無人值守站遠程監控終端的設計與實現

牟思文（冀東油田陸上油田作業區柳贊聯合站，河北 唐山063200）

面對油田持續增產帶來的基礎設施不斷增加和用工總量有限間的矛盾，需要加大對油田管理的探索，從無人值守站監控終端設計入手，加強數字化應用，建立一個功能多樣化的遠程監管系統，提高設備的自動化程度，同時能提高現場運行智能化、自動化。實踐表明，遠程監控系統的構建，在緩解用工緊張、加強管理時效性方面起到重要作用。

1 數字化應用在無人值守站建設中的應用

以長慶油田自動化建設為例，經歷了井站現場試驗、井站和作業區大面積推廣，最終實現自動化監控基站的全面深化應用。在現場試驗環節，確定了井站和站點的自動化管理標準；在優化改進環節，提高了信息共享程度，實現了多級監控、分散管理，在統一平臺上實施系統化管理；在深化應用階段，注重管理理念進行由點到面、由局部到系統的轉變，采用扁平化的管理模式。隨著無人值守監控終端設計和應用經驗的積累，逐步提高了企業管理平臺建設質量，在多功能平臺下有序開展各項生產作業，有利于提高油田運轉安全性，發揮自動化管理的重要作用。

2 無人值守站遠程監控終端的設計與實現

2.1 總體方案設計

進行無人值守遠程監控終端總體方案設計時，應從無人值守站功能要求出發，考慮油氣田無人值守站的實際情況，運用模塊化設計手段，構建一個功能全面的監控管理系統。其中利用分散調控統一管理的方式，當生產數據傳遞至中心站后，中心站將指令上傳至調度模塊，接受并執行指令。

監控系統采用模塊化思維來設計，主要設計流量計模塊、控制器模塊、供電模塊、攝像頭模塊、檢測模塊、遠程診斷模塊和GPRS 模塊。控制器通過總線和各個現場設備相連接，在信號傳輸通道作用下，讀取測量儀表的流量參數，并將接口和GPRS 模塊相連接，將數據及時上傳至服務器。當檢測模塊檢測到出現異常事件時，會自覺發出中斷信號，這時控制器操控攝像頭拍攝各個設備運行狀態，將拍攝的圖片存儲到控制器數據庫中并獲取圖片數據。管理人員接收到圖片數據后，能有效診斷天然氣站中的入侵問題，并利用語音喊話模塊模式功能，對非法入侵人員作出警告。系統運行主要依靠太陽能供電和電網供電，確保系統連續作業。

表1 無人值守站設備配置情況

傳感器檢測設備電源設備溫度傳感器壓力傳感器智能流量儀表攝像頭探測器太陽能控制器蓄電池1-3 1-3 1-3 1 1 1 1

2.2 通信方案設計

油氣田無人值守站站點數量較多，并且位置分散，使得遠程監控系統在無人值守站管理中實現了廣泛推廣，可利用移動網絡上傳系統運行數據，下達控制指令，進而實現遠程監管和控制的功能。由于GPRS網絡具有低時延、實時控制的優點，能通過控制器同時處理不同站點的管理作業，符合人們對遠程監控系統功能的要求。在組網方式方面，可采取服務客戶端的設計方法，在調度中心設置專門的服務器設備，進行網絡終端和服務器間的有效連接，發揮GPRS 網絡的狀態檢測和數據傳輸等功能。常見組網方式包括以下幾種。

（1）使用固定IP的方式。遠程監控終端按照協議主動連接服務器并上傳數據。這種方案能保證系統運行穩定性，但增加了建設成本。

（2）采用動態IP地址+域名解析的設計方法，服務器和服務商連接并開通域名，遠程監控中斷按照域名解析方式和服務器相連接，之后在服務器作用下找出動態IP，建立有效連接。這種組網方式節約了通信網絡建設成本，但是穩定性較差，通常用于小規模的通信系統中。

