具備遠(yuǎn)程控制功能的油井加藥機控制器

丁鵬飛

DING Peng-fei

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121）

0 引言

在油田的采油生產(chǎn)過程中，油井的井下管柱和集油管線由于結(jié)蠟、結(jié)垢、腐蝕等影響，造成油井生產(chǎn)不正常或井口回壓高等諸多問題。目前采用常采用的加藥方式是使用人工簡易帶壓密閉加壓裝置將定量藥劑由油套環(huán)形空間一次性加入，個別加藥區(qū)也采用加藥車定時加藥。人工加藥存在的弊端是一次性快速投加不能連續(xù)發(fā)揮藥效，純?nèi)斯げ僮鳎と藙趧訌姸却螅铀幾鳂I(yè)時間長；加藥車加藥動用人員多、車輛多，管理難度大，不符合油田數(shù)字化管理需要。因此，開發(fā)出一種具備遠(yuǎn)程控制和加藥記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集的加藥機控制器具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實意義。

本文基于GPRS(general packet radio service，通用分組無線業(yè)務(wù))無線網(wǎng)連接技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)了一種可進行遠(yuǎn)程升級和加藥記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集的加藥控制器。無線數(shù)據(jù)傳輸作為遠(yuǎn)程監(jiān)控有效手段的環(huán)境下，加藥機控制器的研究成果對智能化、網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的參考價值和借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體方案

本文介紹的加藥機控制器以STM32F207VB為核心構(gòu)成檢測和執(zhí)行單元，檢測和執(zhí)行單元通過串口與GPRS模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程控制中心通過GPRS模塊向檢測和執(zhí)行單元發(fā)送控制、查詢等命令；檢測和執(zhí)行單元通過GPRS模塊向遠(yuǎn)程控制中心上傳儲藥箱的藥量、加藥時間等參數(shù)信息。檢測和執(zhí)行單元是加藥機控制器的核心部分，該單元利用儲藥箱液位計采集儲藥箱液體的容量，通過儲藥箱選通控制閥島和出口選通控制閥島控制儲藥箱向油井加藥，加藥機控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加藥機控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計

檢測和執(zhí)行單元是加藥機控制器的核心部分，通過GPRS無線模塊接收實現(xiàn)遠(yuǎn)程中心的控制命令和執(zhí)行油井的加藥操作；FLASH存儲器存儲加藥機的歷史信息和控制參數(shù)信息；選通控制閥島驅(qū)動電路控制儲藥箱液體的輸出和油井輸入管道的開啟與閉合，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測控制單元電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源處理電路

為了使控制器適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，外部采用適配器供電，內(nèi)部利用穩(wěn)壓芯片實現(xiàn)二次穩(wěn)壓。適配器輸入的5V電壓，通過HT7533[1]穩(wěn)壓芯片為處理器和GPRS模塊提供3.3V電源。

2.2 看門狗電路

看門狗電路采用MAX823芯片實現(xiàn)，該芯片可手動產(chǎn)生復(fù)位信號。看門狗電路為系統(tǒng)提供保護功能，當(dāng)系統(tǒng)由于干擾等原因出現(xiàn)故障而停止“喂狗”時，看門狗使系統(tǒng)復(fù)位，避免系統(tǒng)進入死循環(huán)而提高系統(tǒng)的可靠性。

2.3 處理器模塊

處理器采用32位STM32F207VB芯片，該處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基ARM的32位Cortex-M3內(nèi)核的處理器，其自適應(yīng)實時加速器使Flash存儲器的程序可無等待執(zhí)行，時鐘頻率高達(dá)120MHz。集成了3路12位A/D轉(zhuǎn)換器，2路12位D/A轉(zhuǎn)換器，通用DMA控制器和定時器。該處理器具有128K程序存儲器和64K SRAM，支持I2C、SPI、CAN等通信方式，提供了10M/100M以太網(wǎng)訪問接口。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用華為的EM310 GSM模塊[2]，該模塊提供電源接口，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)接口，標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口。短消息業(yè)務(wù)所提供的短信息模式為TEXT模式和PDU模式；GPRS采用GPRS CLASSS 10協(xié)議，最大下行傳輸速率為85.6kbps，最大上行速率為48.2kbps，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持多鏈接，提供ACK應(yīng)答，且提供大容量緩存。支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強AT命令[3]。GPRS模塊與STM32F207VC處理器通過串口進行通信。

