挑戰(zhàn)杯大學生課外學術科技作品競賽獲獎作品范本

新型油井遠程監(jiān)控裝置簡介TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1、功能概述 1\o"CurrentDocument"2、應用前景 10\o"CurrentDocument"3、系統(tǒng)設計創(chuàng)意 11\o"CurrentDocument"4、工程實現(xiàn)介紹 13\o"CurrentDocument"5、團隊及設計過程 136、小結 151、功能概述系統(tǒng)包括硬件電路設計和GSM由井監(jiān)控軟件設計兩局部。其中硬件電路設計包括監(jiān)測終端和監(jiān)控中心兩局部，監(jiān)測終端包括GSM通信模塊SIM900A及其驅動電路、32bitARM微處理器STM32F103RBT6供電電路和傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理電路,繼電器控制電路；監(jiān)控中心包括SIM900A及其驅動電路、STM32F103RBT單片機、供電電路、報警處理電路，并通過RS232連接至監(jiān)控電腦。監(jiān)測終端和監(jiān)控中心的ARM微處理器軟件設計包括GSMS信模塊的發(fā)送與接受主程序、通過串口的短消息接收和發(fā)送等程序，監(jiān)測終端還包括RS-485總線程序、CAN總線程序、繼電器控制程序、傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理程序。 GSM由井監(jiān)控軟件采用LABVIEW編寫，具有報警顯示、圖表監(jiān)視器、統(tǒng)計圖表、打印報表等多個功能。系統(tǒng)框圖如圖1.?-予機維護人員E-I-T-I-JIG5M網(wǎng)絡監(jiān)測終瑞圖1系統(tǒng)應用框圖單元GSM監(jiān)控終端與PC串行通信繼電器組〔固態(tài)繼電SP1117-,3.3提供3.3V電源MP2143提供4V電源給GSM模塊CAN總線單元〔SN65HVD230(MCU微控制單元JTAG程序下載〔STM32F103RBT6機調(diào)試接口RS_485總單元(MAX487)——射頻天線接口GSM模塊〔SIM900a〕1〕MCU微控制單元〔STM32F103RBT6,|| 孔L HOO7L1'■lb—.K.蔘#==圭主一.?_￡AhAHU「"is扭.3M3WCT-113Jibo2nj-M圍UL*TB'TB1Ml砂HAL亡甑LUMe?L；AALUmaivni>皿“di+CJkHl*tAlSHWHbfKJ<4?3C'CU：1D：ICmkiKSK4Ka也30'KLIFCL-Ktl>c-.l.Tiinn,JTEKliJKl：J-■HaL扎 二-亂T?nm10:.fuTIw-IKMU1-t】J *.Hia葉 irr<LtL1ME~LlM—-fLlL?21一圖3MCU微控制單元MCU微控制單元采用STM32F103RBT6它使用高性能的ARM-CortexM332bit的RISC內(nèi)核，內(nèi)置高速存儲器，工作頻率為36MHZ,CP能以零等待周期訪問〔讀/寫〕，豐富的增強型外設和10端口連接到兩條APB外圍總線外設。所有型號的器件都包含一個12bit的ADC和3個通用的16bit定時器、還包含標準的通信接口,2個I2C接口、2個SPI、3個USART一個CAN設計時，采用STM32F103RBT可以方便實現(xiàn)接入傳感器信號，其工作電壓為2.0V~3.6V的工作電壓能夠滿足MCU和GPRSg塊直接相連的需要，而無需電平轉換，一系列的省電模式滿足低功耗應用的需求。2〕油井控制單元與油井各設備之間串行通信單元 〔MAX487〕wCINeGABVxsDL1wCINeGABVxsDL1*PA3XX.RO圖4MAX487原理圖單片機組成的多機通信系統(tǒng)，具有靈活的功能和性價比，在工業(yè)測控領域應用十分廣泛，但是單片機收發(fā)的都是TTL電平，驅動能力和抗干擾性有限，無法進行“長線〞通信。實用中常配合總線互聯(lián)。RS485總線就是其中一種，RS485既是物理層的協(xié)議標準，也是串行通信接口的電器標 準，用此標準可以很方便地把電腦、單片機和各種設備連接起來，構成測控系統(tǒng)。RS485總線是平衡差分傳輸，抗干擾性好，最遠可傳輸1200米，最多可互聯(lián)128個單片機，很適合多機通信。