摘  要： 對(duì)油田中的抽油機(jī)進(jìn)行維護(hù)時(shí)，傳統(tǒng)方式有很多弊端，如油井位置遠(yuǎn)，人員現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)困難，全面檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)且不能第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)故障，導(dǎo)致影響生產(chǎn)進(jìn)度等問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了STM32和GPRS模塊無(wú)線油井監(jiān)控器，可以遠(yuǎn)程對(duì)抽油機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和控制，在監(jiān)控中心服務(wù)器即可完成對(duì)油機(jī)狀態(tài)的監(jiān)控，且采用無(wú)線油井監(jiān)控器方案具有實(shí)施方便快速、查看故障點(diǎn)直觀、節(jié)省人力和物力成本、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞： STM32；無(wú)線；GPRS；油井控制器

0 引言

　　隨著科技的進(jìn)步，石油工業(yè)正在向智能化和信息化發(fā)展，企業(yè)信息化和管控一體化已成為實(shí)現(xiàn)“降本增效，提高管理水平”這一油田改革目標(biāo)中的一個(gè)重要課題。隨著油田采油信息化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展和拓寬，采油設(shè)備的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)與信息技術(shù)的緊密結(jié)合成為石油工業(yè)發(fā)展的必然。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)辟了新的有效途徑，通過(guò)安裝在油井的數(shù)據(jù)監(jiān)控設(shè)備，可以直接將井場(chǎng)采油機(jī)運(yùn)行工作狀況的有關(guān)數(shù)據(jù)傳送到采油部門(mén)的監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)油井的實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送，逐步形成油田生產(chǎn)管理與監(jiān)控一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，將油田油井及管網(wǎng)監(jiān)控與生產(chǎn)調(diào)度管理整合成一個(gè)整體方案。使用基于STM32和GPRS的無(wú)線油井監(jiān)控器，可組成一套先進(jìn)的、高可靠性、高性價(jià)比的綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)將大大提高管理和維護(hù)效率。相對(duì)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在節(jié)能和日常維護(hù)上將產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)原理分析

　　無(wú)線油井監(jiān)控器的構(gòu)成如圖1所示，包括高性能32位ARM處理器、高可靠性GPRS模塊、斷電儲(chǔ)能模塊、斷電數(shù)據(jù)保存單元、隔離RS485通訊單元和開(kāi)出等。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離短信通訊、GPRS通訊、RS485通訊；可檢測(cè)3路模擬量、自身運(yùn)行電壓；并有斷電告警、模擬量異常告警等功能。該系統(tǒng)可與中心站監(jiān)控軟件配合組成綜合自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，也可以根據(jù)實(shí)際需求做相應(yīng)的配置，從而應(yīng)用到不同領(lǐng)域。

　　GPRS通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)是如今移動(dòng)通信網(wǎng)中的成熟技術(shù)，完成了無(wú)線Internet接入，能向用戶提供Internet所能提供的一切功能。這種技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組（TCP/IP）傳送，可以接入基于TCP/IP的外部網(wǎng)絡(luò)和X.25網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)從空中接口到外部網(wǎng)絡(luò)之間的分組數(shù)據(jù)傳輸，并提供透明通道。網(wǎng)絡(luò)容量?jī)H在需要時(shí)才分配，一旦分組完成發(fā)送任務(wù)，信道容量立即釋放，所以提供了即時(shí)連接和高效傳輸，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線的功能。GPRS的設(shè)計(jì)既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，因此，它是一種經(jīng)濟(jì)高效的分組數(shù)據(jù)技術(shù)。用戶在擁有一個(gè)電話號(hào)碼的同時(shí)將擁有一個(gè)固定的或動(dòng)態(tài)分配的IP地址，可以方便地實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有Internet數(shù)據(jù)網(wǎng)的無(wú)縫連接[1]。

