丁鵬飛

DING Peng-fei

（西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院，西安 710121）

0 引言

在油田的采油生產(chǎn)過(guò)程中，油井的井下管柱和集油管線由于結(jié)蠟、結(jié)垢、腐蝕等影響，造成油井生產(chǎn)不正常或井口回壓高等諸多問(wèn)題。目前采用常采用的加藥方式是使用人工簡(jiǎn)易帶壓密閉加壓裝置將定量藥劑由油套環(huán)形空間一次性加入，個(gè)別加藥區(qū)也采用加藥車定時(shí)加藥。人工加藥存在的弊端是一次性快速投加不能連續(xù)發(fā)揮藥效，純?nèi)斯げ僮?，工人勞?dòng)強(qiáng)度大，加藥作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)；加藥車加藥動(dòng)用人員多、車輛多，管理難度大，不符合油田數(shù)字化管理需要。因此，開(kāi)發(fā)出一種具備遠(yuǎn)程控制和加藥記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集的加藥機(jī)控制器具有廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。

本文基于GPRS(general packet radio service，通用分組無(wú)線業(yè)務(wù))無(wú)線網(wǎng)連接技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程升級(jí)和加藥記錄數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集的加藥控制器。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸作為遠(yuǎn)程監(jiān)控有效手段的環(huán)境下，加藥機(jī)控制器的研究成果對(duì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化的工業(yè)控制產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)具有重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

1 系統(tǒng)總體方案

本文介紹的加藥機(jī)控制器以STM32F207VB為核心構(gòu)成檢測(cè)和執(zhí)行單元，檢測(cè)和執(zhí)行單元通過(guò)串口與GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)GPRS模塊向檢測(cè)和執(zhí)行單元發(fā)送控制、查詢等命令；檢測(cè)和執(zhí)行單元通過(guò)GPRS模塊向遠(yuǎn)程控制中心上傳儲(chǔ)藥箱的藥量、加藥時(shí)間等參數(shù)信息。檢測(cè)和執(zhí)行單元是加藥機(jī)控制器的核心部分，該單元利用儲(chǔ)藥箱液位計(jì)采集儲(chǔ)藥箱液體的容量，通過(guò)儲(chǔ)藥箱選通控制閥島和出口選通控制閥島控制儲(chǔ)藥箱向油井加藥，加藥機(jī)控制器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 加藥機(jī)控制器結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)和執(zhí)行單元是加藥機(jī)控制器的核心部分，通過(guò)GPRS無(wú)線模塊接收實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程中心的控制命令和執(zhí)行油井的加藥操作；FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)加藥機(jī)的歷史信息和控制參數(shù)信息；選通控制閥島驅(qū)動(dòng)電路控制儲(chǔ)藥箱液體的輸出和油井輸入管道的開(kāi)啟與閉合，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測(cè)控制單元電路結(jié)構(gòu)圖

2.1 電源處理電路

為了使控制器適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，外部采用適配器供電，內(nèi)部利用穩(wěn)壓芯片實(shí)現(xiàn)二次穩(wěn)壓。適配器輸入的5V電壓，通過(guò)HT7533[1]穩(wěn)壓芯片為處理器和GPRS模塊提供3.3V電源。

2.2 看門狗電路

看門狗電路采用MAX823芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片可手動(dòng)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)?？撮T狗電路為系統(tǒng)提供保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)由于干擾等原因出現(xiàn)故障而停止“喂狗”時(shí)，看門狗使系統(tǒng)復(fù)位，避免系統(tǒng)進(jìn)入死循環(huán)而提高系統(tǒng)的可靠性。

2.3 處理器模塊

處理器采用32位STM32F207VB芯片，該處理器是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基ARM的32位Cortex-M3內(nèi)核的處理器，其自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器使Flash存儲(chǔ)器的程序可無(wú)等待執(zhí)行，時(shí)鐘頻率高達(dá)120MHz。集成了3路12位A/D轉(zhuǎn)換器，2路12位D/A轉(zhuǎn)換器，通用DMA控制器和定時(shí)器。該處理器具有128K程序存儲(chǔ)器和64K SRAM，支持I2C、SPI、CAN等通信方式，提供了10M/100M以太網(wǎng)訪問(wèn)接口。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用華為的EM310 GSM模塊[2]，該模塊提供電源接口，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)接口，標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口。短消息業(yè)務(wù)所提供的短信息模式為TEXT模式和PDU模式；GPRS采用GPRS CLASSS 10協(xié)議，最大下行傳輸速率為85.6kbps，最大上行速率為48.2kbps，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，支持多鏈接，提供ACK應(yīng)答，且提供大容量緩存。支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令[3]。GPRS模塊與STM32F207VC處理器通過(guò)串口進(jìn)行通信。

