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【摘 要】 给出了一种能实时远程测控油田注水设备的系统。该系统采用工控PC作上位机，以多个AT89C52单片机为下位机，上、下位机通过RS－485连接构成总线型网络。
关键词：注水系统，RS┐485，AT89C52，自动测控
目前，我国油田工业自动化程度较低，油田生产中的重要部门注水站一直由工作人员日夜在户外监视其状态，注水泵机组在工作时，处于高电压、高电流、高液压的状态，一旦有异常极易酿成重大事故，如泵机开裂、爆炸、盘根刺水、电机和泵轴承以及轴瓦过热烧损、泵体振动过大等，甚者导致人员伤亡；另外，由于输送管线距离长，偷水、偷油的现象时有发生。因此，研制注水站微机测控系统对于油田提高工作效率、减少经济损失、保障安全生产具有十分重要的意义。
1 注水站工作、安全防范要求
某油田注水站井、泵布局图及编号，如图1所示。
其中，栓塞泵是注水站的关键设备，其功能是给地下高压注水，以保持足够的地下油压，本站有7个泵。注水泵与单井、汇管联合工作构成油田注水站注水系统。要求系统能够对以下设备的相关参数进行实时监测与控制：
（1）高压栓塞泵机组
·栓塞泵出口压力实时监测及上限报警并可以自动停泵；
·电机温度实时监测及上限报警，可以自动停泵；
·电机三相电流实时监测及上、下限报警，可以自动停泵；
·电压实时监测及上、下限报警；
·曲轴箱温度实时监测及上、下限报警并可以自动停泵；
·盘根刺水实时监测及报警；
·振动实时监测及报警并可以自动停泵。
（2）单井、停注井
·压力实时监测及上、下限报警；
·停注井瞬时流量监测及上、下限报警；
·累积流量实时监测；
·盗水报警。
（3）常、高压汇管压力的实时监测及上、下限报警。
2 系统逻辑结构
在工控设计中，以单片机为主体构成的数据采集和控制系统，其附加电路结构简单、工作稳定可靠，并且多种微处理芯片中都集成了串行通信接口，使用这些串行通信接口和RS－485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。这种网络结构具有接口简单，灵活性好，价格低，易于控制，传输距离可以达到1200米以上等优点。
本系统就是以总线传输形式，外挂测量终端（最多可达32台），由上位机统一管理的多结构双向式测控系统，每个栓塞泵各配备一套数据测控终端和一套智能流量积算仪，每个单井配备有一套流量积算仪、全部单井配备两套压力数据采集终端，前端均为各参量的测量变送器。值班室配有一台工业控制计算机，并利用原来的交直流控制结构组成完整的数据采集、传输、处理与控制系统。
2．1 系统结构图
系统结构图见图2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃终端为数据测控终端，除15＃、16＃用于测量两个汇管及8口单井的压力外，其余都用于测量注水泵的参数。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃终端为智能流量计，前7个用于测量7个泵的瞬时、累积流量，后8个用于测量8口井的流量。
2．2 系统结构
系统按结构分为以下几部分：
（1）现场的传感器与变送器部分
设备所需的测控值与传感器、变送器的对照表见表1。
（2）现场的数据测量终端与流量积算仪
·现场的每台栓塞泵除流量变送器信号进流量积算仪外，其他的变送器信号均进数据测量终端，即每台栓塞泵有一个数据测量终端与一个智能流量积算仪。
·现场的所有单井的压力与高压汇管、常压汇管的压力共用两个数据测量终端。
·现场的每口单井各有一个智能流量积算仪，
智能流量积算仪具有独立的总线接口，它可以直接上传测量的瞬时流量值与累积流量值给电脑工作站。
（3）交直流控制部分
交直流控制部分利用原有的控制元件对栓塞泵进行停泵控制。
（4）电脑工作站（位于值班室）
接收数据测量终端与智能流量积算仪上传的数据，并进行计算、分析，可以显示测量值、报警值及设定报警限值，须能够根据用户的要求及时控制停机并形成数据报表供打印输出。
3 系统实现
系统实现分为以下三步：
3．1 确定系统上位机与各测控设备的通信协议和 帧结构3．1．1 主机发
（1）给终端机的写操作（发控制命令） FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校验和求反
（写）主机地址从机地址
（2）给终端机的读操作（要数据）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校验和求反