　　當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊發(fā)現(xiàn)油機(jī)故障或異常（比如停機(jī)、過(guò)流、皮帶打滑等）時(shí)，會(huì)通過(guò)GPRS方式把數(shù)據(jù)上報(bào)給控制中心，也可以通過(guò)短信方式直接上報(bào)給維護(hù)人員，由于數(shù)據(jù)中有故障油井名稱編號(hào)等信息，方便維護(hù)人員第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。監(jiān)測(cè)模塊以GPRS通訊為主，與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，GPRS按流量計(jì)費(fèi)，可以有效降低通信成本。短信和RS485方式為輔，進(jìn)行定值設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸和故障報(bào)警，多種方式可以滿足不同情況的需要，可以使工作更加高效、快捷。用主控芯片內(nèi)部集成ADC采集相關(guān)油井工作的電流參數(shù)可以判斷出油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。使用設(shè)計(jì)斷電儲(chǔ)能單元，即使模塊供電故障也可以報(bào)警[2]。

2 電路設(shè)計(jì)方案

　　無(wú)線油井檢測(cè)模塊系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。監(jiān)控器選用微控制器STM32芯片，通過(guò)串口連接GPRS模塊SIM900A，并與外圍電源電路、485通訊電路、ADC測(cè)量模擬量電路、開(kāi)出電路共同組成系統(tǒng)硬件。

　　STM32F103系列芯片是意法半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的高性能、低成本、低功耗的ARM Cortex-M3內(nèi)核的32位微控制器，時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置達(dá)128 KB閃存，零等待周期的存儲(chǔ)器。它還有豐富的外設(shè)接口，能夠高效地處理數(shù)據(jù)，保證程序處理速度和性能上的冗余。采用低功耗設(shè)計(jì)，降低能耗的同時(shí)可以提高模塊的使用壽命。本文選用了STM32F103RBT6芯片，2個(gè)12位的?滋s級(jí)的A/D轉(zhuǎn)換器。2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)I2C接口（SMBus/PMBus）、3個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口、一個(gè)CAN接口、內(nèi)置軟件看門(mén)狗等[3]。

　　SIM900A模塊是SIMCom公司推出的新款緊湊型產(chǎn)品，它屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高。SIM900A采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為GSM/GPRS 850/900/1 800/1 900 MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。另外，SIM900A的尺寸大小為24 mm×24 mm×3 mm，能適用于M2M應(yīng)用中的各類設(shè)計(jì)需求，標(biāo)準(zhǔn)串口通過(guò)AT命令控制，尤其適用于緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)[4]。

　　主控芯片通過(guò)串口1與SIM900模塊連接通訊，實(shí)現(xiàn)配置GPRS模塊和收發(fā)數(shù)據(jù)，用串口2連接MAX485接口芯片實(shí)現(xiàn)485通訊功能；通過(guò)I2C總線接口連接EEPROM芯片AT24C64，實(shí)現(xiàn)定制數(shù)據(jù)的掉電存儲(chǔ)；通過(guò)LM6482運(yùn)放搭建濾波器連接STM32片上AD，通過(guò)連接電流互感器對(duì)抽油機(jī)的電流進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；電源部分采用LM2576為SIM900模塊供電，通過(guò)ASM1117芯片為STM32芯片供電，并加入超級(jí)電容單元，即使監(jiān)控器突然斷電，仍然可以上傳斷電故障信息。

　　布局方面，由于SIM900A天線部分射頻頻率較高，采用靠近線路板邊緣側(cè)，周圍鋪地處理，天線引線采用射頻專業(yè)同軸屏蔽電纜，應(yīng)盡量短，接至金屬機(jī)殼外部。對(duì)強(qiáng)干擾信號(hào)造成的運(yùn)行出錯(cuò)采用軟硬件自恢復(fù)電路處理，保證在無(wú)人值守時(shí)也能可靠運(yùn)行。對(duì)采集到的交流信號(hào)端加入TVS和穩(wěn)壓管，實(shí)行防電脈沖沖擊和防雷保護(hù)措施，已在實(shí)際應(yīng)用中獲得了極好的效果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。上電啟動(dòng)后，首先對(duì)硬件和AD進(jìn)行初始化，并對(duì)I/O端口、運(yùn)行燈、EEPROM及兩個(gè)串口進(jìn)行初始化，分別設(shè)置相應(yīng)的波特率以及數(shù)據(jù)格式。然后對(duì)SIM900初始化，通過(guò)串口發(fā)送AT命令，設(shè)置各項(xiàng)功能參數(shù)（比如設(shè)置預(yù)定的IP地址），再檢測(cè)是否正確連接入網(wǎng)，如果連接正常，則根據(jù)ADC采集數(shù)據(jù)判斷油井狀態(tài)，把數(shù)據(jù)從串口1發(fā)送到GPRS模塊，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)TCP協(xié)議方式把狀態(tài)信息傳送到監(jiān)控中心所預(yù)定的目的IP地址上去。