2.5 時鐘模塊

為提高傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及對系統(tǒng)工作狀況的準(zhǔn)確記錄，需要系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時間信息，因此，時鐘模塊必須能提高準(zhǔn)確的時間信息。時鐘模塊采用NXP公司生產(chǎn)的PCF8563時鐘芯片，設(shè)計電路如圖3所示。

圖3 時鐘模塊電路

在圖3所示的時鐘模塊電路中，P1為鈕扣電池，當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)掉電時，由P1向時鐘芯片提供工作電源，保證PCF8563時鐘芯片長期可靠工作，從而保證時間信息的可靠性。

2.6 選通控制閥島驅(qū)動電路

在選通控制閥島驅(qū)動電路中，繼電器U17的J12_2和J12_3通過輸出接口J12連接到儲油箱閥島的控制端，控制儲油箱的開啟與閉合；繼電器U18的J13_2和J13_3通過輸出接口J13連接到出口選通閥島控制油井加藥管道的開啟與閉合。繼電器的控制輸入信號由處理器STM32F207VC的輸出信號KGOUT0、KGOUT1經(jīng)驅(qū)動芯片ULN2003后進行控制，電路中的D13、D14為發(fā)光二極管，用于指示控制信號的狀態(tài)。一個儲藥箱和一口油井的閥島驅(qū)動電路如圖4所示。

圖4 選通閥島控制電路

在圖1所示的加藥機控制結(jié)構(gòu)圖中，加藥機控制器控制N個儲藥箱和N個油井，因此，加藥機控制器具有N個如圖4所示的選通閥島控制電路。

2.7 本地通信接口電路

為滿足加藥機控制器現(xiàn)場控制的要求，設(shè)計了用于進行本地通信的接口電路，電路如圖5所示。在該電路中，采用MAX3222芯片實現(xiàn)TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換。STM32F207VC處理器通過SHDN信號控制MAX322處于開啟或關(guān)閉模式，TXD0、RXD0分別為STM32F207VC串口的發(fā)送和接收端。本地電腦與加藥機控制器的通信通過接口J50采用串口3線制實現(xiàn)。

圖5 本地通信接口電路

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件的設(shè)計主要有兩個問題：加藥機運行情況的發(fā)送和遠(yuǎn)程指令的接收并執(zhí)行。軟件的設(shè)計采用模塊化的編程思想以提高軟件的可讀性和可維護性。系統(tǒng)的模塊分為通信模式的設(shè)置、GPRS模塊信息處理模塊、加藥機執(zhí)行狀況報告、加藥機選通閥島的控制等。SMS（short message service，短消息服務(wù)）是GSM系統(tǒng)提供的一種業(yè)務(wù)，由于采用了短信息中心的存儲和轉(zhuǎn)發(fā)機制，具有較高的可靠性[4,5]。本系統(tǒng)的GPRS模塊支持短消息和TCP鏈路進行鏈接，無線通信方式可選擇短消息模式或GPRS模式。由于加藥機控制器數(shù)據(jù)傳輸量較小，因此，無線通信方式采取短信息方式實現(xiàn)。

3.1 通信協(xié)議設(shè)計

Modbus協(xié)議[6,7]是Modicon在1979年發(fā)明的，是全球第一個真正用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，具有標(biāo)準(zhǔn)、開放、支持多種電氣接口、幀格式簡單等優(yōu)點。在中國Modbus協(xié)議已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，加藥機控制器的傳輸協(xié)議遵循Modbus協(xié)議格式設(shè)計。

