【摘　要】　給出了一種能實時遠(yuǎn)程測控油田注水設(shè)備的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用工控PC作上位機(jī)，以多個AT89C52單片機(jī)為下位機(jī)，上、下位機(jī)通過RS－485連接構(gòu)成總線型網(wǎng)絡(luò)。
??? 關(guān)鍵詞：注水系統(tǒng)，RS┐485，AT89C52，自動測控
　　
　　目前，我國油田工業(yè)自動化程度較低，油田生產(chǎn)中的重要部門注水站一直由工作人員日夜在戶外監(jiān)視其狀態(tài)，注水泵機(jī)組在工作時，處于高電壓、高電流、高液壓的狀態(tài)，一旦有異常極易釀成重大事故，如泵機(jī)開裂、爆炸、盤根刺水、電機(jī)和泵軸承以及軸瓦過熱燒損、泵體振動過大等，甚者導(dǎo)致人員傷亡；另外，由于輸送管線距離長，偷水、偷油的現(xiàn)象時有發(fā)生。因此，研制注水站微機(jī)測控系統(tǒng)對于油田提高工作效率、減少經(jīng)濟(jì)損失、保障安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。
1　注水站工作、安全防范要求
??? 某油田注水站井、泵布局圖及編號，如圖1所示。
　　其中，栓塞泵是注水站的關(guān)鍵設(shè)備，其功能是給地下高壓注水，以保持足夠的地下油壓，本站有7個泵。注水泵與單井、匯管聯(lián)合工作構(gòu)成油田注水站注水系統(tǒng)。要求系統(tǒng)能夠?qū)σ韵略O(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測與控制：
??? （1）高壓栓塞泵機(jī)組
　　·栓塞泵出口壓力實時監(jiān)測及上限報警并可以自動停泵；
　　·電機(jī)溫度實時監(jiān)測及上限報警，可以自動停泵；
　　·電機(jī)三相電流實時監(jiān)測及上、下限報警，可以自動停泵；
??? ·電壓實時監(jiān)測及上、下限報警；
　　·曲軸箱溫度實時監(jiān)測及上、下限報警并可以自動停泵；
??? ·盤根刺水實時監(jiān)測及報警；
??? ·振動實時監(jiān)測及報警并可以自動停泵。
??? （2）單井、停注井
??? ·壓力實時監(jiān)測及上、下限報警；
??? ·停注井瞬時流量監(jiān)測及上、下限報警；
??? ·累積流量實時監(jiān)測；
??? ·盜水報警。
　?。?）常、高壓匯管壓力的實時監(jiān)測及上、下限報警。 2　系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)
　　在工控設(shè)計中，以單片機(jī)為主體構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，其附加電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠，并且多種微處理芯片中都集成了串行通信接口，使用這些串行通信接口和RS－485接口驅(qū)動芯片就可以構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡單，靈活性好，價格低，易于控制，傳輸距離可以達(dá)到1200米以上等優(yōu)點?！　?br>　　本系統(tǒng)就是以總線傳輸形式，外掛測量終端（最多可達(dá)32臺），由上位機(jī)統(tǒng)一管理的多結(jié)構(gòu)雙向式測控系統(tǒng)，每個栓塞泵各配備一套數(shù)據(jù)測控終端和一套智能流量積算儀，每個單井配備有一套流量積算儀、全部單井配備兩套壓力數(shù)據(jù)采集終端，前端均為各參量的測量變送器。值班室配有一臺工業(yè)控制計算機(jī)，并利用原來的交直流控制結(jié)構(gòu)組成完整的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理與控制系統(tǒng)。
2．1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃終端為數(shù)據(jù)測控終端，除15＃、16＃用于測量兩個匯管及8口單井的壓力外，其余都用于測量注水泵的參數(shù)。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃終端為智能流量計，前7個用于測量7個泵的瞬時、累積流量，后8個用于測量8口井的流量。
2．2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
??? 系統(tǒng)按結(jié)構(gòu)分為以下幾部分：
??? （1）現(xiàn)場的傳感器與變送器部分
　　設(shè)備所需的測控值與傳感器、變送器的對照表見表1。
