基于CDMA／GPRS的遠程監測系統設計及應用

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

基于CDMA／GPRS的遠程監測系統設計及應用

陳路原

（中國石油化工股份有限公司華北分公司，河南 鄭州 450006）

目前天然氣開采過程中，氣田的產氣量取決于壓縮機站工況的好壞。完善的監測技術對于氣井的正常運作具有重大意義，在廣泛調研了國內外遠程監測系統研究的基礎上，通過對國內現有遠程監測系統存在的不足進行分析，提出一種集數據采集、遠程監測、CDMA／GPRS無線通訊等技術于一體的天然氣井遠程監測系統。該系統能夠及時發現增壓設備故障，實現專家及管理人員不上井便可及時、有效地查看氣井的工況信息，為單井采氣效率提供關鍵數據支持，進而確保最優氣井工況。

天然氣井 CDMA／GPRS遠程傳輸 力控組態 遠程監測

0 引言

在我國，由于氣田地理環境復雜，我國氣井數量多，井與井之間相距甚遠，交通不便，目前絕大多數氣井仍采用傳統的人工巡檢、抽查的維護方式，不僅費時費力而且周期長，導致設備故障不能及時被發現［1-2］。因此，實現氣井工況的實時遠程監測已成為氣田生產自動化領域的重要課題之一。

針對天然氣井生產過程的實時動態監測，能夠有效地防止由于井口壓力、溫度過高而引起的重大事故，保障氣井生產的正常進行。同時，也便于管理人員優化氣井產量，提高單井采氣率。而針對增壓設備的實時動態監測，則有利于氣井管理人員及時發現增壓設備故障，并立刻做出相應的處理和控制。綜上可知，建立一套完善的天然氣井遠程監測系統，實時地監測氣井的工作狀況，能夠提高氣井生產管理效率，從而達到“節能降耗、增產增收”的目的，這對于實現氣井現代化生產管理和維護具有重大的現實意義。

1 天然氣井遠程監測系統設計準則

在最大限度滿足安全、生產系統要求的前提下，根據氣井生產現場的實際情況，筆者所開發的天然氣井遠程監測系統遵守以下5個方面的準則［3］。

1）可靠性。系統可靠性高是遠程監測系統設計最重要的原則。系統必須具備較強的抗干擾能力，才能保證其在工作條件下運行穩定、可靠。

2）易操作性。后臺監測中心軟件采用提示、查看、口令等直觀的人機對話方式，具有友好的人機對話功能，方便工作人員查詢、管理與操作。

3）通用性與可擴展性。遠程監測系統不需要做任何改動，或只需要進行少量改動，就能夠應用于其他工作場合，構成新的測控系統。其監測終端應預留一定數量的接口，便于擴展傳感器或其他功能模塊。模塊間通信應當采用統一的通信協議標準。

4）經濟合理性與可維護性。遠程監測系統的電路結構簡單，軟硬件功能搭配恰到好處，便于安裝、維護和檢修。遠程監測系統應具備成本低、功能強、性價比高等特點，便于進行大面積的推廣。

5）先進性。遠程監測系統所使用的程序設計、檢測方法、控制方法、輸入輸出方式及手段等，都應符合現代科學技術的發展方向，具有一定的先進性。

2 天然氣井遠程監測系統

2.1 天然氣井遠程監測系統總體架構

天然氣井遠程監測系統采用集散分布模式，由現場氣井監測參數采集系統、數據傳輸系統、管理

中心監測軟件系統等模塊構成。數據采集模塊實時采集安裝在氣井現場的各類傳感器所測量的井場監測數據［4］；以RS-485串口通訊方式傳輸到現場的CDMA／GPRS無線通信模塊；無線通信模塊利用基站將所采集的監測數據實時遠程發送到網絡端；基地數據庫服務器則通過Internet接收數據，經交換機進行數據交換處理，最終通過以太網或局域網傳至監控中心計算機上，為管理人員、專家以及領導提供數據的實時查詢、分析和處理。天然氣井遠程監測系統的總體架構圖如圖1所示。

圖1 天然氣井遠程監控系統結構圖

2.2 天然氣井數據傳輸系統設計

針對天然氣井數據遠程傳輸的特點，對比現有傳輸模式的優缺點，最終選擇了適合氣井數據傳輸的CDMA／GPRS移動終端機。CDMA／GPRS是在移動通信網絡的基礎上發展起來的數據傳輸技術，能夠提供廣域無線IP和端到端的連接，通過網絡控制器可以直接接入Internet，是無線終端設備網絡化的絕佳方式［5］。