2.3 硬件設計及功能實現

系統中處理器型號的選擇主要考慮外設種類、運算效率、可擴展性、技術支持以及成本等要素，文章選擇微控制器lpc1768作為處理器，具有低能耗、高度集成的優點。這一控制器性能良好，主頻能達到100MHz，同時具有足夠的存儲空間和外部接口。在GPRS模塊設計上，本文選擇性能穩定、功能多樣化、故障率低的MC52IR3無線模塊，將其運用到無線數傳、智能公交中，可保證數據的可靠傳輸。并且這一無線模塊的環境適應性較強，便于模塊設計和利用。在處理器模塊設計方面，其作為遠程控制系統的核心部件，要保證其功能性良好，處理器中使用的時鐘源，選擇輸出頻率為72MHz 的時鐘，能和其他時鐘源共同使用[1]。

電源模塊能將外部電壓轉換成符合系統運行要求的電壓值，并維持電壓穩定性，確保電能的持續供應，整個電路系統中包括較多芯片，對電壓提出不同要求。如GPRS 網絡模塊要求電壓范圍在3.6～4.2V，MUT供電值為3.3V，無人值守站提供的電壓是24V，因此，系統中電源模塊往往采用LDO、DCDC 電源相結合的方式。其中DCDC負責高壓轉換，將外部電壓轉變成4.2V 的輸出電壓，保證GPRS 網絡正常作業；LDO 負責將4.2V電壓轉換成3.3V電壓。DCDC運行效率較高，轉換效率達70%以上，滿足系統運行中的電源需求，但這一電源運行中的電壓波動大，會影響系統功能。進行存儲模塊設計時，可采取以下方式：一是使用片外Flash 存儲器，發揮其價格便宜、存儲量大的優點，適用于存儲大齡數據信息。本文選用的flash 存儲器WieW25Q64B，通信速度達到104MHz，可有效存儲系統運行中的流量數據；二是SD卡存儲器，它被廣泛運用到遠程控制系統中，容量達到GB 級別，讀取數據的速度較快，為文件數據傳輸提供了支持，可在計算機中直接查看相關文件。本次系統中采用了SPI 的通信方法，用于存儲拍攝的圖片和系統運行日志。進行通信接口設計時，可進行RS4585接口設計，能滿足多個設備同時連接的要求，增強系統運行可靠性。

2.4 軟件設計及功能實現

在無人值守站遠程監控系統的軟件設計上，本文采取C語言設計方法，開發工具選擇集成開發工具，研發出多功能的監控系統。終端軟件采取嵌入式操作軟件的編寫方法，對其進行任務分配，確保每個任務獨立完成，可將監控系統任務分成執行任務、出發任務積累。本次系統設計，將運行任務具體劃分成初始化任務、采集任務、傳輸任務、解析任務、檢測任務、更新任務幾種。對于初始化任務來說，負責對系統硬件進行初始化，當系統啟動后開始執行，并在完成后刪除任務；對于數據采集任務來講，主要負責有規律的采集流量儀器數據信息，將采集的數據傳輸至GPRS網絡中。油氣田現場配置了多個儀表設備，進行數據采集時，應選擇查詢相應方式，依次采集各個儀表的數據，在進行數據解析后將其轉換成數據幀。

在查詢某一儀表設備時不發生反應，則重新查詢，如果查詢多次仍無響應，應上傳報警信號；在數據上傳任務方面，主要負責讀取GPRS隊列中需要發送的數據，將其反饋至服務器，同時要與服務器相連接。監控系統的數據信息利用GPRS網絡傳遞至服務器，該網絡模塊的語音業務較好，需要定期向GPRS傳送一個數據包，使其業務能力保持在較高級別，保證信息傳遞有效性。本文采用固定IP，RTU 與服務器相連的組網方式，當數據通道斷開時，則RTU 自動連接服務器，并想網絡模塊發送心跳包；在檢測任務方面，通過設置攝像頭能實現對現場的實時監控，在出現非法入侵情況時抓拍現場圖像并發送報警信號。將圖片數據存儲到SD 存儲器中，建立一個和服務器的數據連接，并將數據傳輸到服務器中，確保管理人員能實時查看現場圖像，是提高遠程監控系統功能性的關鍵。

3 結語

綜上所述，隨著油田建設信息化水平的不斷提高，數字化油田的概念被更多人所接受。在油田行業中，構建無人值守遠程監控系統進行管理，能實現數字化技術和油田管理相結合，本文具體介紹了油田無人值守站監控終端的設計和實現路徑，真正落實自動化油田的發展理念。