2.5 時(shí)鐘模塊

為提高傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及對(duì)系統(tǒng)工作狀況的準(zhǔn)確記錄，需要系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息，因此，時(shí)鐘模塊必須能提高準(zhǔn)確的時(shí)間信息。時(shí)鐘模塊采用NXP公司生產(chǎn)的PCF8563時(shí)鐘芯片，設(shè)計(jì)電路如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘模塊電路

在圖3所示的時(shí)鐘模塊電路中，P1為鈕扣電池，當(dāng)系統(tǒng)系統(tǒng)掉電時(shí)，由P1向時(shí)鐘芯片提供工作電源，保證PCF8563時(shí)鐘芯片長(zhǎng)期可靠工作，從而保證時(shí)間信息的可靠性。

2.6 選通控制閥島驅(qū)動(dòng)電路

在選通控制閥島驅(qū)動(dòng)電路中，繼電器U17的J12_2和J12_3通過(guò)輸出接口J12連接到儲(chǔ)油箱閥島的控制端，控制儲(chǔ)油箱的開(kāi)啟與閉合；繼電器U18的J13_2和J13_3通過(guò)輸出接口J13連接到出口選通閥島控制油井加藥管道的開(kāi)啟與閉合。繼電器的控制輸入信號(hào)由處理器STM32F207VC的輸出信號(hào)KGOUT0、KGOUT1經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003后進(jìn)行控制，電路中的D13、D14為發(fā)光二極管，用于指示控制信號(hào)的狀態(tài)。一個(gè)儲(chǔ)藥箱和一口油井的閥島驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖4 選通閥島控制電路

在圖1所示的加藥機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖中，加藥機(jī)控制器控制N個(gè)儲(chǔ)藥箱和N個(gè)油井，因此，加藥機(jī)控制器具有N個(gè)如圖4所示的選通閥島控制電路。

2.7 本地通信接口電路

為滿足加藥機(jī)控制器現(xiàn)場(chǎng)控制的要求，設(shè)計(jì)了用于進(jìn)行本地通信的接口電路，電路如圖5所示。在該電路中，采用MAX3222芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS232電平的轉(zhuǎn)換。STM32F207VC處理器通過(guò)SHDN信號(hào)控制MAX322處于開(kāi)啟或關(guān)閉模式，TXD0、RXD0分別為STM32F207VC串口的發(fā)送和接收端。本地電腦與加藥機(jī)控制器的通信通過(guò)接口J50采用串口3線制實(shí)現(xiàn)。

圖5 本地通信接口電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)問(wèn)題：加藥機(jī)運(yùn)行情況的發(fā)送和遠(yuǎn)程指令的接收并執(zhí)行。軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化的編程思想以提高軟件的可讀性和可維護(hù)性。系統(tǒng)的模塊分為通信模式的設(shè)置、GPRS模塊信息處理模塊、加藥機(jī)執(zhí)行狀況報(bào)告、加藥機(jī)選通閥島的控制等。SMS（short message service，短消息服務(wù)）是GSM系統(tǒng)提供的一種業(yè)務(wù)，由于采用了短信息中心的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，具有較高的可靠性[4,5]。本系統(tǒng)的GPRS模塊支持短消息和TCP鏈路進(jìn)行鏈接，無(wú)線通信方式可選擇短消息模式或GPRS模式。由于加藥機(jī)控制器數(shù)據(jù)傳輸量較小，因此，無(wú)線通信方式采取短信息方式實(shí)現(xiàn)。

3.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議[6,7]是Modicon在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，具有標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)放、支持多種電氣接口、幀格式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。在中國(guó)Modbus協(xié)議已經(jīng)成為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，加藥機(jī)控制器的傳輸協(xié)議遵循Modbus協(xié)議格式設(shè)計(jì)。

3.2 通信模式設(shè)置模塊

本系統(tǒng)利用STM32F207VC的串口1和串口2實(shí)現(xiàn)無(wú)線模塊和本地串口的連接。通過(guò)接收數(shù)據(jù)的串口號(hào)判斷是本地串口的還是無(wú)線模塊的接收數(shù)據(jù)。通信模式設(shè)置模塊的主要功能是設(shè)置串口1和串口2的波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位；設(shè)置GPRS模塊的工作模式。

