牟思文（冀東油田陸上油田作業(yè)區(qū)柳贊聯(lián)合站，河北 唐山063200）

面對油田持續(xù)增產(chǎn)帶來的基礎(chǔ)設(shè)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(jiān)控終端設(shè)計入手，加強(qiáng)數(shù)字化應(yīng)用，建立一個功能多樣化的遠(yuǎn)程監(jiān)管系統(tǒng)，提高設(shè)備的自動化程度，同時能提高現(xiàn)場運行智能化、自動化。實踐表明，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，在緩解用工緊張、加強(qiáng)管理時效性方面起到重要作用。

1 數(shù)字化應(yīng)用在無人值守站建設(shè)中的應(yīng)用

以長慶油田自動化建設(shè)為例，經(jīng)歷了井站現(xiàn)場試驗、井站和作業(yè)區(qū)大面積推廣，最終實現(xiàn)自動化監(jiān)控基站的全面深化應(yīng)用。在現(xiàn)場試驗環(huán)節(jié)，確定了井站和站點的自動化管理標(biāo)準(zhǔn)；在優(yōu)化改進(jìn)環(huán)節(jié)，提高了信息共享程度，實現(xiàn)了多級監(jiān)控、分散管理，在統(tǒng)一平臺上實施系統(tǒng)化管理；在深化應(yīng)用階段，注重管理理念進(jìn)行由點到面、由局部到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變，采用扁平化的管理模式。隨著無人值守監(jiān)控終端設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗的積累，逐步提高了企業(yè)管理平臺建設(shè)質(zhì)量，在多功能平臺下有序開展各項生產(chǎn)作業(yè)，有利于提高油田運轉(zhuǎn)安全性，發(fā)揮自動化管理的重要作用。

2 無人值守站遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 總體方案設(shè)計

進(jìn)行無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控終端總體方案設(shè)計時，應(yīng)從無人值守站功能要求出發(fā)，考慮油氣田無人值守站的實際情況，運用模塊化設(shè)計手段，構(gòu)建一個功能全面的監(jiān)控管理系統(tǒng)。其中利用分散調(diào)控統(tǒng)一管理的方式，當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳遞至中心站后，中心站將指令上傳至調(diào)度模塊，接受并執(zhí)行指令。

監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化思維來設(shè)計，主要設(shè)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(yuǎn)程診斷模塊和GPRS 模塊?？刂破魍ㄟ^總線和各個現(xiàn)場設(shè)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(shù)，并將接口和GPRS 模塊相連接，將數(shù)據(jù)及時上傳至服務(wù)器。當(dāng)檢測模塊檢測到出現(xiàn)異常事件時，會自覺發(fā)出中斷信號，這時控制器操控攝像頭拍攝各個設(shè)備運行狀態(tài)，將拍攝的圖片存儲到控制器數(shù)據(jù)庫中并獲取圖片數(shù)據(jù)。管理人員接收到圖片數(shù)據(jù)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(tǒng)運行主要依靠太陽能供電和電網(wǎng)供電，確保系統(tǒng)連續(xù)作業(yè)。

表1 無人值守站設(shè)備配置情況

傳感器檢測設(shè)備電源設(shè)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(shè)計

油氣田無人值守站站點數(shù)量較多，并且位置分散，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在無人值守站管理中實現(xiàn)了廣泛推廣，可利用移動網(wǎng)絡(luò)上傳系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，下達(dá)控制指令，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制的功能。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)具有低時延、實時控制的優(yōu)點，能通過控制器同時處理不同站點的管理作業(yè)，符合人們對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能的要求。在組網(wǎng)方式方面，可采取服務(wù)客戶端的設(shè)計方法，在調(diào)度中心設(shè)置專門的服務(wù)器設(shè)備，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)終端和服務(wù)器間的有效連接，發(fā)揮GPRS 網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)檢測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。常見組網(wǎng)方式包括以下幾種。

（1）使用固定IP的方式。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端按照協(xié)議主動連接服務(wù)器并上傳數(shù)據(jù)。這種方案能保證系統(tǒng)運行穩(wěn)定性，但增加了建設(shè)成本。

（2）采用動態(tài)IP地址+域名解析的設(shè)計方法，服務(wù)器和服務(wù)商連接并開通域名，遠(yuǎn)程監(jiān)控中斷按照域名解析方式和服務(wù)器相連接，之后在服務(wù)器作用下找出動態(tài)IP，建立有效連接。這種組網(wǎng)方式節(jié)約了通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，但是穩(wěn)定性較差，通常用于小規(guī)模的通信系統(tǒng)中。

2.3 硬件設(shè)計及功能實現(xiàn)