（读）主机地址从机地址
（3）给流量表的读操作（要数据）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校验和求反
（读）主机地址从机地址3．1．2 从机响应
（1）给主机发数据（即接到“83H”（读）回答）表1
FRAME－HEADER2，83H，XXH，01H，XXH，FRAME－DATA，校验和求反
从机地址主机地址数据字节数要上传的第一组回传数据
FRAME－DATA结构见表2。
（2）接主机的控制命令（即接到“81H”（写）控制命令码）
FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校验和求反
从机地址主机地址3．1．3 几点说明
以上地址与数据为BCD码，高位在前、低位在后；
校验和求反为从FDH（包含FDH）到校验和之前的各字节代数和再求反；
通讯速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位数据位，无校验。
3．2 硬件设计
3．2．1 数据测控终端机原理
数据测控终端机原理图如图3所示。
此数据测量终端是以单片机为核心，辅以高精度A／D转换器制造而成的高精度、高可靠性、功能齐全的智能化数据采集终端。该机设有程序随机存储器（EEPROM）及程序看门狗电路，保证了数据存贮与传输的可靠性。该机可巡检8～32路的模拟量，8路的开关量，同时又具有4路的控制量输出；设有RS485总线接口，方便了数据的传输，可以随时接收上位机发来的控制命令。测量终端可以显示每路的测量值，平时测量终端轮流显示8路模拟测量值与3位开关量测量值。本机地址通过键盘设置。
数据测控终端程序框图如图4所示。
3．2．2 智能流量积算仪原理
智能流量积算仪原理图如图5所示。
智能流量积算仪是以高性能、低功耗的COMS单片机和宽温度范围的液晶显示器为核心，以＋24V电源或电池供电的高技术、高精度的智能流量积算仪，可根据不同口径设置系数K，以便提高计算和显示的精度；可直接接收频率信号，也可通过加附件接收模拟信号；可根据用户需要设置参数；具有四种输出方式（即频率量输出、脉冲报警、模拟量输出和485接口）；具有小数点移位功能，从而实现了与任何口径的流量计的配套使用；反应灵敏、计算精确、操作简便、工作可靠、维修量少。该智能流量积算仪防爆标志为dⅡBT4，可以在具有爆炸危险的场所使用。
流量积算器计算公式：
累积流量：Q累＝N／（1000×K）；单位m3
瞬时流量：Q瞬＝3．6×f／K；单位m3／h
其中：
f—脉冲频率（Hz）；
K—仪表常数（脉冲／升）；N—脉冲数。
数据测控终端程序框图如图6所示。
3．3 上位机软件设计
为了值班工人能从软件画面中迅速直观地获得各设备的运行状态并控制设备，软件主要采用现场平面图与独立设备流程图结合的GUI（图形用户界面）来测控。现场平面图画面中17个设备按钮分布图同现场设备分布完全相同，并辅以24个终端与设备的连线图及相应的控制，而且动画显示了上下通讯的情况，注水泵、单井、汇管的开关状态等信息，点击设备按钮，即可进入相应设备的工作流程图。在单个设备画面中，动画地显示设备的工作运行流程，实时显示此设备的相关数据，在密码确认后可设置报警上下限、停机门限等参数，可查看此设备的报警历史信息。当设备或终端出现异常或状态改变时，在相应画面的相应位置上会出现警告或变动。情况紧急时，软件会按照预先安排的处理方案自动处理，准确及时地排除险情。为了使值班人员，尤其是夜班人员能够注意到异常情况的发生，报警模块通过屏幕闪烁、不断发出报警声音、弹出报警信息等手段提醒情况的发生。技术人员可在工具栏选项中获得更详细的通信细节资料，从而方便了检修调试。
在打印模块中，通过程序实现了数据库、报表与操作员间的灵活接口，解决了普通计算机报表形式单一的问题，并能方便地通过选择时间、设备等关键信息查看或打印相应的历史数据。
软件流程图如图7所示。
本系统实现了油田注水站的自动化管理，可以在无人值守的情况下遥控有故障的栓塞泵停止工作，可根据现场的异常情况进行相应的报警，并可通过停注井的压力检测及时发现水、油盗窃的现象，确保了注水系统的安全性、可靠性，从而全面实现了所需的各项指标和技术要求。此外，本系统还具有许多优点。首先，系统终端机具有数据采集、显示、传输及控制的功能，设有EEPROM掉电保护及程序看门狗电路，保证参数设置不会丢失。其数据测控终端是一种多功能、可广泛使用在各种工业自动化控制场所的设备。其次，该系统数据传输采用隔离技术的RS485接口，可靠性高，误码率低于10－6的用户界面，简单直观；在值班室可随时调看需要的各种设备工作参数；可设置各参量的报警上下限值和停泵极
