基于移動通信網的油田監控管理系統

摘 要： 為實現對遠程油田生產現場的監控，提出了一種基于移動通信網絡進行遠程傳輸工業生產數據的設計方案。使用EM310模塊以及采集設備構成的整個采集系統，通過GPRS網絡組成了一種全新的遠程油田監控系統。通過實際聯網測試，驗證了設計方案的可行性。該方案具有可移動性、穩定性較強，受地理環境因素干擾小等優點，具有廣泛的應用背景。

關鍵詞： 遠程監控； 油田監控； 移動通信網絡； EM310模塊

中圖分類號： TN711?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0036?04

0 引 言

隨著信息產業的高速發展，信息數字化概念在國內越來越多的領域中已經被廣泛接受，尤其是關系到國家經濟發展的能源行業。目前，國內各大油田采用鋪設骨干網進行信息管理，但是其嚴重依靠網絡信號，需要生產單位自己鋪設網絡，并且地理地貌的復雜，更加導致鋪設網絡的成本加大，施工難度上升，這樣造成的后果是成本高，同時起效慢[1?6]。針對陜北油田生產區的地表特點，考慮到溝谷縱橫，梁峁交錯，地形較為復雜，總體交通條件較差的情況，并對鋪設網絡的優缺點進行分析，提出了基于移動通信網絡（GSM）進行油田的數字化建設。

1 系統的總體設計

系統通過移動通信網絡的短信功能實現上位機與下位機通信，因此為了能夠利用移動通信網絡，需要分別對上位機和下位機安置GSM模塊。GSM模塊是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。因此，GSM模塊具有發送SMS短信、語音通話、GPRS數據傳輸等基于GSM網絡進行通信的所有基本功能。

GSM模塊提供RS 232串口和MCU（單片機）或者ARM進行通信，因此上位機和下位機都是以串口方式與GSM模塊通信，而操控GSM模塊工作的指令是AT指令集。AT指令一般應用于終端設備與PC應用之間的連接與通信，是從終端設備或數據終端設備向終端適配器或數據電路終端設備發送的。通過它，終端設備發送AT指令來控制移動臺，與GSM網絡業務進行交互。用戶可以通過AT指令進行呼叫、短信、電話本、數據業務、傳真等方面的控制。整個系統的設計框架如圖1所示。兩個GSM模塊完成了上位機和下位機之間的數據傳輸功能，而上位機通過GSM模塊將管理系統下發的控制命令發送至連接下位機的GSM模塊，下位機讀取存儲在GSM模塊中的未讀信息來接收上位機下發的指令，從而完成相應的操作控制。反之，下位機將油田現場的生產信息通過GSM模塊發送給連接在上位機的GSM模塊，上位機讀取存儲在GSM模塊中的未讀信息來接收下位機發來的信息，并通過分析及歸類，直觀地將數據信息呈現給管理人員，為其提供決策支持。

2 移動通信網絡的短信息功能及數據幀設計

2.1 移動通信網絡的短信息功能

移動通信網絡的短信功能是通過GSM系統的信令通道來傳送短信息的，通過SMSC完成接收、存儲和轉發用戶的短信息。目前，接收和發送SMS短信有三種方式可供選擇，它們分別是：Block Mode，Text Mode和PDU Mode。其中，Block Mode方式發送短信需要使用Block機生產廠家提供的驅動支持，目前已經沒有廠家公布支持這種短信發送模式。Text Mode方式發送短信很方便，是純文本方式，可使用不同的字符集，從技術上說也可用于發送中文短消息，但國內手機基本上不支持，主要用于歐美地區，同時Text Mode的發送數據格式也不適合做自定義數據傳輸，因此選用PDU模式。PDU Mode被所有的手機支持，可以使用任何字符集，這也是手機默認的編碼方式。