系統(tǒng)中處理器型號的選擇主要考慮外設(shè)種類、運算效率、可擴(kuò)展性、技術(shù)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(yōu)點。這一控制器性能良好，主頻能達(dá)到100MHz，同時具有足夠的存儲空間和外部接口。在GPRS模塊設(shè)計上，本文選擇性能穩(wěn)定、功能多樣化、故障率低的MC52IR3無線模塊，將其運用到無線數(shù)傳、智能公交中，可保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。并且這一無線模塊的環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，便于模塊設(shè)計和利用。在處理器模塊設(shè)計方面，其作為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換成符合系統(tǒng)運行要求的電壓值，并維持電壓穩(wěn)定性，確保電能的持續(xù)供應(yīng)，整個電路系統(tǒng)中包括較多芯片，對電壓提出不同要求。如GPRS 網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)中電源模塊往往采用LDO、DCDC 電源相結(jié)合的方式。其中DCDC負(fù)責(zé)高壓轉(zhuǎn)換，將外部電壓轉(zhuǎn)變成4.2V 的輸出電壓，保證GPRS 網(wǎng)絡(luò)正常作業(yè)；LDO 負(fù)責(zé)將4.2V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓。DCDC運行效率較高，轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%以上，滿足系統(tǒng)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(tǒng)功能。進(jìn)行存儲模塊設(shè)計時，可采取以下方式：一是使用片外Flash 存儲器，發(fā)揮其價格便宜、存儲量大的優(yōu)點，適用于存儲大齡數(shù)據(jù)信息。本文選用的flash 存儲器WieW25Q64B，通信速度達(dá)到104MHz，可有效存儲系統(tǒng)運行中的流量數(shù)據(jù)；二是SD卡存儲器，它被廣泛運用到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中，容量達(dá)到GB 級別，讀取數(shù)據(jù)的速度較快，為文件數(shù)據(jù)傳輸提供了支持，可在計算機(jī)中直接查看相關(guān)文件。本次系統(tǒng)中采用了SPI 的通信方法，用于存儲拍攝的圖片和系統(tǒng)運行日志。進(jìn)行通信接口設(shè)計時，可進(jìn)行RS4585接口設(shè)計，能滿足多個設(shè)備同時連接的要求，增強(qiáng)系統(tǒng)運行可靠性。

2.4 軟件設(shè)計及功能實現(xiàn)

在無人值守站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計上，本文采取C語言設(shè)計方法，開發(fā)工具選擇集成開發(fā)工具，研發(fā)出多功能的監(jiān)控系統(tǒng)。終端軟件采取嵌入式操作軟件的編寫方法，對其進(jìn)行任務(wù)分配，確保每個任務(wù)獨立完成，可將監(jiān)控系統(tǒng)任務(wù)分成執(zhí)行任務(wù)、出發(fā)任務(wù)積累。本次系統(tǒng)設(shè)計，將運行任務(wù)具體劃分成初始化任務(wù)、采集任務(wù)、傳輸任務(wù)、解析任務(wù)、檢測任務(wù)、更新任務(wù)幾種。對于初始化任務(wù)來說，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，當(dāng)系統(tǒng)啟動后開始執(zhí)行，并在完成后刪除任務(wù)；對于數(shù)據(jù)采集任務(wù)來講，主要負(fù)責(zé)有規(guī)律的采集流量儀器數(shù)據(jù)信息，將采集的數(shù)據(jù)傳輸至GPRS網(wǎng)絡(luò)中。油氣田現(xiàn)場配置了多個儀表設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，應(yīng)選擇查詢相應(yīng)方式，依次采集各個儀表的數(shù)據(jù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)解析后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀。

在查詢某一儀表設(shè)備時不發(fā)生反應(yīng)，則重新查詢，如果查詢多次仍無響應(yīng)，應(yīng)上傳報警信號；在數(shù)據(jù)上傳任務(wù)方面，主要負(fù)責(zé)讀取GPRS隊列中需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，將其反饋至服務(wù)器，同時要與服務(wù)器相連接。監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞至服務(wù)器，該網(wǎng)絡(luò)模塊的語音業(yè)務(wù)較好，需要定期向GPRS傳送一個數(shù)據(jù)包，使其業(yè)務(wù)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(wù)器相連的組網(wǎng)方式，當(dāng)數(shù)據(jù)通道斷開時，則RTU 自動連接服務(wù)器，并想網(wǎng)絡(luò)模塊發(fā)送心跳包；在檢測任務(wù)方面，通過設(shè)置攝像頭能實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，在出現(xiàn)非法入侵情況時抓拍現(xiàn)場圖像并發(fā)送報警信號。將圖片數(shù)據(jù)存儲到SD 存儲器中，建立一個和服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器中，確保管理人員能實時查看現(xiàn)場圖像，是提高遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)功能性的關(guān)鍵。

3 結(jié)語

綜上所述，隨著油田建設(shè)信息化水平的不斷提高，數(shù)字化油田的概念被更多人所接受。在油田行業(yè)中，構(gòu)建無人值守遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理，能實現(xiàn)數(shù)字化技術(shù)和油田管理相結(jié)合，本文具體介紹了油田無人值守站監(jiān)控終端的設(shè)計和實現(xiàn)路徑，真正落實自動化油田的發(fā)展理念。