CDMA／GPRS移動終端機需要與數據遠程傳輸軟件相配合，才能夠實現數據的遠程傳輸。筆者遵守TCP／IP網絡通信協議［6-7］，基于Winsock網絡編程接口，采用C#編程語言，設計和開發了數據傳輸軟件，實現了井場與基地之間的遠程通信。軟件能夠完成天然氣井現場與基地間的數據實時傳輸，為基地專家對采氣作業的實時監測及遠程決策提供技術支持。軟件運行前，需要先配置服務器端IP網絡地址及端口，當與基地端接收軟件創建連接成功后，即可實現雙方的數據通信。

天然氣井數據遠程傳輸軟件主要由遠程數據服務器端和數據客戶端兩部分構成。遠程數據服務器端可實時接收通過CDMA／GPRS網絡傳輸的數據，存入數據庫并提供給應用程序使用。數據客戶端主要安裝于現場數據發送服務器計算機，將氣井現場監測數據通過無線網絡實時地發送至基地管理中心。

天然氣井數據遠程傳輸軟件客戶端發送流程圖、服務器端接收工作流程圖如圖2、圖3所示。

圖2 遠程傳輸軟件發送流程圖

圖3 數據遠程傳輸軟件接收流程圖

2.3 天然氣井管理中心監測系統軟件設計

結合氣井數據遠程傳輸軟件，開發和設計了天然氣井管理中心監測系統軟件，該軟件以力控組態

軟件為開發平臺，結合SQLServer2008數據庫，通過上位機實時分析與儲存數據，實現了現場數據的采集存儲、數據處理、趨勢曲線顯示，以及遠程信息發布等功能。

根據天然氣井監測軟件的功能需求分析可知，監測軟件需要實現現場采氣工藝流程的實時監測與仿真、實時監測數據曲線繪制與顯示、系統事件記錄，以及對采氣作業中突發異常事故進行及時報警等功能［8-10］。同時，通過與SQLServer關系數據庫的連接，完成實時數據在關系數據庫中的儲存，并對儲存在數據庫中的歷史數據以曲線和數據報表的方式進行查詢、回放和顯示。進一步通過建立網絡，可利用瀏覽器遠程監測采氣現場的實時作業情況，進而對現場施工及時做出評判和指示。系統軟件結構如圖4所示。

圖4 監測軟件結構圖

通過分析天然氣井采油工藝流程，確定相應施工監測參數，基于力控組態軟件設計平臺，開發了一套天然氣井實時監測軟件。該實時監測軟件完成了對天然氣井采油工藝流程的模擬與仿真。該系統能夠在監測界面上直觀地顯示天然氣井配套組成裝備、監測傳感器、儀器儀表的安裝位置，以及各鉆井設備的實時運行狀態。同時，可以在現場工況仿真界面上實時動態地顯示傳感器采集到的監測數據。各曲線繪制模塊可對實時或歷史數據以曲線的形式展現給用戶，可直觀、快速地顯示當前監測狀況。

4 結論

1）針對現有遠程監測技術存在的不足，設計出一套天然氣井遠程監測系統，有效地監測增壓站的工況信息，及時發現增壓設備故障，為提高單井采氣效率提供關鍵數據支持。

2）根據天然氣井數據遠程傳輸的特點和要求，設計并開發了一套遠程數據傳輸軟件，該軟件能與現有傳輸硬件系統相配套，實現數據的遠程實時傳輸。

3）基于力控組態軟件平臺開發出一套遠程實時監測軟件，實現了天然氣井的現場工況仿真，實時監測當前氣井生產情況。同時，該系統還具備遠程信息發布功能，實現專家及管理人員不上井，便可及時有效地查看氣井的工況信息，從而確保氣井工況最優。

［1］楊川東.采氣工程［M］.北京：石油工業出版社，2001.

［2］李瑞.遠程監測技術的前景展望［J］.鐵路通信信號工程技術，2012（5）：94-96.

［3］楊世興，郭秀才.監測監控系統原理與實用設計［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［4］高明星，黃玉志，胡耀強.基于嵌入式的天然氣井口數據遠程監測系統設計［J］.石油工程建設，2014（1）：22-25.

［5］萬劍.基于GPRS的遠程狀態監測技術研究［D］.天津：天津大學，2011.

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［8］龔榮.油井遠程監測管理軟件設計［D］.武漢：武漢理工大學，2005.

［9］朱磊.基于組態軟件的遠程油氣監控系統設計［D］.西安：西安石油大學，2012.

［10］張紅宇.基于無線通訊技術的計算機遠程監測管理系統［J］.陜西理工學院學報：自然科學版，2007（4）：24-27.

（編輯：李臻）

B

2095-1132（2014）04-0028-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.04.008

修訂回稿日期：2014－07－07

陳路原（1962－），高級工程師，從事油氣田開發工作。E-mail：secondbo@126.com。