限值，以便根据用户的要求控制停泵；可查看报警的历史记录及设备工作历史记录，并可形成报表打印。该系统在油田测控领域处于领先水平，具有良好的推广潜力。
参考文献
1 何立民．单片机应用文集．北京：北京航空航天大学出版社，1993
2 李 华．MSC－51系列单片机使用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999
3 张振荣，晋明武，王毅平编著．CS51单片机原理及应用技术．北京：人民邮电出版社，2000
关键词：注水系统，RS┐485，AT89C52，自动测控
目前，我国油田工业自动化程度较低，油田生产中的重要部门注水站一直由工作人员日夜在户外监视其状态，注水泵机组在工作时，处于高电压、高电流、高液压的状态，一旦有异常极易酿成重大事故，如泵机开裂、爆炸、盘根刺水、电机和泵轴承以及轴瓦过热烧损、泵体振动过大等，甚者导致人员伤亡；另外，由于输送管线距离长，偷水、偷油的现象时有发生。因此，研制注水站微机测控系统对于油田提高工作效率、减少经济损失、保障安全生产具有十分重要的意义。
1 注水站工作、安全防范要求
某油田注水站井、泵布局图及编号，如图1所示。
其中，栓塞泵是注水站的关键设备，其功能是给地下高压注水，以保持足够的地下油压，本站有7个泵。注水泵与单井、汇管联合工作构成油田注水站注水系统。要求系统能够对以下设备的相关参数进行实时监测与控制：
（1）高压栓塞泵机组
·栓塞泵出口压力实时监测及上限报警并可以自动停泵；
·电机温度实时监测及上限报警，可以自动停泵；
·电机三相电流实时监测及上、下限报警，可以自动停泵；
·电压实时监测及上、下限报警；
·曲轴箱温度实时监测及上、下限报警并可以自动停泵；
·盘根刺水实时监测及报警；
·振动实时监测及报警并可以自动停泵。
（2）单井、停注井
·压力实时监测及上、下限报警；
·停注井瞬时流量监测及上、下限报警；
·累积流量实时监测；
·盗水报警。
（3）常、高压汇管压力的实时监测及上、下限报警。
在工控设计中，以单片机为主体构成的数据采集和控制系统，其附加电路结构简单、工作稳定可靠，并且多种微处理芯片中都集成了串行通信接口，使用这些串行通信接口和RS－485接口驱动芯片就可以构成总线型通信网络，从而将多台单片机系统连接成一个分布式数据采集和控制系统。这种网络结构具有接口简单，灵活性好，价格低，易于控制，传输距离可以达到1200米以上等优点。
本系统就是以总线传输形式，外挂测量终端（最多可达32台），由上位机统一管理的多结构双向式测控系统，每个栓塞泵各配备一套数据测控终端和一套智能流量积算仪，每个单井配备有一套流量积算仪、全部单井配备两套压力数据采集终端，前端均为各参量的测量变送器。值班室配有一台工业控制计算机，并利用原来的交直流控制结构组成完整的数据采集、传输、处理与控制系统。
2．1 系统结构图
系统结构图见图2。其中，2＃、4＃、6＃、8＃、10＃、12＃、14＃、15＃、16＃终端为数据测控终端，除15＃、16＃用于测量两个汇管及8口单井的压力外，其余都用于测量注水泵的参数。1＃、3＃、5＃、7＃、9＃、11＃、13＃、17＃、18＃、19＃、20＃、21＃、22＃、23＃、24＃终端为智能流量计，前7个用于测量7个泵的瞬时、累积流量，后8个用于测量8口井的流量。
2．2 系统结构
系统按结构分为以下几部分：
（1）现场的传感器与变送器部分
设备所需的测控值与传感器、变送器的对照表见表1。
（2）现场的数据测量终端与流量积算仪
·现场的每台栓塞泵除流量变送器信号进流量积算仪外，其他的变送器信号均进数据测量终端，即每台栓塞泵有一个数据测量终端与一个智能流量积算仪。
·现场的所有单井的压力与高压汇管、常压汇管的压力共用两个数据测量终端。
·现场的每口单井各有一个智能流量积算仪，
智能流量积算仪具有独立的总线接口，它可以直接上传测量的瞬时流量值与累积流量值给电脑工作站。
（3）交直流控制部分
交直流控制部分利用原有的控制元件对栓塞泵进行停泵控制。
（4）电脑工作站（位于值班室）
接收数据测量终端与智能流量积算仪上传的数据，并进行计算、分析，可以显示测量值、报警值及设定报警限值，须能够根据用户的要求及时控制停机并形成数据报表供打印输出。
3 系统实现
系统实现分为以下三步：
3．1 确定系统上位机与各测控设备的通信协议和 帧结构3．1．1 主机发
（1）给终端机的写操作（发控制命令） FRAME－HEADER1，81H，01H，XXH，01H，01H，校验和求反
