(蘭州工業(yè)學(xué)院電子信息工程系,甘肅 蘭州 730050)

0 引言

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，智能儀器儀表在油氣開發(fā)中得到越來越廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，而油井多參量監(jiān)測(cè)技術(shù)已成為智能油田生產(chǎn)過程中的一個(gè)熱點(diǎn)問題。但是采油廠一般地處偏遠(yuǎn)、環(huán)境相對(duì)惡劣地區(qū)，因此對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本身提出了較高要求。另外，來自各類傳感器的數(shù)據(jù)量龐大，加之油層地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層壓力、溫度等諸多因素影響，給數(shù)據(jù)處理和解釋[1]帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此，有必要引進(jìn)新的方法加以優(yōu)化。而嵌入式技術(shù)可把軟件固化、集成到硬件系統(tǒng)中，將硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)一體化，構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。若嵌入式系統(tǒng)能夠連接到Internet，則可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個(gè)地方。

基于此，本文提出一種以嵌入式技術(shù)搭建油井多參量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。在此系統(tǒng)中，油井開采現(xiàn)場(chǎng)傳感器把采集的各類油井參量信息交給嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks[2]進(jìn)行處理，以滿足油井多參量采集模塊的實(shí)時(shí)多任務(wù)要求；而控制中心可通過嵌入式Web服務(wù)器GoAhead[3-4]訪問PC104，實(shí)現(xiàn)原油組分信息可視化和相關(guān)油井、儀表參數(shù)設(shè)置的任務(wù)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)儀表和系統(tǒng)控制單元組成?，F(xiàn)場(chǎng)儀表包括溫度傳感器、壓力傳感器、流量測(cè)量傳感器、含水率監(jiān)測(cè)傳感器、含氣率監(jiān)測(cè)傳感器、含沙量監(jiān)測(cè)傳感器；系統(tǒng)控制單元包括現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)的采集和計(jì)算處理。系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

在該系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)儀表部分為石油工業(yè)常用的標(biāo)準(zhǔn)儀表，系統(tǒng)將根據(jù)儀表使用說明進(jìn)行應(yīng)用；數(shù)據(jù)采集和控制單元為系統(tǒng)的核心部分。各模塊功能說明如下。

① 數(shù)據(jù)采集處理模塊采集現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)測(cè)信號(hào)，將采集到的儀表信號(hào)根據(jù)儀表參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

② 參數(shù)配置模塊包括儀表參數(shù)配置和油井參數(shù)配置。儀表參數(shù)配置模塊將根據(jù)系統(tǒng)所使用的儀表，對(duì)其進(jìn)行配置，便于計(jì)算處理。其中，油井參數(shù)可用于配置油井的介質(zhì)參數(shù)如油密度、水密度、氣密度等，此模塊功能主要通過Web服務(wù)器以遠(yuǎn)程方式完成。

③ 壓力體積溫度(pressure-volume-temperature,PVT)轉(zhuǎn)換模塊將根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)將監(jiān)測(cè)到的原油流量進(jìn)行組分分析、計(jì)算，并將工況條件下的油井參數(shù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)況條件下對(duì)應(yīng)的油井參數(shù)，方便分析油井的生產(chǎn)狀況。

④ 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要保存監(jiān)測(cè)所得的油井?dāng)?shù)據(jù)，方便歷史數(shù)據(jù)的查詢和數(shù)據(jù)分析。

⑤ 遠(yuǎn)程傳輸控制模塊主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙δ堋?/p>

2 系統(tǒng)硬件

系統(tǒng)采用瑞士數(shù)字邏輯公司生產(chǎn)的MSM586SL PC104主板。PC104是Intel x86系列處理器，具有豐富的系統(tǒng)應(yīng)用外設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)接口，有較寬的工作溫度和較好的工業(yè)參數(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，適用于現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣的油田開采環(huán)境。PC104微處理器通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)(industrial standard architecture,ISA)總線與網(wǎng)卡和A/D轉(zhuǎn)換板[5]連接，建立了油井監(jiān)測(cè)點(diǎn)與工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)通道。網(wǎng)卡接口對(duì)外通過RJ45網(wǎng)口與上位機(jī)通信。此外，PC104自帶RAM、ROM和Flash存儲(chǔ)器、串口等資源，方便應(yīng)用。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件