2.2 數據幀設計

對于GSM遠程通信系統，數據通信報文并無統一標準，可以根據具體情況自由設計不同通信終端之間的數據通信報文。由于GSM網絡的短信數據通信接收端可以通過普通手機實現短信接收，所以必須在短信數據通信報文設計中可以進行數據加密設計，以防止非法用戶對GSM短信數據通信報文的破解和濫用，保證整個SMS短信控制系統的穩定性。采用PDU模式發送短信，用戶只能最多發送140 B的短信內容，而合理地利用這140 B的內容來實現系統所要求的各個功能，就需要涉及到如何制定更加簡單，有效的數據協議，以此確定在不同的短信內容中包含了什么樣的信息，最終完成上位機系統和下位機系統之間的操控命令和數據交換。考慮到系統應具備的功能需求，以及采用PDU模式發送短信的特點，制定了以下數據的協議。表1為PDU數據包中，在用戶信息碼段上制定的數據傳輸協議，其中，以‘$’作為短信數據通信報文的幀頭字節；1 B作為設備類型；2 B作為油罐ID；1 B作為命令字；1 B報文長度，指的是報文內容的長度；報文內容受PDU短信數據包的用戶信息長度的限制，一般在0～34 B之間。

為了確保上位機及下位機讀取到的短信是正確的，因此需要設定一個幀頭字節來確認接收到的短信是否為系統的另一方所發。由于在數據傳輸中，沒有使用到‘$’字符，因此選擇其作為幀頭字節，這樣不會發生傳輸的數據與幀頭字節相同時，而導致的無法或者錯誤地提取用戶信息。

由于整個系統的短信發送對象包含了上位機短信發送對象和下位機短信發送對象，如何辨認接收到的短信為這兩對象的某一對象所發送的，需要設定一個設備類型。設備類型一共占一個字節，當設備類型為0時，代表上位機系統所發送的短信；當設備類型為1時，代表下位機系統所發送的短信。

在油田生產時，每一個油罐對應了一口油井，因此一個下位機系統對應了一個油罐。在采集數據時，獲知接收到的數據歸屬于哪一口油井就顯得十分重要。數據傳輸協議中的油罐ID就是為了解決這一問題，它對應了連接同一個上位機系統的所有油罐的惟一編號，其范圍為1～65 535。

占一個字節的命令字是整個數據報表中最為重要的一部分，它表明了這條短信所含的內容是屬于哪一類的信息。上位機系統或下位機系統根據這一命令字來讀取之后的報文內容，或者執行相應的操作。命令字的設置見表2，在表中共設定了四個功能，而這四個功能也對應了不同的報文長度，以及不同的報文內容。在報文內容中，當前時間是指上位機接收到的短信時間，其格式為：一共占6 B，第一個字節存儲年，范圍0～255，表示2000年—2255年；第二個字節存儲月，范圍1～12；第三個字節存儲日，范圍1～31；第四個字節存儲小時，采用24 h制，范圍0～23；第五個字節存儲分鐘，范圍0～59；第六個字節存儲秒，范圍0～59。當前油量和拉取油量都為4 B的無符號整型，范圍0～4 294 967 295，單位為克。而報文長度則是根據報文內容的總長度得出的，例如：當報文內容為空時，則報文長度為0。當報文內容由當前時間和當前油量組成時，報文長度為當前時間所占的字節數加上當前油量所占的字節數之和。

3 系統硬件設計

由于基于移動通信網的油田監控管理系統的主要功能有以下方面：

（1）通過GSM網絡進行遠程通信，對終端進行相應的操作；

（2）通過識別IC卡的方式，實現現場集輸管理的智能監控；

（3）通過智能儀表獲取油罐里的實時油量信息，作為管理人員下達決策的參考依據；

（4）遠程控制磕頭機的工作狀態，節省人力資源，并能在突發事件（如：油罐冒頂）下及時進行自我處理；

（5）擁有全面的系統自我報警機制，在油井現場發生的各種非正常情況（如：非法采油、油罐冒頂）自動發送報警信息，通知管理人員采取相應的措施，并及時處理。

通過上述功能，再考慮到以后系統升級所面臨更多的功能實現，得出硬件功能為以下方面：系統能夠自我上電復位、自我加載運行程序；系統硬件支持海量數據的處理；系統硬件能與GSM模塊進行相互通信；系統硬件能與IC識別器進行相互通信；系統硬件能與智能儀表進行相互通信；系統硬件能控制磕頭機的工作狀態，即對繼電器的開關量進行完整控制；系統硬件能回傳磕頭機的工作狀態，即獲取磕頭機的開關量。

