基于嵌入式的天然气井口数据远程监测系统设计

高明星，黄玉志，胡耀强

陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710075

基于嵌入式的天然气井口数据远程监测系统设计

高明星，黄玉志，胡耀强

陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，陕西西安 710075

设计的嵌入式天然气井口数据远程监测系统以嵌入式微处理器 ARM7 为核心硬件，以 GSM 网络作为传输平台，利用短信业务方式完成数据的无线传输。上位机使用 LabVIE W 软件搭建虚拟仪器平台，实现天然气井口数据的远程监测。结果表明所设计的气井远程监测系统稳定性好、实时性强、可靠性高，在提高生产效率的同时节省了组网成本，降低了员工劳动强度。

天然气井口； 远程监测； 微处理器； GSM；无线通信；虚拟仪器

1 天然气井口数据监测技术现状

嵌入式技术及网络通讯技术的迅速发展，极大地推动了气田的自动化管理水平[1]。在以往的工业领域大多采用以单片机或 PLC 为核心的数据处理系统，利用有线以太网方式完成数据通信[2-3]。虽然经济实用，但是应用场合有很大程度的限制。由于各气井分布位置广、距离远，促使以无线通讯方式实现对气井数据的监测成为一种必然趋势。

（1）卫星通信。卫星在空中起中继站的作用，将地球站发来的电磁波放大后再返送回另一地球站。由于两个地球站之间的电磁波传输距离较远，使信号在传输时存在延迟，而且易受雨雪等外界环境气候的影响[4]。

（2）无线电台。采用调频调制或调幅调制的办法，将图像搭载到高频载波上，转换为高频电磁波在空中传输，但其频段范围受限，传输环境易受电磁或外界环境干扰[5]。

（3）CDMA/GPRS。CDMA（码分多址），是以扩频通讯技术为基础[6]；GPRS（通用分组无线业务），通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行改造来实现分组交换[7]。两种通信方式都较为优越，但在偏远地区的覆盖范围较小，受适用场合限制。

（4）GSM。GSM 是基于时分多址的全球移动通信技术，通过 GSM 通信模块收发有限长度的文本信息，实现数据的远程通信。利用了现有的移动通信网络进行传输，无需重组网络，节省了成本[8]。

因此，针对气田分布广、距离远，数据监测需准确可靠，实时性高等要求，设计了嵌入式井口监测系统，实现气井生产数据的监测。系统主要以嵌入式微处理器为核心，利用 GSM 网络，借助于短信方式传输至上位机，通过 LabVIEW 搭建上位机虚拟仪器平台，实现气井生产数据的远程监测。同时，将采集到的信息发送至工作人员使用的移动电话，以确保数据取全、取准。

2 系统设计方案

图1 某集气站气井远程监测系统设计方案

井口生产数据是气井生产状况的重要反映，通过对井口数据的采集、监测与存储可对气井状况的分析提供重要参考依据[9]。某集气站的气井远程监测系统设计方案如图1所示。

系统主要由传感器、气井监控终端、GSM 网络、集气站监控中心和工作人员所用的通信设备组成。传感器主要完成井口油压、套压、温度的监测；监控终端由嵌入式微处理器、供电电路及 GSM 数据传输模块组成；监控中心位于集气站，将接收到数据进行保存与监测。系统将采集到的井口数据信息分别发送至监控中心，以及该集气站工作人员所使用的移动电话。

现阶段，我国大部分通信企业偶尔也会组织一些学习或培训等等，但这种培训或学习仅仅是短暂性的，不仅没有培训制度，还缺乏长远的规划。因而，目前大部分通信公司并没有形成良好的学习氛围，这就导致公司员工在专业知识和专业素质方面难以获得很大的提高。长此以往，必然会难以适应通信企业的飞速发展。人力资源管理归根结底是对人的管理，通信公司员工素质水平较低与人力资源管理的水平有密切的关系。因此，为促进通信公司的健康发展，完善薪酬与绩效管理是十分必要的，且会发挥重要的作用。

2.1 监控终端硬件设计

井口数据监测终端是以 NXP 公司的 ARM7 为核心处理器，由通信模块 TC35i、电平转化芯片 CH340 及外围电路组成。

系统设计时，采用模块化的设计思路，将传感器采集到的信号经过 MCU 处理后，再由 GSM 以短信的形式进行无线传输。信号分别发送至工作人员以及监控中心的接收设备。监控中心的上位机利用 LabVIEW 搭建虚拟仪器平台，以串口的方式完成数据的显示与存储。系统结构如图2所示。

图2 系统结构示意

发送短信：将天然气井口油压、套压及温度数据以短信的形式发送至监控中心及工作人员。

显示数据：对气井油压、套压、温度数据通过监控中心上位机所搭建的虚拟仪器平台进行实时监测与显示。

储存数据：将井口油压、套压、温度数据进行存储，便于对气井的生产状态进行分析。

2.1.1 信号采集模块

气井数据监测的对象主要包括井口油压、套压及温度。井口油压和套压传感器选择电阻应变片传感器 PTP501，其测量范围为 0 ～ 150 MPa，输出信号为 4 ～ 20 mA，供电电压为 DC 24 V，介质温度为 -20 ～ 150 ℃；温度传感器选择 PT100，测温范围为 -200 ～ 650 ℃，输出信号为4 ～ 20 mA。将采集到的标准电流信号通过模拟信号隔离转换器（型号为IBF12-A4-P3-Oz），可将输出4～ 20 mA 的标准电流信号转换为 0 ～ 3.3 V 的电压信号，利用 LPC2103 的内置 A/D 转换器完成信号的处理。

