队精神，才可以将每个人在不同技术方面专长整合起来，最后完毕了这样一种综合性较强方案，这在本科生课外科技活动中也是一次有益摸索。