通信芯片采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX487該芯片是RS485通訊的低功耗收發(fā)器件，它含有一個驅動器和一個接收器，最大可連接128個子系統(tǒng)，最遠傳輸距離1200米,傳輸速度可達250KB/s?？刹捎冒腚p工方式，適合在比擬惡劣的環(huán)境下工作，在油井現(xiàn)場，有很大的實用價值。3〕油井GSM監(jiān)控終端與PC串行通信單元〔MAX3232R1WMCTTT3L2OUTT1INTIOLTTT1LNR1WMCTTT3L2OUTT1INTIOLTTT1LNCJ-■ZZ-Vi-vecIFIOSII4II圖5MAX3232串行通信單元系統(tǒng)采用的是RS-232串行通信進行監(jiān)控中心與監(jiān)控電腦通訊。RS-232是目前PC機與通信工業(yè)中應用最為廣泛的一種串行接口， RS-232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準，其采取不平衡傳輸方式。典型的RS-232信號在正負電平之間擺動，當發(fā)送數(shù)據(jù)時發(fā)送端驅動器輸出正電平為 +5V?+15V負電平為一5V?一15V;當傳輸數(shù)據(jù)時，線上為TTL電平，從開始傳輸數(shù)據(jù)到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平為+3V?+12V與一3V?一12V。監(jiān)控中心使用與電腦進行串行通信，采用Maxim公司的MAX3232E片實現(xiàn)RS.232電平轉換，MAX323是一款能實現(xiàn)RS-232接口的低功耗電平轉換芯片，它有兩路收發(fā)器。4〕GSM模塊單元〔SIM900A〕

Him.王主主士.SB-■■;7二一■￥■■Him.王主主士.SB-■■;7二一■￥■■T理itSI--14I-■E?一4=亠主圭iF-圖6GSM模塊單元〔SIM900AGSM模塊采用了SIMCOI公司的SIM900A該模塊體積小巧.性能突出。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴展的TCP/IPAT命令讓用戶能夠容易地使用TCP/IP協(xié)議.而且在數(shù)據(jù)傳輸方面應用廣泛。油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)通常采用TC35iGSM通信模塊，其工作頻段少，支持900/1800Mhz,不能支持GPRS且功耗較高。本裝置設計采用SIM900A無線通信模塊，它有4個工作頻段，支持GSM/GPRS且尺寸小、功耗低。5〕CAN總線單元〔SN65HVD230圖7圖7CAN總線單元〔SN65HVD230油田的采油礦場通常由多口油井、計量間、管匯閥組、轉油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐及油田的其他分散設施組成 ，整個采油礦場各種設施的工作狀況及采出油品的數(shù)據(jù)〔主要有溫度、壓力、流量等〕將直接關系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質量。面對單個油井的眾多檢測設備，在數(shù)據(jù)傳輸局部建立 CAN總線和RS-485總線局域網(wǎng)，再將匯總的信息通過GSM遠傳至監(jiān)控中心。SN65HVD23是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3VCAN總線收發(fā)器，可與帶有CAN控制器的TMS320k240x系列DSP配套使用，該收發(fā)器具有差分收發(fā)能力，最高速率可達1MkZs。廣泛用于汽車、工業(yè)自動化、UPS控制等領域。6〕繼電器組〔固態(tài)繼電器〕圖8繼電器組固態(tài)繼電器〔SOLIDSTAT噥ELAYS〕簡寫成“SSR，是一種全部由固態(tài)電子元件組成的新型無觸點開關器件，它利用電子元件〔如開關三極管、雙向可控硅等半導體器件〕的開關特性，可到達無觸點無火花地接通和斷開電路的目的，因此又被稱為“無觸點開關〞。當發(fā)現(xiàn)停電、停機、缺相、油管堵塞、液面過低等情況，固態(tài)繼電器組可以用來隔離控制電力電子設備啟停，從而減少設備損壞，縮短停機時間。