　　模塊可以根據(jù)油井當(dāng)前運(yùn)行的電流值，判斷當(dāng)前油井電機(jī)工作的狀態(tài)。異常數(shù)據(jù)會(huì)與EEPROM中設(shè)定的上下限定值相比較，做出異常判斷，如油井電機(jī)停機(jī)、油井?dāng)嚯?、電流異常等情況。同樣，監(jiān)控中心可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)下發(fā)和更改定值到檢測(cè)模塊以適應(yīng)不同規(guī)格的油井油機(jī)。根據(jù)需要配置是否進(jìn)行RS485通訊、或短信通訊上報(bào)數(shù)據(jù)或報(bào)警信息。如果GPRS網(wǎng)絡(luò)正在傳送的數(shù)據(jù)忽然斷開(kāi)或者其他外界原因引起GPRS傳輸出現(xiàn)問(wèn)題，這時(shí)還持續(xù)向GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，在傳送數(shù)據(jù)的過(guò)程中加入了判斷SIM900模塊是否加入網(wǎng)絡(luò)的程序，檢測(cè)入網(wǎng)AT指令和串口數(shù)據(jù)檢測(cè)方式，如果下發(fā)數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有收到應(yīng)答則判斷為網(wǎng)絡(luò)故障，會(huì)重新進(jìn)行GPRS連接，等到網(wǎng)絡(luò)連接建好之后再繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論

　　經(jīng)實(shí)踐證明，使用基于STM32和GPRS無(wú)線油井監(jiān)控器達(dá)到了較好的效果，采用GPRS無(wú)線通信，免去控制線的布線繁瑣。監(jiān)控器模塊對(duì)油機(jī)供電網(wǎng)絡(luò)掉電或異常檢測(cè)并發(fā)送報(bào)警，避免了不必要的故障查找。監(jiān)控器模塊可輸入指定的區(qū)別名稱，當(dāng)發(fā)送故障時(shí)，可直接定位到具體的線路。監(jiān)控器模塊帶有獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)，也可脫離監(jiān)控中心獨(dú)立執(zhí)行命令。當(dāng)監(jiān)控中心發(fā)生停電或者其他系統(tǒng)故障以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)故障時(shí)，監(jiān)控器模塊可獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)，例如直接給管理員發(fā)送手機(jī)短信提示故障。也可在現(xiàn)有系統(tǒng)上直接升級(jí)為控制系統(tǒng)，避免重復(fù)投資。

參考文獻(xiàn)

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　　[2] 任志國(guó)，林立.基于MCU的抽油機(jī)節(jié)能控制儀表與控制技術(shù)[J].儀表技術(shù)，2005（4）：66-67.

　　[3] 意法半導(dǎo)體.STM32F10x-StdPeriph-Lib[EB/OL].[2012-3-02]（2014-11-01）.http//www.st.com/internet/com/internet/com/SOFTWARE_RESOURCES/SW_COMPONENT/FIRMWARE/stm32 f10x_ stdperiph_lib.zip.

　　[4] 芯訊通無(wú)線科技有限公司.SIM900_AT command manual_V1.05[EB/OL].[2011-10-31]（2014-11-01）.http：//wm.sim.com/Sim/FrontShow_en/wireless/detail.aspx?cid=6&nid=770.