??? （2）現(xiàn)場的數(shù)據(jù)測量終端與流量積算儀
　　·現(xiàn)場的每臺栓塞泵除流量變送器信號進(jìn)流量積算儀外，其他的變送器信號均進(jìn)數(shù)據(jù)測量終端，即每臺栓塞泵有一個數(shù)據(jù)測量終端與一個智能流量積算儀。
　　·現(xiàn)場的所有單井的壓力與高壓匯管、常壓匯管的壓力共用兩個數(shù)據(jù)測量終端。
??? ·現(xiàn)場的每口單井各有一個智能流量積算儀，
智能流量積算儀具有獨(dú)立的總線接口，它可以直接上傳測量的瞬時流量值與累積流量值給電腦工作站。
??? （3）交直流控制部分
　　交直流控制部分利用原有的控制元件對栓塞泵進(jìn)行停泵控制。
??? （4）電腦工作站（位于值班室）
　　接收數(shù)據(jù)測量終端與智能流量積算儀上傳的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算、分析，可以顯示測量值、報警值及設(shè)定報警限值，須能夠根據(jù)用戶的要求及時控制停機(jī)并形成數(shù)據(jù)報表供打印輸出。
3　系統(tǒng)實現(xiàn)
　　系統(tǒng)實現(xiàn)分為以下三步：
3．1　確定系統(tǒng)上位機(jī)與各測控設(shè)備的通信協(xié)議和　　幀結(jié)構(gòu)3．1．1　主機(jī)發(fā)
??? （1）給終端機(jī)的寫操作（發(fā)控制命令）　　FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校驗和求反　　
　?。▽懀┲鳈C(jī)地址從機(jī)地址
??? （2）給終端機(jī)的讀操作（要數(shù)據(jù)）
　　FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校驗和求反　　
　?。ㄗx）主機(jī)地址從機(jī)地址
??? （3）給流量表的讀操作（要數(shù)據(jù)）
　　FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校驗和求反　　
　　（讀）主機(jī)地址從機(jī)地址3．1．2　從機(jī)響應(yīng)
　?。?）給主機(jī)發(fā)數(shù)據(jù)（即接到“83H”（讀）回答）表1 　　FRAME－HEADER2，83H，XXH，01H，XXH，F(xiàn)RAME－DATA，校驗和求反　　
　　從機(jī)地址主機(jī)地址數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)要上傳的第一組回傳數(shù)據(jù)
FRAME－DATA結(jié)構(gòu)見表2。
　?。?）接主機(jī)的控制命令（即接到“81H”（寫）控制命令碼）
　　FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校驗和求反　　
　　從機(jī)地址主機(jī)地址3．1．3　幾點說明
　　以上地址與數(shù)據(jù)為BCD碼，高位在前、低位在后；
　　校驗和求反為從FDH（包含F(xiàn)DH）到校驗和之前的各字節(jié)代數(shù)和再求反；
　　通訊速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位數(shù)據(jù)位，無校驗。
3．2　硬件設(shè)計
3．2．1　數(shù)據(jù)測控終端機(jī)原理
??? 數(shù)據(jù)測控終端機(jī)原理圖如圖3所示。
　　此數(shù)據(jù)測量終端是以單片機(jī)為核心，輔以高精度A／D轉(zhuǎn)換器制造而成的高精度、高可靠性、功能齊全的智能化數(shù)據(jù)采集終端。該機(jī)設(shè)有程序隨機(jī)存儲器（EEPROM）及程序看門狗電路，保證了數(shù)據(jù)存貯與傳輸?shù)目煽啃?。該機(jī)可巡檢8～32路的模擬量，8路的開關(guān)量，同時又具有4路的控制量輸出；設(shè)有RS485總線接口，方便了數(shù)據(jù)的傳輸，可以隨時接收上位機(jī)發(fā)來的控制命令。測量終端可以顯示每路的測量值，平時測量終端輪流顯示8路模擬測量值與3位開關(guān)量測量值。本機(jī)地址通過鍵盤設(shè)置。
??? 數(shù)據(jù)測控終端程序框圖如圖4所示。 3．2．2　智能流量積算儀原理
??? 智能流量積算儀原理圖如圖5所示。　 　　智能流量積算儀是以高性能、低功耗的COMS單片機(jī)和寬溫度范圍的液晶顯示器為核心，以＋24V電源或電池供電的高技術(shù)、高精度的智能流量積算儀，可根據(jù)不同口徑設(shè)置系數(shù)K，以便提高計算和顯示的精度；可直接接收頻率信號，也可通過加附件接收模擬信號；可根據(jù)用戶需要設(shè)置參數(shù)；具有四種輸出方式（即頻率量輸出、脈沖報警、模擬量輸出和485接口）；具有小數(shù)點移位功能，從而實現(xiàn)了與任何口徑的流量計的配套使用；反應(yīng)靈敏、計算精確、操作簡便、工作可靠、維修量少。該智能流量積算儀防爆標(biāo)志為dⅡBT4，可以在具有爆炸危險的場所使用。
