油井多通道數據采集系統

麗娜 呼倫貝爾學院物電學院

油井多通道數據采集系統

麗娜 呼倫貝爾學院物電學院

將Zigbee技術、FPGA技術應用于油井參數檢測系統中，設計了一種基于FPGA的油井多通道數據采集系統，可以實現壓力、溫度、位移等參數的多通道數據采集。該系統中主要包括油溫、油壓、電流/電壓以及位移等多路傳感器電路，多路ADC電路、FPGA及其外圍電路、射頻模塊電路以及電源電路等。由于FPGA具有并行處理的優勢及可編程性強的特點使得處理系統設計具有較強的靈活性，可針對不同系統需求，在FPGA內部實現軟件的各種功能，滿足不同系統處理需求。

無線通信；油氣田；數據采集；油壓；單片機

隨著科技的進步以及自動化管理的應用，石油企業在數字化、智能化油氣田建設方面取得了巨大進步。其中無線傳感網絡Zigbee技術以其低成本、低功耗等優勢，在油氣田數字化建設中得到了廣泛應用。

FPGA可以較方便地實現多通道數據采集與預處理，具有可編程性強的特點，適用于油氣田數字化、智能化系統的開發與應用[1]。將Zigbee技術、FPGA技術應用于油井參數檢測系統中，設計了一種基于FPGA的油井多通道數據采集系統，可以實現壓力、溫度、位移等參數的多通道數據采集。采用Zigbee技術，減少了人力、物力的投入，極大地提高了工作效率。

1 系統結構

圖1 油井多通道數據采集系統結構

油井多通道數據采集系統結構如圖1所示。油井多通道數據采集系統借助多個不同種類的傳感器實現非電量信號到電量信號的轉換，并通過多路ADC實現多通道電量信號的模數轉換，將轉換后的數字量送到FPGA中進行處理。

該系統中主要包括油溫、油壓、電流/電壓以及位移等多路傳感器電路，多路ADC電路、FPGA及其外圍電路、射頻模塊電路以及電源電路等。其中油溫、油壓傳感器安裝于井口，電流/電壓傳感器安裝于控制柜內。

2 主要電路設計

2.1 各傳感器電路

（1）油溫傳感器電路。油溫傳感器采用了DALLAS公司數字溫度傳感器DS18B20[2]。傳感器DS18B20其溫度范圍在-55～+125℃之間，分辨率為0.062 5℃。該傳感器采用單線制實現數據的傳輸與控制，可通過FPGA的I/O口對其實現控制，其輸出數字信號送到FPGA中進行處理。該傳感器具有體積小、功耗低的特點，適合于各類主控CPU的連接。油溫傳感器電路設計如圖2所示。

圖2 油溫傳感器電路

（2）油壓傳感器電路。油壓傳感器是利用傳感器上的膜片感受壓力，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，實現壓力的轉換[3]。本設計中采用的油壓傳感器為PT500—500系列壓力變送器，該傳感器具有高精度的溫度補償和高穩定性放大集成電路，最高壓力可達150 MPa；采用0～5 VDC、0～10 VDC、0.5～4.5 VDC等標準電信號；可將被測量介質的壓力轉換成4～20 mA；可輸出RS485數字信號。

（3）電流/電壓傳感器電路。本設計中電流傳感器采用的是霍爾傳感器HS02—P，工作溫度范圍：-20～+75℃；測量范圍在0～70 A；帶寬DC～200 kHz；溫度漂移﹤±0.01%/℃。電壓傳感器采用了CHV—50P/1 200閉環霍爾電壓傳感器，額定電壓為1 200 V，精度為±0.8%。

（4）位移傳感器電路。位移傳感器又稱為線性傳感器，分為模擬式和數字式兩種。其中模擬式位移傳感器包括了電感式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、電位器式位移傳感器等[4]。本設計中采用LP802系列位移傳感器，該位移傳感器溫度范圍：-65～+105℃；線性度：滿量程的±1%；增量靈敏度：0.001 27 mm；工作力：最大450 g。

2.2 多路ADC電路

為了實現多個傳感器的多通道數據采集，本系統設計中采用了TI公司的一款可以實現8路數據采集的模數轉換器ADS7959[5]。其芯片具有1MSPS的采樣速率，8 bit的分辨率，可實現8通道數據采集；輸入信號采用單端輸入模式，具有串行接口，可以實現與FPGA的連接與控制。

2.3 射頻模塊電路

系統射頻模塊采用了Chipcon公司的CC2420射頻模塊，該模塊傳輸距離最大200 m，碼片速率達2 Mchip/s，數據速率達250 kbps；支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協議；擁有4線串行外部接口SPI。本設計中利用FPGA實現對射頻模塊CC2420的配置。

3 結語

完成了一種油井多通道數據采集系統設計，該設計中采用了多路ADC實現了油溫、油壓、位移、電流/電壓等油井參數的多通道數據采集，利用FPGA實現了采集數據的處理、射頻模塊等的控制。由于FPGA具有并行處理的優勢，同時可編程性強的特點使得處理系統設計具有較強的靈活性，在FPGA內部實現軟件功能設計，以滿足不同系統處理需求。利用了無線數據傳輸技術實現了檢測點與系統終端的數據通信，該設計在油田建設與管理中具有廣泛的實用價值，為數字化、智能化油田建設發展提供了技術支持。

[1]楊涵夫．基于Spring技術的油田生產數據采集系統[J]．油氣田地面工程，2012，31（1）：97-98.

[2]石崇東，李琪，張紹槐．智能油田和智能鉆采技術的應用與發展[J]．石油鉆采工藝，2005，27（6）：1-4．

[3]程璐．大慶油田抽油機自動監控無線數據傳輸系統[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2004.

[4]劉元法．油田鉆井參數實時檢測系統[D]．濟南：山東科技大學，2004．

[5]劉先剛，姜建勝，顧文濱．油田遠程監控系統的應用及展望[J]．小型油氣藏．2009（1）：58-61.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.040