7〕電源〔MP2143SP1117-3.3〕XrCCXNU4SP1117-33vcenIN■PC1470uF=XrCCXNU4SP1117-33vcenIN■PC1470uF=PC2Q104:PC31G4—PC4r~iKl11/01TTillIZ/TiT16￥匚匚IN 2丄*TAP2VO2sVC7C1/54DUTTON圖9三端穩(wěn)壓模塊SP1117三端穩(wěn)壓模塊SP1117可將輸入的5V電壓轉化為3.3電壓，為MCUSN65HVD230MAX3232MAX487供電。SIM900A模塊采用單電源供電，供電范圍3.2?4.8V之間，推薦電壓為4.0V,模塊射頻發(fā)射時會導致電壓跌落，這時電流的峰值最高會到達2A以上，因此電源供電能力盡可能到達2A,輸入電壓與VBAT壓差不大，所以選用LDO〔lowdropoutregulator，低壓差線性穩(wěn)壓器〕，本設計采用的是MP2143電源芯片。SS54D；VOC竝JN1DJ1021-JAS1TAPI卜UL102rBUTTON——I—SS54D；VOC竝JN1DJ1021-JAS1TAPI卜UL102rBUTTON——I—flOK去PGOUTFHJLGKD圖10MP2143電源芯片電路為了增強模塊電源抗干擾能力〔主要抗浪涌，脈沖群，靜電等〕，不至于在外界環(huán)境比擬惡劣的情況下導致模塊供電異常，建議根據(jù)實際應用在外部電源輸入端加一些共模電感、TVS管等器件，在VBAT供電芯片輸出端加一些nf、pf級電容,濾除干擾。PCB布局時候VBAT上的旁路電容盡量要放在對應pin附近，為了減少PCB走線阻抗，VBAT走線盡量寬、走線盡量短，最好大面積鋪地。

2、應用前景通過現(xiàn)場測試本系統(tǒng)能夠及時準確的將需要采集的數(shù)據(jù)顯示在巡檢軟件界面上來．并且可以從控制現(xiàn)場的各項參數(shù)，已經(jīng)根本選到了各項技術指標，最太數(shù)據(jù)量傳輸?shù)氖竟D能夠準確、快速的遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而證明我們采用的油井自動化監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)的數(shù)據(jù)遠程傳輸方案是可行的。采油井應用本新型油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)后，可以極大地提高生產(chǎn)運行管理的平安性能和可靠程度，減少不必要的人工浪費和提高數(shù)據(jù)采集的準確性，提高生產(chǎn)效率，通過生產(chǎn)過程的集中控制和管理還可極大地提高企業(yè)整體效率的競爭能力，提高預測突發(fā)事件的能力和緊急情況下快速反響能力，帶來潛在的社會和經(jīng)濟效益。特別是國內(nèi)近幾年來的油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應用得到了飛速的開展，形成了多處樣板油田和成功應用案例，極大地方便了現(xiàn)場油井管理，提高了生產(chǎn)效率。利用現(xiàn)代自動化技術對采油井的生產(chǎn)管理進行遠程監(jiān)控，是提高石油開采業(yè)的全員生產(chǎn)率，降低石油開采本錢的有效方法之一。使用現(xiàn)本裝置對抽油機進行遠程監(jiān)控對于及時、準確、全面地掌握石油生產(chǎn)情況，進行科學決策有著十分重要的意義?？山档凸と藙趧訌姸?，提高生產(chǎn)率傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，工作量大而繁重，費用高，特別在雨雪天氣，有些井無法采集，嚴重影響生產(chǎn)，采用遠程監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集只需室內(nèi)進行，大大降低工人的勞動強度，同時可減少冗余人員，利于降本增效。便于及時掌握生產(chǎn)情況，利于科學管理傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，通常以人工的方式用報表反映采油情況，難以及時、準確、全面直觀、高效、連續(xù)地反映生產(chǎn)動態(tài)。實現(xiàn)油井的遠程監(jiān)控，管理人員在辦公室或各個測點上就可以直觀地看到所有抽油機的工作情況。隨著無線通訊網(wǎng)的發(fā)展，各級管理部門可隨時掌握一線的生產(chǎn)情況，真正做到運籌帷幄之中，決勝千里之外。