（写）主机地址从机地址
（2）给终端机的读操作（要数据）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，11H，校验和求反
（读）主机地址从机地址
（3）给流量表的读操作（要数据）
FRAME－HEADER1，83H，01H，XXH，01H，06H，校验和求反
（读）主机地址从机地址3．1．2 从机响应
（1）给主机发数据（即接到“83H”（读）回答）表1
从机地址主机地址数据字节数要上传的第一组回传数据
FRAME－DATA结构见表2。
（2）接主机的控制命令（即接到“81H”（写）控制命令码）
FRAME－HEADER2，81H，XXH，01H，01H，01H，校验和求反
从机地址主机地址3．1．3 几点说明
以上地址与数据为BCD码，高位在前、低位在后；
校验和求反为从FDH（包含FDH）到校验和之前的各字节代数和再求反；
通讯速率：1200波特率；一位起始位，一位停止位，八位数据位，无校验。
3．2 硬件设计
3．2．1 数据测控终端机原理
数据测控终端机原理图如图3所示。
此数据测量终端是以单片机为核心，辅以高精度A／D转换器制造而成的高精度、高可靠性、功能齐全的智能化数据采集终端。该机设有程序随机存储器（EEPROM）及程序看门狗电路，保证了数据存贮与传输的可靠性。该机可巡检8～32路的模拟量，8路的开关量，同时又具有4路的控制量输出；设有RS485总线接口，方便了数据的传输，可以随时接收上位机发来的控制命令。测量终端可以显示每路的测量值，平时测量终端轮流显示8路模拟测量值与3位开关量测量值。本机地址通过键盘设置。
数据测控终端程序框图如图4所示。
智能流量积算仪原理图如图5所示。
流量积算器计算公式：
累积流量：Q累＝N／（1000×K）；单位m3
瞬时流量：Q瞬＝3．6×f／K；单位m3／h
其中：
f—脉冲频率（Hz）；
K—仪表常数（脉冲／升）；N—脉冲数。
数据测控终端程序框图如图6所示。
3．3 上位机软件设计
为了值班工人能从软件画面中迅速直观地获得各设备的运行状态并控制设备，软件主要采用现场平面图与独立设备流程图结合的GUI（图形用户界面）来测控。现场平面图画面中17个设备按钮分布图同现场设备分布完全相同，并辅以24个终端与设备的连线图及相应的控制，而且动画显示了上下通讯的情况，注水泵、单井、汇管的开关状态等信息，点击设备按钮，即可进入相应设备的工作流程图。在单个设备画面中，动画地显示设备的工作运行流程，实时显示此设备的相关数据，在密码确认后可设置报警上下限、停机门限等参数，可查看此设备的报警历史信息。当设备或终端出现异常或状态改变时，在相应画面的相应位置上会出现警告或变动。情况紧急时，软件会按照预先安排的处理方案自动处理，准确及时地排除险情。为了使值班人员，尤其是夜班人员能够注意到异常情况的发生，报警模块通过屏幕闪烁、不断发出报警声音、弹出报警信息等手段提醒情况的发生。技术人员可在工具栏选项中获得更详细的通信细节资料，从而方便了检修调试。
在打印模块中，通过程序实现了数据库、报表与操作员间的灵活接口，解决了普通计算机报表形式单一的问题，并能方便地通过选择时间、设备等关键信息查看或打印相应的历史数据。
软件流程图如图7所示。
本系统实现了油田注水站的自动化管理，可以在无人值守的情况下遥控有故障的栓塞泵停止工作，可根据现场的异常情况进行相应的报警，并可通过停注井的压力检测及时发现水、油盗窃的现象，确保了注水系统的安全性、可靠性，从而全面实现了所需的各项指标和技术要求。此外，本系统还具有许多优点。首先，系统终端机具有数据采集、显示、传输及控制的功能，设有EEPROM掉电保护及程序看门狗电路，保证参数设置不会丢失。其数据测控终端是一种多功能、可广泛使用在各种工业自动化控制场所的设备。其次，该系统数据传输采用隔离技术的RS485接口，可靠性高，误码率低于10－6的用户界面，简单直观；在值班室可随时调看需要的各种设备工作参数；可设置各参量的报警上下限值和停泵极
限值，以便根据用户的要求控制停泵；可查看报警的历史记录及设备工作历史记录，并可形成报表打印。该系统在油田测控领域处于领先水平，具有良好的推广潜力。
参考文献
2 李 华．MSC－51系列单片机使用接口技术．北京：北京航空航天大学出版社，1999
3 张振荣，晋明武，王毅平编著．CS51单片机原理及应用技术．北京：人民邮电出版社，2000
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