建立硬件平臺(tái)后，需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)。首先需要完成VxWorks操作系統(tǒng)在PC104上的移植[6]，然后還需實(shí)現(xiàn)GoAhead在VxWorks上的移植。系統(tǒng)軟件部分由引導(dǎo)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、板卡驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用軟件組成。系統(tǒng)上電后，先啟動(dòng)DOS引導(dǎo)程序，調(diào)用VxLoad文件，VxLoad文件一旦啟動(dòng)即調(diào)用BootRom引導(dǎo)文件；然后BootRom啟動(dòng)VxWorks操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)初始化硬件系統(tǒng)接口，并調(diào)用應(yīng)用軟件，使其進(jìn)入工作狀態(tài)。系統(tǒng)軟件框圖如圖3所示。圖中的GoAhead服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、處理和應(yīng)答主控中心遠(yuǎn)程用戶的請(qǐng)求。

圖3 系統(tǒng)軟件框圖

4 A/D驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在該系統(tǒng)中，油田開采現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)為4～20 mA的電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)據(jù)采集單元負(fù)責(zé)A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和儀表信號(hào)的轉(zhuǎn)換計(jì)算，將采集到的數(shù)字信號(hào)根據(jù)儀表配置參數(shù)轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)值。如溫度傳感器，其根據(jù)油井溫度，輸出4～20 mA的電流信號(hào)。其中，4 mA代表溫度傳感器的量程下限，20 mA代表溫度傳感器的上限。數(shù)據(jù)采集單元將根據(jù)采集到的溫度傳感器電流和設(shè)置的量程上下限計(jì)算出油井的實(shí)際溫度。

油井多參量采集模塊主要具有A/D轉(zhuǎn)換以及I/O接口功能，驅(qū)動(dòng)的開發(fā)主要由驅(qū)動(dòng)函數(shù)與ioDrv()完成。按照A/D驅(qū)動(dòng)的基本流程，系統(tǒng)首先啟動(dòng)代碼調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序安裝函數(shù)adDrv()，然后調(diào)用設(shè)備創(chuàng)建函數(shù)，創(chuàng)建設(shè)備adDevCreate()，最后用戶可以調(diào)用VxWorks的標(biāo)準(zhǔn)I/O接口函數(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。完成以上各項(xiàng)內(nèi)容后，就基本完成了石油多參量采集模塊的驅(qū)動(dòng)。在WindShell中可以調(diào)用I/O控制函數(shù)adIoctl()檢查設(shè)備是否正確識(shí)別。

5 基于GoAhead的遠(yuǎn)程傳輸控制模塊

基于GoAhead的遠(yuǎn)程傳輸控制模塊，使遠(yuǎn)程用戶在瀏覽器地址欄輸入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)址即可登錄系統(tǒng)、查看油井實(shí)時(shí)參量、設(shè)置儀表參數(shù)和油井參數(shù)等。如用戶可以在系統(tǒng)界面設(shè)置油井編號(hào)選擇不同的油井，通過點(diǎn)選開始測(cè)量按鈕，系統(tǒng)控制軟件根據(jù)所配置的油

井參數(shù)和采集到的現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，將油井參量的計(jì)算結(jié)果輸出到當(dāng)前監(jiān)測(cè)界面。

6 結(jié)束語

本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以PC104處理器為硬件平臺(tái)，利用VxWorks操作系統(tǒng)來處理復(fù)雜多變的油井參量信息，采用GoAhead實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控功能，遠(yuǎn)程管理中心借助普通瀏覽器就可登錄PC104，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井參數(shù)的實(shí)時(shí)訪問和設(shè)置。該系統(tǒng)所做的工作最終可為油田開采部門提供原油的油、水、氣等組分信息。同時(shí)，油田管理部門能及時(shí)了解油井生產(chǎn)狀況[7]、產(chǎn)能配置等情況，從而為其進(jìn)行科學(xué)決策、優(yōu)化生產(chǎn)管理提供技術(shù)保障。

[1] 周彬.基于VxWorks的原油產(chǎn)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2013(3):22-24.

[2] 蔣爽,袁成奎.基于VxWorks的復(fù)雜道口監(jiān)控系統(tǒng)軟件研究[J].鐵道通信信號(hào),2011,47(1):8-9,10.

[3] 安佰秀.基于嵌入式Web服務(wù)器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].青島：山東科技大學(xué)，2011.

[4] 周彬,秦玉娟,劉馨.基于GoAhead的油井多參量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2013(11):23-26.

[5] 徐惠民.基于VxWorks的嵌入式系統(tǒng)及試驗(yàn)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2006.

[6] 李方敏.VxWorks高級(jí)程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[7] Yin Bangtang,Li Xiangfang,Meng Yuexin,et al.Measurement techniques for multiphase flow in productivity evaluation in petroleum industry[C]∥Mechanic Automation and Control Engineering(MACE),2011 Second International Conference on，2011:4132-4135.