便于采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利于科學決策人工采集數(shù)據(jù)，每口井一般每天只測一次工作參數(shù)，為了診斷井下工作情況，一般每口井一到兩周要停機測試一次井下功圖及液面，費時費力。由于數(shù)據(jù)量小，很難做數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。實現(xiàn)遠程監(jiān)控可快速測試并長期保存大量工作數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)進行科學的生產(chǎn)分析，為決策提供可靠論據(jù)。便于及時發(fā)現(xiàn)問題，提高工作效率實現(xiàn)抽油機的遠程監(jiān)控，可以及時發(fā)現(xiàn)油井停電、不正常停機、油管泄漏、凡爾泄漏、液面過低等情況，從而有效地防止設備損壞，減少停機時間。抽油機運行過程中，油井的機電設備難免會出現(xiàn)一些不正常情況，如缺相、井下受卡等，有些情況如能及時發(fā)現(xiàn)并處理，就可以減少或防止油井故障，減少經(jīng)濟損失。另外，本裝置集成了GSM/GPRS、CAN總線、485總線等功能，不單適用于油井的遠程監(jiān)控，對于像路燈、設備較分散的工廠、電力監(jiān)控等各種行業(yè)都有應用價值，可以大大簡化管理方式，節(jié)約企業(yè)本錢，到達減員增效的目的。3、系統(tǒng)設計創(chuàng)意、采用GSM短信通信方式進行數(shù)據(jù)通訊：由于油田都有網(wǎng)覆蓋，利用現(xiàn)有的基站系統(tǒng)，可以很方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程傳輸，不需組建自己的網(wǎng)絡，大大節(jié)省了組網(wǎng)本錢。從根本上解決了采油井分布廣、距離遠而難于用有線方式組網(wǎng)的難題，實現(xiàn)了通過短消息實時進行油井監(jiān)控，并且很好的完成了監(jiān)控任務。該方式充分利用了GS尬網(wǎng)資源，通過GSM通信模塊收發(fā)有限長度的文本信息，實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)的通訊。GSM網(wǎng)絡為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一種便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，利用現(xiàn)有的 GSM網(wǎng)絡資源，發(fā)揮其網(wǎng)絡覆蓋率高、傳輸特性好、建設和維護本錢低等優(yōu)勢，己經(jīng)成為現(xiàn)代國際工業(yè)遠程控制及現(xiàn)場檢測等領域新的開展趨勢，并已廣泛應用于安防報警、電力監(jiān)控等各種行業(yè)。、監(jiān)控軟件設計：利用工業(yè)標準的圖形化開發(fā)環(huán)境LabVIEW設計監(jiān)控軟件。它結合了圖形化編程方式的高性能與靈活性以及專為測試、測量與自動化控制應用設計的高端性能與配置功能，能為數(shù)據(jù)采集、儀器控制、測量分析與數(shù)據(jù)顯示等各種應用提供必要的開發(fā)工具。對報警信息進行處理，并智能化判斷報警信息。如圖11.圖11基于LabVIEW的設計監(jiān)控軟件

3、基于labview的油井網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)設計。通過基于 labview的油井網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)，將監(jiān)控畫面發(fā)布到到internet上，各個管理部門可直接通過瀏覽器訪問實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。如圖11“從網(wǎng)絡端可看到效勞器的運行情況〞。■ 4SfalffB：建他它JOifl-13Q血妙Q{?F?l>O■-V=^MTJ03?teWfl+tfrr/WiTfiE^I idi. 述*工I■ 4SfalffB：建他它JOifl-13Q血妙Q{?F?l>O■-V=^MTJ03?teWfl+tfrr/WiTfiE^I idi. 