水位遠程監(jiān)測技術(shù)在深井上的應用

李東力 徐建民 孫啟明 郭書強

（1.大慶油田水務公司；2.大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心）

大慶油田水務公司制水一公司，擔負著油田工業(yè)和居民用水的主要任務。如何及時準確的監(jiān)測水源深井水位，對于水源提高深井運行管理水平以及節(jié)能降耗至關(guān)重要。現(xiàn)有的深井水位檢測方法是利用測繩手工測量，由于揚水管和井壁之間空間狹窄，難以實現(xiàn)。為了及時準確掌握深井水位，采用遠程監(jiān)測技術(shù)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸通道自動采集數(shù)十公里以外的水源深井水位數(shù)據(jù)。

1 主要研究內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵點

如何及時有效地測量深井水位，是多年來一直困擾大慶油田水務公司水源生產(chǎn)管理的技術(shù)難題。各水源的深井水位測量一直采用人工方式，存在測量周期長、數(shù)據(jù)更新不及時的問題，特別是水源深井大多數(shù)都下過二次套管，井徑縮小，且受法蘭盤、電纜等障礙物的影響，經(jīng)常導致測繩卡線無法下入，造成無法有效監(jiān)測深井水位的困難。由于不能及時地掌握深井的水位數(shù)據(jù)信息，一些水源的深井潛水泵下深不合理，潛水泵安裝深度只能靠經(jīng)驗和感覺完成。在水源深井中，動水位從10~50m不等，如果下泵位置在動水位以上，則可能引起抽空造成燒泵的事故。在實際安裝時常將潛水泵下深至遠遠低于動水位以下的位置，這樣既加長了揚水管和電纜的長度又要選用揚程偏高的潛水泵，造成材料成本和電量的嚴重浪費。因此，水位遠程監(jiān)測技術(shù)在深井管理中的應用，使管理人員能夠及時準確掌握深井水位數(shù)據(jù)，對于深井泵的維護以及水源站的降低成本、經(jīng)濟運行等方面有著比較重要的意義。

主要研究內(nèi)容：在主控中心的監(jiān)控主機上能夠通過無線數(shù)據(jù)傳輸通道，隨時自動或手動向深井的遠程數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送命令，深井數(shù)據(jù)采集終端接收到命令后，把所采集到的深井動靜水位信號，及時準確的通過無線數(shù)據(jù)傳輸通道遠傳到十幾公里以外的水源值班室的監(jiān)控主機上。

關(guān)鍵技術(shù)是：在W indows平臺上開發(fā)設計、基于V isualB asic的監(jiān)測系統(tǒng)的應用程序。以及深井數(shù)據(jù)采集終端技術(shù)和無線數(shù)據(jù)傳輸通道接口技術(shù)的開發(fā)與應用。

2 水位遠程監(jiān)測技術(shù)方案研究[1]

深井水位監(jiān)測系統(tǒng)包括監(jiān)控軟件和硬件設備，其中硬件設備由兩大基本部分組成：上位計算機監(jiān)控單元和深井遠程數(shù)據(jù)采集終端單元。監(jiān)控系統(tǒng)中央控制單元由工業(yè)計算機及通訊控制器組成，遠程終端單元（R T U）由終端執(zhí)行器及通訊設備組成。

2.1 深井水位自動監(jiān)測技術(shù)方案設計

深井無線監(jiān)測系統(tǒng)采用無線通訊方式實現(xiàn)監(jiān)控站與深井終端的數(shù)據(jù)通訊，通過編程指令控制現(xiàn)場設備，利用各種變送器、傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件的組成如圖1所示。

圖1 無線監(jiān)控系統(tǒng)控制端及執(zhí)行端

水源監(jiān)控中心由工業(yè)控制計算機、中央控制器、無線數(shù)據(jù)傳輸電臺單元構(gòu)成。每口深井遠程執(zhí)行終端由數(shù)據(jù)采集終端、無線數(shù)據(jù)傳輸電臺單元、液位傳感器等數(shù)據(jù)采集設備構(gòu)成。

2.2 深井水位監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)控中心計算機應用軟件的研究與設計

在深井水位自動監(jiān)測系統(tǒng)中，應用軟件的設計是整個監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵，軟件應具有數(shù)據(jù)采集、存儲、解析及顯示功能，要有較高的運行穩(wěn)定性、良好的可操作性及易維護性。監(jiān)控軟件都通過數(shù)據(jù)通訊設備與遠程終端（R T U）進行通訊，發(fā)送相關(guān)指令實現(xiàn)控制遠程終端設備、讀取設備的運行參數(shù)的功能。將系統(tǒng)所需的設備運行數(shù)據(jù)以友好、易操作的人機界面顯示出來為運行人員提供參考，如深井運行參數(shù)、相關(guān)報警信息、水位數(shù)據(jù)等。監(jiān)控系統(tǒng)軟件由用戶直接操控，其操作性能及穩(wěn)定性的優(yōu)劣影響著用戶對于監(jiān)控系統(tǒng)的評價及信賴程度。