2.1.2 嵌入式处理器模块

微处理器选择 32 位 ARM7 系列嵌入式微处理器LPC2103[10]。采用 1.8 V 和 3.3 V 双电源供电方式，其中 1.8 V 的内部电压和 3.3 V 的外设电压，芯片每个管脚可承受最大 5 V 电压，最高工作频率可达 70 MHz，内部集成有 8 路 10 位 A/D 转换器，转换时间为 2.44 μs，其极低的功耗和较快的处理速度满足天然气井口数据远程监测系统的设计要求。

2.1.3 GSM模块

无线通信 GSM 模块选择 Siemeils 公司的 TC35i[11]。其工作电压为 3.3 ～ 5.5 V，工作频段为 900 MHz 和1 800 MHz，功耗分别为 2 W 和 1 W。模块的 AT 命令集接口可支持文本和 PDU 模式的短消息，还具有电话簿、多方通话、漫游检测等功能。

GMS 模块硬件设计包括 TC35i、NE555 以及 SIM的卡槽，具体电路如图3所示。为使 TC35i 进入工作状态，须给启动引脚（I GT）提供一个 ＞ 100 ms 的低脉冲，电平下降持续时间不可超过 1 ms。所增加的 NE555作为多谐振荡器，以提供脉冲电压。

设计时，ZIF 连接器和 50 Ω天线连接器，可分别连接 SIM 卡支架和天线。通过 AT 命令可实现双向传输指令和数据，可选波特率为 0.3 ～ 115 kb/s，自动波特率为1.2 ～ 115 kb/s。

图3 GSM 模块电路

2.2 嵌入式程序设计

设计时选用 ADS1.2[12]作为软件设计的开发环境，利用C语言进行编程。系统主程序包括信号采集、A/D转换，之后将井口油压、套压和温度值借助 GSM 网络进行存储和发送。

2.2.1 短消息的格式

GSM 模块短消息[13]通常提供 TEXT 和 PDU 格式。系统设计时利用短信息所传递的是数据信息，所以采用TEXT 模式发送短信。

2.2.2 信息发送程序

LPC2103 芯片通过 P0.0 和 P0.1 与 GSM 模块的TXD 与 RXD 相连接。LPC2103 通过 UART0 口与GSM 模块进行通信。将指令以串口的方式发送给 GSM模块，GSM 模块针对各指令做出相应的响应，从而实现所需功能[14]。TC35i 通过AT命令完成与处理器之间的通信。流程如图4所示。

图4 短信发送流程

3 上位机程序设计

上位机程序设计主要利用美国 NI 公司开发的LabVIEW软件搭建虚拟仪器平台[15]，实现将监控中心接收到的短消息进行显示与存储。系统设计了对 5 个井场，共计 30口气井在生产过程中井口数据的远程监测。监测界面如图5所示。

图5 监测界面图示

在实际生产中，可针对具体情况对程序进行扩展，可增加井数或被测参数。在 LabVIEW 软件程序中，串口设置的波特率为 9 600 b/s，8 位数据位，无奇偶校验，1 位停止位。

4 结束语

提出采用 GSM 短信业务与嵌入式技术相结合的方式设计嵌入式天然气井口数据远程监测系统，实现了天然气井口数据的远程监测。其中，所使用的 GSM 网络短信息业务使用方便、成本低廉、传输可靠；使用的嵌入式微处理器处理速度快、体积小、功耗低；采用LabVIEW 所构建的天然气井口数据监测平台，界面友好、操作简单。监测系统能够满足气井不易铺设线路和数据监测频繁的要求，并且在提高生产效率、降低组网成本和降低员工劳动强度方面具有较强的实用价值和研究意义。

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国家工程中心海洋立管试验平台调试完成

2014年1月6日，由宝石机械公司主持研发的“海洋立管共振弯曲疲劳试验装置”完成隔水管全尺寸疲劳试验。这表明国家工程中心首个试验平台调试完成，同时这也是国内首台大直径钢管全尺寸高速疲劳试验设备。按照计划，国家工程中心将建成三个试验平台，海洋立管共振弯曲疲劳试验装置是建成的首个试验平台，主要用于深水钻井立管和采油立管的全尺寸弯曲疲劳试验。

（本刊摘录）

Design of Embedded Remote-monitoring System for Data of Natural Gas Wellhead

Gao Mingxing,Huang Yuzhi,Hu Yaoqiang
Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Co.,Ltd.，Xi’an 710075，China

The embedded remote monitoring system for data of natural gas wellhead is designed taking the embedded microprocessor ARM7 as hardware core,using GSM network as the transmission platform,utilizing SMS service for the wireless data transferring.The host computer uses the software LabVIEW to construct virtual instruments platform for remote monitoring the data of natural gas wellhead.The results show that the remote monitoring system for data of natural gas wellhead has good stability,strong real-time capability and high reliability,which improves production efficiency and saves the cost of network and reduces the labor intensity of workers.

gas wellhead;remote-monitoring;microprocessor;GSM;wireless communication;virtual instrument

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.01.006

高明星（1986-），女，陕西延安人，助理工程师，2012年毕业于陕西科技大学，硕士，主要从事油气田地面控制工程技术工作。

2013-05-15