述*工I映"首在l￡￡,■Ei±￡Jt*5^2022年心1冃1g0O&rf33^46實時電壓日Ml■賓時曲竦価IJJ15J1閔上跟價3UTj貝gCT圖12“從網(wǎng)絡端可看到效勞器的運行情況〞此1值2.S4上■扭那Uftsn j?電軒妥 電機樣姜rTHlx.'lr\\>irfiP4、采用高性能32位RAM微處理器STM32F103RBT作為控制核心：具有高性能、易開發(fā)、高度兼容、低工作電壓、低功耗以及實時、數(shù)字信號處理的32位閃存微控制器。STM公司為用戶提供了標準的固件函數(shù)庫通過使用本固件函數(shù)庫，無需深入了解細節(jié)，用戶可以輕松應用每一個外設。因此可以大大縮短用戶的程序編寫時間，進而降低開發(fā)本錢。5、報警中心的設計：監(jiān)控中心接收到由油井監(jiān)控終端發(fā)來的報警信息，通過對短信內(nèi)容的解讀，恢復成數(shù)傳信號并通過RS-232串口送至監(jiān)控電腦處理，實時監(jiān)測油井報警狀態(tài)。6油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)通常采用 TC35iGSM通信模塊，其工作頻段少，支持900/1800Mhz，不能支持GPRS且功耗較高。本系統(tǒng)設計采用SIM900A無線通信模塊，它有4個工作頻段，支持GSM/GPRS且尺寸小、功耗低。7、油田的采油礦場通常由多口油井、計量間、管匯閥組、轉油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐及油田的其他分散設施組成，整個采油礦場各種設施的工作狀況及采出油品的數(shù)據(jù)〔主要有溫度、壓力、流量等〕將直接關系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質量。面對單個油井的眾多檢測設備，在數(shù)據(jù)傳輸局部建立CAN總線和RS-485總線局域網(wǎng)，再將匯總的信息通過GSM遠傳至監(jiān)控中心。8、圖表功能，根據(jù)實時電流和電壓數(shù)據(jù)繪制變化趨勢曲線圖；根據(jù)遙測上來的載荷、位移參數(shù)值，繪制示功圖；制作實時以及歷史報表。本裝置集成了GSM/GPRS、CAN總線、485總線等功能，不單適用于油井的遠程監(jiān)控，對于像路燈、設備較分散的工廠都有應用價值，都可以大大簡化管理方式，節(jié)約企業(yè)本錢，到達減員增效的目的。4、工程實現(xiàn)介紹(1)信號采集處理監(jiān)控終端的工作狀態(tài)傳感器主要有壓力傳感器、溫度傳感器、可燃性氣體濃度傳感器等。正常工作時，相應的傳感器單元將信號傳輸?shù)?STM32F103RBT微處理器進行A/D轉換，再通過STM32F103RBT微處理器進行信號處理后，以短信或TCP數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问桨l(fā)送到現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡?！?〕通信信道根據(jù)采油井分布廣、距離遠而難于用有線方式組網(wǎng)的問題，在監(jiān)控終端單元和控制站之間傳遞信息，采用GSM短信通信方式進行數(shù)據(jù)通訊。每個監(jiān)測終端和控制端都配備有固定號碼的SIM卡。該系統(tǒng)的通信信道是由中國移動公司提供的GSM網(wǎng)絡。(3)遠程油井診斷對油井的遠程診斷是利用監(jiān)測終端的采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等把采油機的運行參數(shù)(溫度，壓力等)傳回主站的控制中心，經(jīng)控制中心的專家系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)的分析，判斷出采油機的運行狀況，并及時提出調(diào)整建議。遠程油井控制油井遠程控制技術是利用GSMS訊模塊接收主站控制中心的控制指令，經(jīng)處理后產(chǎn)生控制動作，接通或斷開電機控制器，通過控制電機的運行和停止來控制采油機的起抽和停抽。5、團隊及設計過程本團隊由5名大三的本科生組成。在遼寧科技大學學生課外科技活動方案的支持下，經(jīng)過一年時間的不斷完善和進步，完成了此次設計。在設計之初，五個人還是電子設計的門外漢，通過這次設計不但掌握了許多電子設計的知識，還培養(yǎng)了團隊精神，鍛煉了頑強的意志。這些收獲對團隊成員一生的開展都會產(chǎn)