3.3 GPRS信息處理模塊

短消息的控制模式有Block Mode、基于AT命令的Text Mode和基于AT命令的PDU Mode等3種模式，PDU Mode已取代Block Mode稱為目前的短信編碼模式。GPRS模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收短信息的PDU編碼和解碼[8]，PDU編碼由13項(xiàng)組成[9]，包括：短信息中心地址長(zhǎng)度；短信息中心號(hào)碼類型；短信息中心號(hào)碼；文件頭字節(jié)；信息類型；被叫號(hào)碼類型；被叫號(hào)碼；協(xié)議標(biāo)識(shí)；數(shù)據(jù)編碼方案；有效期；用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度；用戶數(shù)據(jù)。該功能主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送信息按照PDU編碼格式對(duì)發(fā)送的信息進(jìn)行編碼和對(duì)接收的信息進(jìn)行解碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GPRS信息處理模塊的流程圖如圖6所示。

圖6 GPRS信息處理模塊

3.4 加藥機(jī)執(zhí)行狀況報(bào)告模塊

加藥機(jī)控制器按照遠(yuǎn)程控制中心或本地計(jì)算機(jī)設(shè)置的定時(shí)發(fā)送執(zhí)行情況的參數(shù)，讀取加藥機(jī)儲(chǔ)藥箱的剩余量及每個(gè)油井的加藥等信息，并將讀取的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心或本地計(jì)算機(jī)，軟件流程圖如圖7所示。

3.5 加藥機(jī)選通閥島控制模塊

圖7 加藥機(jī)狀態(tài)信息發(fā)送流程圖

加藥機(jī)選通閥島的控制是加藥機(jī)實(shí)現(xiàn)加藥的關(guān)鍵部分，該模塊根據(jù)設(shè)定的每個(gè)油井加藥的時(shí)間和每個(gè)循環(huán)分配的時(shí)間，控制儲(chǔ)藥箱選通控制閥島和出口選通閥島的開(kāi)啟或閉合實(shí)現(xiàn)油井的加藥，軟件流程圖如圖8所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用GPRS模塊進(jìn)行加藥機(jī)的遠(yuǎn)程控制，可有效利用現(xiàn)有的通信器材和通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了分布分散的加藥機(jī)的遠(yuǎn)程控制和管理，具有系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，性價(jià)比高，人機(jī)交互容易等特點(diǎn)。本文所設(shè)計(jì)加藥機(jī)控制器應(yīng)用長(zhǎng)慶油田的油井加藥系統(tǒng)，大大提高了油井加藥的效率，方便了加藥機(jī)的集中管理。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和測(cè)試，該加藥機(jī)控制系統(tǒng)具有可靠性高，遠(yuǎn)程管理方便等特點(diǎn)，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的要求。該控制器的應(yīng)用有利于提高工作效率，節(jié)省人力和運(yùn)營(yíng)成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和推廣價(jià)值。

圖8 選通閥島控制流程圖

[1]holtck.HT75XX-1100mA Low Power LDO datasheet.March 2010.http：//www.holtek.com.tw.

[2]華為.EM310 GSM 模塊產(chǎn)品概述.2009.http：//www.huawei.com.

[3]華為.AT命令手冊(cè).2008.http：//www.huawei.com.

[4]朱萬(wàn)貴,鄭國(guó)君,顧新建,等.基于SMS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造型自動(dòng)化,2003,25(12)：32-34.

[5]周國(guó)詳,周俊,苗玉彬,等.基于GSM的數(shù)字農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2005,21(6)：87-91.

[6]馮智,廖永斌.Modbus協(xié)議與Device Net總線在斗輪取料機(jī)上的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與信息工程,2012(4)：43-45.

[7]V80和PPC系列可編程控制器MODBUS通訊協(xié)議.http：//www.techwayson.com.

[8]謝春詳,張虹,聶余滿.基于GSM/SPRS的終端式短信平臺(tái)開(kāi)發(fā)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2007,28(4)：1680-1682,1729.

[9]苗春雷,徐衛(wèi)彬,蔡玉寶,等.基于GSM模塊的遠(yuǎn)程控制和報(bào)警系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(19)：5-7.