根據系統硬件所具備的功能，考慮到的硬件設計如下：

根據硬件系統應擁有的第2條功能，所選的硬件平臺為DSP；根據井場的現場安全智能監控，所選的DSP芯片為美國德州儀器公司生產的TMS320DM642芯片。

根據硬件系統應擁有的第3～5條功能，同時考慮到GSM模塊和IC識別器的通信接口為RS 232串口，智能儀表的通信接口為RS 485串口，同時為了方便以后系統升級，在此多預留了一個RS 232串口。因此整個硬件系統需擁有3個RS 232串口、1個RS 485串口。

根據硬件系統應擁有的第6～第7條功能，充分考慮到該系統所控制的磕頭機的個數不大于7個，同時控制繼電器的開關的數據位數和獲得繼電器開關的數據位數應相等，因此從DSP中引出了8位數據總線，作為繼電器開關量的數據傳輸，為了節省硬件資源，降低硬件開發及生產成本，采用了數據雙向傳輸方式。

基于系統所要求的硬件設計，制定了如下設計方案：

選用TMS320DM642芯片作為系統的主控芯片，根據該芯片需要的電源選用相應的電源芯片得到5 V和3.3 V的電壓；

為了能讓系統上電自我重啟和自我加載程序，通過DM642外加4M[×]8 b的FLASH；由于DM642的片上存儲資源較小，所以外加2塊4M[×]64 b的異步存儲器SDRAM，擴大系統的存儲數據能力；

為了擴展系統的諸多功能，通過DSP的外部存儲器接口外加了一塊CPLD器件，該器件實現外部地址的擴展，可以通過地址擴展帶動實現相應功能，如并行數據轉換串行數據的器件。

由于系統需要4個串口，因此在CPLD外掛接2塊并行數據轉換串行數據的器件（TL16C752B），而每塊TL16C752B可以控制兩個串口，因此達到了硬件系統的設計要求。

由于系統需要控制并獲得磕頭機的工作狀態，并實現數據總線的讀寫操作復用的功能，因此從DM642中引出低8位的數據線作為傳輸控制及獲得控制磕頭機工作的繼電器的開關量；為了實現數據總線的讀寫功能復用，因此8位數據線通過CPLD器件，在CPLD器件內部進行邏輯判斷，實現數據線的功能復用。

由于CPLD器件上掛接了8位數據線，兩塊TL16C752B器件，為了讓主控芯片DM642能夠去控制，因此從DM642上引出了8根地址線，這8根地址線通過CPLD進行邏輯功能添加后，對每個器件和數據線進行地址映射，這樣使每個和CPLD連接的模塊都有了對DM642的地址映射。

為了讓CPLD能和DM642之間進行相互的通信，需要將CPLD的控制引腳和DM642的部分控制引腳相接，這樣實現了CPLD在DM642的控制下進行正常工作。

通過上述的方案設計，得出系統的設計方案如圖2所示。

4 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括了下位機模塊程序設計，以及上位機模塊程序設計。

下位機模塊程序的主流程圖如圖3所示。

由于硬件設計電路中，EMIF的CE0到CE2的空間掛接有FLASH，SDRAM和串口數據的串并行轉換芯片，因此必須要對EMIF進行CE空間的控制寄存器的配置。由于串口通信的數據才有8位數據，1位停止位的格式，因此要對TL16C752B芯片的寄存器配置，同時考慮到DSP傳輸數據的速度很快，因此對TL16C752B芯片的收發數據的FIFO緩沖區進行最大字節的配置。由于硬件設計電路中要求使用DM642自身的定時器來完成系統的時鐘系統，因此對DM642的32位定時器進行配置，DM642共有三個通用32位定時器，本系統采用第一個定時器完成時鐘系統，因此對定時器0進行相關配置。系統是基于GSM網絡進行遠程通信來實現諸多功能的，因此驗證和保證網絡的流暢性是非常有必要的。根據EM310芯片所支持的AT指令集進行驗證和配置其工作方式，該模塊完成了EM310的網絡流暢性，關閉EM310的回顯功能和設置EM310接收的短信格式。