3.2 通信模式設(shè)置模塊

本系統(tǒng)利用STM32F207VC的串口1和串口2實現(xiàn)無線模塊和本地串口的連接。通過接收數(shù)據(jù)的串口號判斷是本地串口的還是無線模塊的接收數(shù)據(jù)。通信模式設(shè)置模塊的主要功能是設(shè)置串口1和串口2的波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位；設(shè)置GPRS模塊的工作模式。

3.3 GPRS信息處理模塊

短消息的控制模式有Block Mode、基于AT命令的Text Mode和基于AT命令的PDU Mode等3種模式，PDU Mode已取代Block Mode稱為目前的短信編碼模式。GPRS模塊實現(xiàn)發(fā)送和接收短信息的PDU編碼和解碼[8]，PDU編碼由13項組成[9]，包括：短信息中心地址長度；短信息中心號碼類型；短信息中心號碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號碼類型；被叫號碼；協(xié)議標(biāo)識；數(shù)據(jù)編碼方案；有效期；用戶數(shù)據(jù)長度；用戶數(shù)據(jù)。該功能主要實現(xiàn)對發(fā)送信息按照PDU編碼格式對發(fā)送的信息進行編碼和對接收的信息進行解碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GPRS信息處理模塊的流程圖如圖6所示。

圖6 GPRS信息處理模塊

3.4 加藥機執(zhí)行狀況報告模塊

加藥機控制器按照遠(yuǎn)程控制中心或本地計算機設(shè)置的定時發(fā)送執(zhí)行情況的參數(shù)，讀取加藥機儲藥箱的剩余量及每個油井的加藥等信息，并將讀取的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心或本地計算機，軟件流程圖如圖7所示。

3.5 加藥機選通閥島控制模塊

圖7 加藥機狀態(tài)信息發(fā)送流程圖

加藥機選通閥島的控制是加藥機實現(xiàn)加藥的關(guān)鍵部分，該模塊根據(jù)設(shè)定的每個油井加藥的時間和每個循環(huán)分配的時間，控制儲藥箱選通控制閥島和出口選通閥島的開啟或閉合實現(xiàn)油井的加藥，軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語

利用GPRS模塊進行加藥機的遠(yuǎn)程控制，可有效利用現(xiàn)有的通信器材和通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了分布分散的加藥機的遠(yuǎn)程控制和管理，具有系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)簡單，可擴展性強，性價比高，人機交互容易等特點。本文所設(shè)計加藥機控制器應(yīng)用長慶油田的油井加藥系統(tǒng)，大大提高了油井加藥的效率，方便了加藥機的集中管理。經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用和測試，該加藥機控制系統(tǒng)具有可靠性高，遠(yuǎn)程管理方便等特點，達(dá)到了現(xiàn)場應(yīng)用的要求。該控制器的應(yīng)用有利于提高工作效率，節(jié)省人力和運營成本，具有較高的經(jīng)濟價值和推廣價值。

圖8 選通閥島控制流程圖

[1]holtck.HT75XX-1100mA Low Power LDO datasheet.March 2010.http：//www.holtek.com.tw.

[2]華為.EM310 GSM 模塊產(chǎn)品概述.2009.http：//www.huawei.com.

[3]華為.AT命令手冊.2008.http：//www.huawei.com.

[4]朱萬貴,鄭國君,顧新建,等.基于SMS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造型自動化,2003,25(12)：32-34.

[5]周國詳,周俊,苗玉彬,等.基于GSM的數(shù)字農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2005,21(6)：87-91.

[6]馮智,廖永斌.Modbus協(xié)議與Device Net總線在斗輪取料機上的應(yīng)用[J].自動化與信息工程,2012(4)：43-45.

[7]V80和PPC系列可編程控制器MODBUS通訊協(xié)議.http：//www.techwayson.com.

[8]謝春詳,張虹,聶余滿.基于GSM/SPRS的終端式短信平臺開發(fā)[J].計算機工程與設(shè)計,2007,28(4)：1680-1682,1729.

[9]苗春雷,徐衛(wèi)彬,蔡玉寶,等.基于GSM模塊的遠(yuǎn)程控制和報警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(19)：5-7.