1）軟件功能設計。軟件設計以用戶實際需求為依據(jù)，主要實現(xiàn)以下功能：

◇深井監(jiān)測系統(tǒng)采集水位數(shù)據(jù)信號功能。采集水位數(shù)據(jù)信號是水源深井水位監(jiān)測系統(tǒng)的一項基本功能，主要是通過無線采集模塊（R T U +D T U）將深井相關(guān)數(shù)據(jù)信息采集回來并存儲到數(shù)據(jù)庫中，方便管理人員調(diào)用、查詢。

◇深井監(jiān)控系統(tǒng)井群分布界面。在監(jiān)控界面中建立井群分布總圖，能夠顯示每口深井運行數(shù)據(jù)，如水位數(shù)據(jù)、深井泵運行狀態(tài)、報警信息等。值班室崗位監(jiān)控人員可通過監(jiān)控畫面清楚地知道每一口深井的位置以及相關(guān)信息，并且能進入單井查詢界面。

◇水源深井遠程監(jiān)控功能。操作人員能夠通過計算機界面方便地進行各種操作。可方便地進行各頁面之間的切換進行單井檢測、井群操作及手、自動巡檢等功能。

◇實時數(shù)據(jù)顯示及歷史數(shù)據(jù)查詢功能。監(jiān)測系統(tǒng)能夠顯示水位的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，值班人員可隨時根據(jù)需要查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

◇數(shù)據(jù)曲線顯示功能。為方便水源地質(zhì)監(jiān)測人員對動靜水位的變化趨勢進行分析，本系統(tǒng)可將水位數(shù)據(jù)繪制成曲線，能夠顯示水源每口深井的水位數(shù)據(jù)曲線，如實時數(shù)據(jù)曲線、歷史（日、月、年）數(shù)據(jù)曲線。使管理人員對水位的變化趨勢有一個直觀的認識，方便管理人員對動靜水位的變化進行分析。

◇深井參數(shù)錄入、存儲及查詢的功能。可以手工錄入深井參數(shù)。如深井投產(chǎn)年代、井深、試水量、泵下深、水位降深、潛水泵型號、實際產(chǎn)水量、輸入功率、效率、取水單耗等數(shù)據(jù)。

◇深井水位超限報警功能。可以輸入上下限報警水位，并能顯示報警原因。值班人員可以根據(jù)每口深井的水位情況，設定水位上下限報警，當水位超過警戒線時，計算機能夠發(fā)出聲光報警。

2）系統(tǒng)應用軟件的設計與實現(xiàn)。系統(tǒng)監(jiān)控界面采用V isualB asic6.0專業(yè)版程序編譯語言編制，該編譯程序是基于B asic語言的程序設計語言，它具有界面建立較容易，易于上手、功能強大的特點[2]。根據(jù)監(jiān)控軟件所具有的不同功能，分別進行開發(fā)編制，采用模塊化方式將程序分為六大功能塊，做到軟件結(jié)構(gòu)清晰，程序具有易修改、易移植等特點，方便日后的維護及系統(tǒng)的升級工作。

◇內(nèi)核模塊設計。內(nèi)核模塊在該監(jiān)控軟件中起到十分重要的作用，它是監(jiān)控程序運行的主模塊，具有軟件運行初始化的功能，可以創(chuàng)建當天的數(shù)據(jù)庫，進行通訊端口參數(shù)設置、數(shù)據(jù)傳輸、存儲等。根據(jù)不同的事件函數(shù)實現(xiàn)不同的功能。D ata-A rrived、CheckW ell和S endO rder是事件接口函數(shù)，當其他模塊執(zhí)行事件函數(shù)時引發(fā)該事件執(zhí)行。在設計內(nèi)核模塊時，主要考慮到如下因素：控制方式的設計、界面設計要簡單化、防止用戶的誤操作等方面的因素。

◇通訊模塊設計。通訊模塊主要完成對中央控制器的通訊功能。通訊模塊的主要函數(shù)G etControlD ata、G etD ata、D ataA rrived、O nComm。其 中G etControlD ata、G etD ata和D ataA rrived是事件接口函數(shù)，由內(nèi)核模塊傳遞來的相應數(shù)據(jù)信息引發(fā)事件執(zhí)行，可進行控制指令發(fā)送、數(shù)據(jù)信息讀取及對數(shù)據(jù)進行解析，將解析后的深井數(shù)據(jù)通過接口函數(shù)D ataA rrived向內(nèi)核模塊傳遞參數(shù)。PressR atio函數(shù)是水位數(shù)據(jù)變換函數(shù)可將1~5 V 的數(shù)據(jù)變換為深井動靜水位數(shù)據(jù)。

