摘? 要: 針對分布式油田的實際需求,研究并實現(xiàn)了基于GPRS的分布式油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)" title="遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)">遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)自動連續(xù)計量、實時監(jiān)控,介紹了系統(tǒng)構(gòu)成及軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法,分析了該系統(tǒng)的應(yīng)用前景。?

　　關(guān)鍵詞: GPRS; 分布式油田; 實時監(jiān)控; 數(shù)據(jù)傳輸?

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　　我國相當(dāng)一部分油田的井場屬于相距較遠(yuǎn)的分散布局,周邊環(huán)境復(fù)雜,獨立儲存,依靠汽車運輸,當(dāng)前多采用看井工人工管理,對每日原油罐的儲存量進(jìn)行統(tǒng)計,因此缺少必要的監(jiān)控手段。在油井的日常維護(hù)工作中,為了及時了解油井的生產(chǎn)狀況,經(jīng)常需要使用測井儀器對各個油井的各種參數(shù)進(jìn)行測量。由于油井分布廣泛,因此,測控中心需要派遣測井隊到野外現(xiàn)場進(jìn)行測井操作,而在此過程中需要與中心進(jìn)行相互溝通,要達(dá)到這個目標(biāo),需要實時地將油罐油量以及一些井場設(shè)備的數(shù)據(jù)傳遞到中心,同時中心也需要傳達(dá)一些必要的文件資料、處理方案等到現(xiàn)場。針對這一現(xiàn)狀,本文提出基于GPRS的分布式油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。?

　　GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換數(shù)據(jù)承載和傳輸方式,該技術(shù)具有傳統(tǒng)方式不可比擬的優(yōu)勢^[1]:?

　　(1)信號覆蓋范圍廣:接入范圍廣,死角少,用戶可充分利用已經(jīng)建立起來的全國范圍的移動通信網(wǎng)絡(luò),方便快速地為數(shù)據(jù)終端遠(yuǎn)程接入網(wǎng)絡(luò)。?

　　(2)計費合理:GPRS實行按流量收費或者包月服務(wù),用戶只有在發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)的時候才占用資源,用戶實時在線。?

　　(3)免于維護(hù):GPRS業(yè)務(wù)的維護(hù)工作由中國移動完成,不需要由使用單位投資建立維護(hù)通信設(shè)施。?

　　(4)通信可靠性高:GPRS具有保密性高、可靠性高、抗干擾能力強等特點,保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄院涂煽啃浴?

　　因此,使用基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸方式將大大降低企業(yè)運營成本,同時可使管理人員實時、集中地收集井場數(shù)據(jù),監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運行狀況,實現(xiàn)綜合科學(xué)的管理調(diào)度。?

　　本系統(tǒng)應(yīng)用于延長油田股份有限公司,系統(tǒng)利用中國移動的GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò),各井場的監(jiān)控數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器匯總并用GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的油罐數(shù)據(jù)、井場設(shè)備工作數(shù)據(jù)等送回控制中心,然后由中心內(nèi)系統(tǒng)軟件進(jìn)行后續(xù)處理,并提供各種統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)給油田管理部門和相關(guān)決策機構(gòu),為油田科學(xué)有效管理提供了保障。本文從對該系統(tǒng)的分析出發(fā),介紹了基于VB.NET技術(shù)體系的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件的實現(xiàn)。?

1 系統(tǒng)方案?

　　系統(tǒng)由三大部分組成:現(xiàn)場終端設(shè)備、GPRS網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心管理軟件。現(xiàn)場測試終端包括三部分:測井儀器(包括液位傳感器、報警傳感器、角位移傳感器、載荷傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等)、采集器以及GPRS通信模塊。由各傳感器獲得油井的各種參數(shù)數(shù)據(jù),并將其傳送給現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集器(自行研制開發(fā)),采集器通過RS-232/485總線傳輸給GPRS通信模塊,通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給Internet,數(shù)據(jù)包通過IP尋址方式找到監(jiān)控中心服務(wù)器,實現(xiàn)如圖1所示的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程的通信。?

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2 系統(tǒng)設(shè)計?

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計?

　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是本系統(tǒng)的一個重要組成部分,它作為監(jiān)控中心與各現(xiàn)場監(jiān)測點信息交換的樞紐,對系統(tǒng)的性能、可靠性、穩(wěn)定性起著非常重要的作用。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以及Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,關(guān)鍵問題是傳輸協(xié)議" title="傳輸協(xié)議">傳輸協(xié)議的選擇。目前應(yīng)用最為廣泛的兩種傳輸層協(xié)議分別為UDP和TCP,至于如何選擇,并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn),需要根據(jù)系統(tǒng)實際情況進(jìn)行分析比較。?

　　UDP協(xié)議由于其不提供數(shù)據(jù)傳送的保證機制,稱為不可靠的傳輸協(xié)議^[2]。因為如果從發(fā)送方到接收方的傳遞過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)報丟失,協(xié)議本身并不能做出任何檢測或提示,也不進(jìn)行恢復(fù)。因此,一般應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量不大且可靠性要求不高的場合。?

　　TCP協(xié)議是面向連接的可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議^[3],具有很高的數(shù)據(jù)安全性,提供了可靠、有序、端到端的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù),一般應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量大或可靠性要求高的場合。?

　　由于測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量要求比較大(相對于GPRS業(yè)務(wù)所提供的傳輸帶寬來說),并且是在Internet中進(jìn)行傳輸,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境比較復(fù)雜,且對數(shù)據(jù)的可靠性、準(zhǔn)確性要求比較高,因此本系統(tǒng)采用TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。?