系統采用DM642片內的定時器0作為系統的時鐘，而定時器采用中斷方式打開，因此在這一模塊中，對定時器0的中斷使能是必須的，同時，為了保證系統時鐘在計時的同時對油罐中的油量信息進行讀取并將這一數據作為系統的初始狀態，因此在定時器工作的時候就記錄油量數據。系統一旦運行，就必須告訴上位機其工作狀態已為正常工作時，并且要讓上位機對其時間信息，油量上升門限百分比和每日匯報油量的時間進行設置，因此必須引入一個信號來告訴上位機其工作狀態已經從關閉狀態變為工作狀態，在這里，這個信號就是重啟警報。同樣，由于系統控制了多個磕頭機的工作狀態，為了避免上位機在未對磕頭機的工作時間段進行設置就出現其永遠關閉的現象，因此系統本身就包含了對磕頭機工作狀態的初始化。

收到短信以及處理短信內容模塊是本系統的最重要的核心，前面所提的模塊都是為了使這個模塊能夠正常運行所做的準備。其中查詢EM310芯片中有無新短信是該模塊的重要步驟，因為只有得到新的短信后并且驗證新的短信是上位機所發的短信，該模塊才能進行相應的處理，而沒有得到新的短信或者并不是上位機所發的短信，該模塊將會跳過這一模塊，因此前面所做的驗證網絡流暢性等都是為了保證上位機給該系統所發的短信能正確地被EM310接收到并讀入DSP中。為了保證短信的保密性，因此在上位機發送短信的同時，對短信進行加密，而到了本系統，需要對短信進行譯碼。由于通信協議中包含了短信的命令字以及相應的控制信息，因此對短信譯碼后按照通信協議進行影像的任務處理。

油量發生異常判斷及后續處理的功能主要完成了遠程控制磕頭機的工作狀態，節省人力資源，并能在突發事件（如：油罐冒頂）下及時進行自我處理，并且擁有全面的系統自我報警機制，在油井現場發生的各種非正常情況（如：非法采油、油罐冒頂）自動發送報警信息，通知管理人員采取相應的措施，并及時處理這兩個功能。這一模塊是本系統自發完成的控制，觸發其完成的各種功能都和系統的初始化或者油量狀態有關。其中，系統的初始化是根據系統向上位機發送重啟報警后，上位機接收到該報警后就主動給下位機發送相應的初始化信息。IC卡的設置主要是規范工作人員進行拉取原油的行為，使上層人員能對每一次拉取油的員工信息和采取油量信息進行管理。而油量狀態是根據連接在該系統的智能儀表所讀取的信息進行判斷的，當油量處于非正常下降（主要是指在無工作人員進行拉取原油的時候油量下降）和超過設置門限而可能導致油罐冒頂的現象時，系統會自發的進行報警，尤其是當油罐將要冒頂的時候，系統會自我地對磕頭機進行操作，關閉其電源開關量，使其關閉，停止抽油。

上位機系統的監控軟件所需要的生產現場的數據信息和控制下位機系統的指令都是通過GPRS模塊的通信來實現的。該監控軟件是基于Windows標準圖形化界面，在VS2010環境下，采用ADO（ActiveX Data Objects）方式連接數據庫管理系統SQL Server 2008。該應用軟件的主要功能是提供了一個良好的界面。

監控中心軟件負責接收各油田生產現場的正常工業數據或異常報警數據信號，顯示各油田生產現場的生產狀態，并對每次接收到的數據進行分析判斷，然后將這些參數數據存入數據庫中。管理人員通過分析各生產現場采集設備采集到的各油井各項參數，了解各油井的生產狀況。并且在監控中心服務器端向油田生產現場發生控制指令，以調整現場的工作狀態。

5 結 論

該系統將GPRS網絡技術和數字化油田建設的理念結合在一起，各油田工作點通過GPRS網絡將數據遠程發送至監控中心，從根本上實現了無線通信。目前，已在西安某石化設備公司下進行推廣使用。該系統通過對GPRS網絡的數據幀協議的設定，提出了基于移動通信網絡傳輸油田生產數據的機制，使系統能夠在無需在高成本的情況下進行油田數字化建設，提高了系統的穩定性，減少了更多的資金開銷，可以在不同的地域進行使用，具有廣泛推廣的實際應用價值。

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