◇水位顯示界面設計。水位顯示界面主要完成對深井水位信息的動態(tài)顯示功能。該窗體添加一個Checkbox控件、3個O ptionB utton控件4 個ComboB ox控件用于單井及水位曲線周期的選擇，另有3個按鈕（CommandB utton）控件實現(xiàn)曲線顯示、返回上一層和退出的相關(guān)功能。曲線顯示功能是采用V B 編程工具提供的PictureB ox控件，利用程序?qū)ζ溥M行坐標重構(gòu)。將其橫坐標變換成需要的周期時間（日、月、年）。根據(jù)所選周期的不同調(diào)用不同的數(shù)據(jù)庫，同時根據(jù)不同的深井運行狀態(tài)下的水位數(shù)據(jù)應用不同顏色顯示在水位曲線中，從而實現(xiàn)深井動靜水位曲線顯示功能。

3 應用實施及效果

水源深井水位數(shù)據(jù)遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，硬件部分主要工作是在每口深井安裝R T U 數(shù)據(jù)采集終端，并加裝一個投入式液位傳感器及一塊二次顯示表，現(xiàn)場調(diào)試監(jiān)測終端程序及電纜敷設等工作。

軟件部分主要工作是在監(jiān)控中心計算機上設計良好的監(jiān)控軟件。具有友好的人機界面，能夠把所采集到的數(shù)據(jù)進行整理、分析和保存；能夠自動或手動下達控制命令，完成深井水位監(jiān)測過程等功能。

此水源深井水位數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場運行證明：運行穩(wěn)定可靠、采集數(shù)據(jù)及時準確，監(jiān)測系統(tǒng)所采集的動靜水位數(shù)據(jù)準確率較高，誤差在0.5%以內(nèi)，能夠達到實際生產(chǎn)需求。

4 應用效益

隨著水源自動化技術(shù)應用程度的越來越高，其生產(chǎn)過程越來越依賴于自動化系統(tǒng)，水源地深井水位遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)的應用，有效提高了水文地質(zhì)信息的監(jiān)測手段，達到了節(jié)省勞動力縮短檢測周期的目的。深井水位自動監(jiān)測技術(shù)在提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)能降耗、保證安全、穩(wěn)定生產(chǎn)運行等方面起到了舉足輕重的作用，并且取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

4.1 經(jīng)濟效益

深井動靜水位監(jiān)測技術(shù)的應用極大提高了水源供水生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

1）深井泵下深會比較合理，單口深井取水單耗由0.33kW h/m3降低到0.29kW h/m3以下，年節(jié)電10×104kW h。

2）能夠選擇合理揚程的潛水泵，提高了機泵的運行效率。

3）因為減少了揚水管及潛水泵電纜的長度，節(jié)約了修井成本，每口井能節(jié)約揚水管和動力電纜10m左右，節(jié)約資金3000元以上。

4）動靜水位自動監(jiān)測技術(shù)的應用，降低了人工成本。

4.2 社會效益

水源動靜水位遠程檢測技術(shù)的應用，有效提高了水文地質(zhì)信息的監(jiān)測手段、提高了地下水源管理水平、降低企業(yè)生產(chǎn)運行成本，達到了降低勞動強度、節(jié)省勞動力、縮短檢測周期的目的。為水務公司安全、穩(wěn)定經(jīng)濟運行提供了技術(shù)保障。

5 結(jié)束語

實踐表明，水位遠程監(jiān)測技術(shù)在深井上的應用，有效地解決了水源存在測量深井水位困難的實際問題，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益。水位監(jiān)測技術(shù)的應用，實現(xiàn)了深井水位監(jiān)測方法的科學性、合理性。水源深井水位數(shù)據(jù)遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)，是一個監(jiān)測和控制的智能系統(tǒng)，適用于遠距離采集傳輸深井運行數(shù)據(jù)的場合。水源深井水位數(shù)據(jù)遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)是在運用現(xiàn)代先進的遠程數(shù)據(jù)通訊技術(shù)實現(xiàn)完成的。該系統(tǒng)技術(shù)先進、自動化程度較高，在目前國內(nèi)供水行業(yè)中的地下水資源管理方面處于領(lǐng)先地位。通過實際應用表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，監(jiān)測效果較好，達到了預期的設計目的。這一系統(tǒng)的研發(fā)應用，對于地下水資源的長效管理和合理開發(fā)利用，以及在降本增效方面將發(fā)揮重要作用，同時對這一系統(tǒng)只要稍加開發(fā)，就可用于水源深井的壓力和流量等一些其它參數(shù)的檢測和傳輸，具有良好的推廣應用前景。水位數(shù)據(jù)遠程無線監(jiān)測技術(shù)將會在供水行業(yè)得到越來越廣泛的應用。

[1]王仲文.工程遙控遙測技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1991:1-60.

[2]MicrosoftCorporation.VisualBasic6.0中文版語言參考手冊[M].北京:北京希望電腦公司,1998:50-200.