麗娜 呼倫貝爾學(xué)院物電學(xué)院

油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

麗娜 呼倫貝爾學(xué)院物電學(xué)院

將Zigbee技術(shù)、FPGA技術(shù)應(yīng)用于油井參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、位移等參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)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(yōu)勢(shì)及可編程性強(qiáng)的特點(diǎn)使得處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性，可針對(duì)不同系統(tǒng)需求，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)軟件的各種功能，滿足不同系統(tǒng)處理需求。

無(wú)線通信；油氣田；數(shù)據(jù)采集；油壓；單片機(jī)

隨著科技的進(jìn)步以及自動(dòng)化管理的應(yīng)用，石油企業(yè)在數(shù)字化、智能化油氣田建設(shè)方面取得了巨大進(jìn)步。其中無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)Zigbee技術(shù)以其低成本、低功耗等優(yōu)勢(shì)，在油氣田數(shù)字化建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

FPGA可以較方便地實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理，具有可編程性強(qiáng)的特點(diǎn)，適用于油氣田數(shù)字化、智能化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[1]。將Zigbee技術(shù)、FPGA技術(shù)應(yīng)用于油井參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)壓力、溫度、位移等參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集。采用Zigbee技術(shù)，減少了人力、物力的投入，極大地提高了工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借助多個(gè)不同種類(lèi)的傳感器實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)到電量信號(hào)的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)多路ADC實(shí)現(xiàn)多通道電量信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送到FPGA中進(jìn)行處理。

該系統(tǒng)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(nèi)。

2 主要電路設(shè)計(jì)

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(shù)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制，可通過(guò)FPGA的I/O口對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制，其輸出數(shù)字信號(hào)送到FPGA中進(jìn)行處理。該傳感器具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，適合于各類(lèi)主控CPU的連接。油溫傳感器電路設(shè)計(jì)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(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，實(shí)現(xiàn)壓力的轉(zhuǎn)換[3]。本設(shè)計(jì)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(bǔ)償和高穩(wěn)定性放大集成電路，最高壓力可達(dá)150 MPa；采用0～5 VDC、0～10 VDC、0.5～4.5 VDC等標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)；可將被測(cè)量介質(zhì)的壓力轉(zhuǎn)換成4～20 mA；可輸出RS485數(shù)字信號(hào)。

（3）電流/電壓傳感器電路。本設(shè)計(jì)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(cè)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(huán)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(chēng)為線性傳感器，分為模擬式和數(shù)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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了TI公司的一款可以實(shí)現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7959[5]。其芯片具有1MSPS的采樣速率，8 bit的分辨率，可實(shí)現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)采集；輸入信號(hào)采用單端輸入模式，具有串行接口，可以實(shí)現(xiàn)與FPGA的連接與控制。

2.3 射頻模塊電路

系統(tǒng)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(dá)2 Mchip/s，數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps；支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議；擁有4線串行外部接口SPI。本設(shè)計(jì)中利用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻模塊CC2420的配置。

3 結(jié)語(yǔ)

完成了一種油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)中采用了多路ADC實(shí)現(xiàn)了油溫、油壓、位移、電流/電壓等油井參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的處理、射頻模塊等的控制。由于FPGA具有并行處理的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可編程性強(qiáng)的特點(diǎn)使得處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的靈活性，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)軟件功能設(shè)計(jì)，以滿足不同系統(tǒng)處理需求。利用了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)點(diǎn)與系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)通信，該設(shè)計(jì)在油田建設(shè)與管理中具有廣泛的實(shí)用價(jià)值，為數(shù)字化、智能化油田建設(shè)發(fā)展提供了技術(shù)支持。

[1]楊涵夫．基于Spring技術(shù)的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[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(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]．石油鉆采工藝，2005，27（6）：1-4．

[3]程璐．大慶油田抽油機(jī)自動(dòng)監(jiān)控?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2004.

[4]劉元法．油田鉆井參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)[D]．濟(jì)南：山東科技大學(xué)，2004．

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

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.040