　　在延長油田各井場都覆蓋了GPRS網(wǎng)絡(luò),井場下位機" title="下位機">下位機接入到GPRS網(wǎng)后獲得一個延長油田內(nèi)部的IP地址,通過TCP/IP" title="TCP/IP">TCP/IP協(xié)議與監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時交互傳輸。為了驗證GPRS的數(shù)據(jù)傳輸方案以及使用流式套接字網(wǎng)絡(luò)編程的可行性,系統(tǒng)使用自己編寫的通信測試程序,在延長油田采油一大隊進(jìn)行了實地測試。測試的性能參數(shù)包括數(shù)據(jù)吞吐量(瞬時、平均)、RTT(收發(fā)一個循環(huán))時延" title="時延">時延(最大時延、最短時延)、平均誤幀率,如表1所示。?

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　　經(jīng)過實地試驗,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延是RTT時延的一半,通常情況下的延遲不到500ms,完全能夠滿足實時性的要求,且采用TCP協(xié)議,丟幀和錯幀非常少,能夠很好地滿足通信可靠性和安全性的要求。?

　　下位機通過撥號接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)后獲得一個延長油田內(nèi)部的IP地址,油井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)以及監(jiān)控中心的反控指令通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。?

2.2? 硬件設(shè)計?

　　本系統(tǒng)由分布在不同井場的下位機和監(jiān)控中心的上位機形成的分布式油田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。經(jīng)過嚴(yán)格的理論分析和實際測試,最終選定的。主要硬件有:液位傳感器、報警傳感器、角位移傳感器、載荷傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、壓力傳感器等傳感器、ETR186T嵌入式網(wǎng)絡(luò)模塊^[4]、ARK-24016亞當(dāng)模塊^[5]、西門子公司的MC35i模塊、帶若干232/485擴展口和支持ETR186T開發(fā)的應(yīng)用目標(biāo)板、提供5V直流供電的電源,具體組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。采集器對各個傳感器進(jìn)行監(jiān)聽,通過RS-232/485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。上位機主要為監(jiān)控中心,監(jiān)控中心主要由數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計算機組成。?

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2.3 軟件設(shè)計?

　　本系統(tǒng)的軟件主要由上下位機管理軟件組成。?

　　下位機管理軟件采用C語言編寫,主要負(fù)責(zé)接收各傳感器上發(fā)出的數(shù)據(jù)、建立GPRS網(wǎng)絡(luò)通信、解析監(jiān)控中心下達(dá)的各種命令并向各傳感器下達(dá)反控指令,其關(guān)鍵就是GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的建立。?

　　GPRS的通信采用TCP/IP協(xié)議,以保證數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的安全可靠傳輸。設(shè)計中TCP/IP協(xié)議采用瑞士計算機科學(xué)院的Adam Dunkels 等開發(fā)的一套用于嵌入式系統(tǒng)的源代碼開發(fā)的TCP/IP協(xié)議棧lwip。下面是創(chuàng)建一個和TCP/IP相關(guān)的新進(jìn)程的代碼示例。?

??? # define LWIP_STK_SIZE??????????10*24?//和TCP/IP相關(guān)任務(wù)的堆棧的大小?

??? # define LWIP_TASK_SIZE???? ??? 5字節(jié)?//和TCP/IP相關(guān)任務(wù)的最多數(shù)目?

??? # define LWIP_START_PRIO??? ??? 5字節(jié)?//和TCP/IP相關(guān)任務(wù)的起始優(yōu)先級?

??? OS_STKLWIP_TASK_STK[LWIP_TASK_MAX][LWIP_STK_SIZE];//和TCP/IP相關(guān)堆棧區(qū)?

??? Us8_t?? curr_prio_offset;?

??? Sys_thread_t;?

??? Sys_systhread_new (void(* function)(void * arg),void * arg, int prio) ? //略?

　　上位機管理軟件是面向用戶的可視化的操作軟件,界面如圖3所示,用戶可以通過它實時查詢各油井的工作狀態(tài)并下達(dá)相應(yīng)的管理意見。本系統(tǒng)采用基于Windows XP的Visua Basic.net編寫了此軟件,使用Winsock控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。Winsock^[6]是Windows操作系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)編程的接口,它給程序員提供了訪問TCP和UDP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的方便途徑。?

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　　上位機與下位機進(jìn)行通信,需設(shè)置其數(shù)據(jù)的格式,本項目中數(shù)據(jù)格式如表2所示。

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　　本系統(tǒng)已在延長油田部分井場試運行了一年,整個系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的精度和可靠性要求,大大提高了油田管理的自動化水平,給油田帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。我國有大部分的油田屬于分散式布局,故本系統(tǒng)的開發(fā)將大大地提高這類油田的管理效率。?

　　本系統(tǒng)的不足之處在于,由于受GPRS數(shù)據(jù)傳輸模式的限制,其流量不能滿足實時圖像傳輸?shù)囊?。相信隨著GPRS技術(shù)的日益成熟,無線監(jiān)控技術(shù)必將在各個行業(yè)中發(fā)揮重要的作用。?

參考文獻(xiàn)?

[1] 林梅金,羅飛,李如雄.GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機工程,2006,32(3):240-247.?

[2] 王繼剛,顧國昌,徐立峰,等. 可靠UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的研究與設(shè)計[J]. 計算機工程與應(yīng)用, 2006,42(15):113-116.?

[3] 梁鴻,劉芳.基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測系統(tǒng)模型的研究[J]. 計算機系統(tǒng)應(yīng)用, 2006,16(6):30-33.?

[4] 成都英創(chuàng)信息技術(shù)有限公司.NB100網(wǎng)絡(luò)模塊.http://www.emtronix.com,2006.?

[5] 研祥智能科技股份有限公司.亞當(dāng)模塊ARK-14017.http://www.evoc.com,2005.?