??? 流量積算器計算公式：
??? 累積流量：Q累＝N／（1000×K）；單位m3
??? 瞬時流量：Q瞬＝3．6×f／K；單位m3／h
??? 其中：
??? f—脈沖頻率（Hz）；
??? K—儀表常數(shù)（脈沖／升）；N—脈沖數(shù)。
　　數(shù)據(jù)測控終端程序框圖如圖6所示。
3．3　上位機(jī)軟件設(shè)計
　　為了值班工人能從軟件畫面中迅速直觀地獲得各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并控制設(shè)備，軟件主要采用現(xiàn)場平面圖與獨(dú)立設(shè)備流程圖結(jié)合的GUI（圖形用戶界面）來測控?，F(xiàn)場平面圖畫面中17個設(shè)備按鈕分布圖同現(xiàn)場設(shè)備分布完全相同，并輔以24個終端與設(shè)備的連線圖及相應(yīng)的控制，而且動畫顯示了上下通訊的情況，注水泵、單井、匯管的開關(guān)狀態(tài)等信息，點擊設(shè)備按鈕，即可進(jìn)入相應(yīng)設(shè)備的工作流程圖。在單個設(shè)備畫面中，動畫地顯示設(shè)備的工作運(yùn)行流程，實時顯示此設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，在密碼確認(rèn)后可設(shè)置報警上下限、停機(jī)門限等參數(shù)，可查看此設(shè)備的報警歷史信息。當(dāng)設(shè)備或終端出現(xiàn)異常或狀態(tài)改變時，在相應(yīng)畫面的相應(yīng)位置上會出現(xiàn)警告或變動。情況緊急時，軟件會按照預(yù)先安排的處理方案自動處理，準(zhǔn)確及時地排除險情。為了使值班人員，尤其是夜班人員能夠注意到異常情況的發(fā)生，報警模塊通過屏幕閃爍、不斷發(fā)出報警聲音、彈出報警信息等手段提醒情況的發(fā)生。技術(shù)人員可在工具欄選項中獲得更詳細(xì)的通信細(xì)節(jié)資料，從而方便了檢修調(diào)試。
　　在打印模塊中，通過程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)庫、報表與操作員間的靈活接口，解決了普通計算機(jī)報表形式單一的問題，并能方便地通過選擇時間、設(shè)備等關(guān)鍵信息查看或打印相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)。
??? 軟件流程圖如圖7所示。
　　本系統(tǒng)實現(xiàn)了油田注水站的自動化管理，可以在無人值守的情況下遙控有故障的栓塞泵停止工作，可根據(jù)現(xiàn)場的異常情況進(jìn)行相應(yīng)的報警，并可通過停注井的壓力檢測及時發(fā)現(xiàn)水、油盜竊的現(xiàn)象，確保了注水系統(tǒng)的安全性、可靠性，從而全面實現(xiàn)了所需的各項指標(biāo)和技術(shù)要求。此外，本系統(tǒng)還具有許多優(yōu)點。首先，系統(tǒng)終端機(jī)具有數(shù)據(jù)采集、顯示、傳輸及控制的功能，設(shè)有EEPROM掉電保護(hù)及程序看門狗電路，保證參數(shù)設(shè)置不會丟失。其數(shù)據(jù)測控終端是一種多功能、可廣泛使用在各種工業(yè)自動化控制場所的設(shè)備。其次，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用隔離技術(shù)的RS485接口，可靠性高，誤碼率低于10－6的用戶界面，簡單直觀；在值班室可隨時調(diào)看需要的各種設(shè)備工作參數(shù)；可設(shè)置各參量的報警上下限值和停泵極

　

限值，以便根據(jù)用戶的要求控制停泵；可查看報警的歷史記錄及設(shè)備工作歷史記錄，并可形成報表打印。該系統(tǒng)在油田測控領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，具有良好的推廣潛力。
1　何立民．單片機(jī)應(yīng)用文集．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993
2　李　華．MSC－51系列單片機(jī)使用接口技術(shù)．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1999
3　張振榮，晉明武，王毅平編著．CS51單片機(jī)原理及應(yīng)用技術(shù)．北京：人民郵電出版社，2000