油井多通道数据采集系统

丽娜 呼伦贝尔学院物电学院

油井多通道数据采集系统

丽娜 呼伦贝尔学院物电学院

将Zigbee技术、FPGA技术应用于油井参数检测系统中，设计了一种基于FPGA的油井多通道数据采集系统，可以实现压力、温度、位移等参数的多通道数据采集。该系统中主要包括油温、油压、电流/电压以及位移等多路传感器电路，多路ADC电路、FPGA及其外围电路、射频模块电路以及电源电路等。由于FPGA具有并行处理的优势及可编程性强的特点使得处理系统设计具有较强的灵活性，可针对不同系统需求，在FPGA内部实现软件的各种功能，满足不同系统处理需求。

无线通信；油气田；数据采集；油压；单片机

随着科技的进步以及自动化管理的应用，石油企业在数字化、智能化油气田建设方面取得了巨大进步。其中无线传感网络Zigbee技术以其低成本、低功耗等优势，在油气田数字化建设中得到了广泛应用。

FPGA可以较方便地实现多通道数据采集与预处理，具有可编程性强的特点，适用于油气田数字化、智能化系统的开发与应用[1]。将Zigbee技术、FPGA技术应用于油井参数检测系统中，设计了一种基于FPGA的油井多通道数据采集系统，可以实现压力、温度、位移等参数的多通道数据采集。采用Zigbee技术，减少了人力、物力的投入，极大地提高了工作效率。

1 系统结构

图1 油井多通道数据采集系统结构

油井多通道数据采集系统结构如图1所示。油井多通道数据采集系统借助多个不同种类的传感器实现非电量信号到电量信号的转换，并通过多路ADC实现多通道电量信号的模数转换，将转换后的数字量送到FPGA中进行处理。

该系统中主要包括油温、油压、电流/电压以及位移等多路传感器电路，多路ADC电路、FPGA及其外围电路、射频模块电路以及电源电路等。其中油温、油压传感器安装于井口，电流/电压传感器安装于控制柜内。

2 主要电路设计

2.1 各传感器电路

（1）油温传感器电路。油温传感器采用了DALLAS公司数字温度传感器DS18B20[2]。传感器DS18B20其温度范围在-55～+125℃之间，分辨率为0.062 5℃。该传感器采用单线制实现数据的传输与控制，可通过FPGA的I/O口对其实现控制，其输出数字信号送到FPGA中进行处理。该传感器具有体积小、功耗低的特点，适合于各类主控CPU的连接。油温传感器电路设计如图2所示。

图2 油温传感器电路

（2）油压传感器电路。油压传感器是利用传感器上的膜片感受压力，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，实现压力的转换[3]。本设计中采用的油压传感器为PT500—500系列压力变送器，该传感器具有高精度的温度补偿和高稳定性放大集成电路，最高压力可达150 MPa；采用0～5 VDC、0～10 VDC、0.5～4.5 VDC等标准电信号；可将被测量介质的压力转换成4～20 mA；可输出RS485数字信号。

（3）电流/电压传感器电路。本设计中电流传感器采用的是霍尔传感器HS02—P，工作温度范围：-20～+75℃；测量范围在0～70 A；带宽DC～200 kHz；温度漂移﹤±0.01%/℃。电压传感器采用了CHV—50P/1 200闭环霍尔电压传感器，额定电压为1 200 V，精度为±0.8%。

（4）位移传感器电路。位移传感器又称为线性传感器，分为模拟式和数字式两种。其中模拟式位移传感器包括了电感式位移传感器、电涡流式位移传感器、霍尔式位移传感器、电位器式位移传感器等[4]。本设计中采用LP802系列位移传感器，该位移传感器温度范围：-65～+105℃；线性度：满量程的±1%；增量灵敏度：0.001 27 mm；工作力：最大450 g。

2.2 多路ADC电路

为了实现多个传感器的多通道数据采集，本系统设计中采用了TI公司的一款可以实现8路数据采集的模数转换器ADS7959[5]。其芯片具有1MSPS的采样速率，8 bit的分辨率，可实现8通道数据采集；输入信号采用单端输入模式，具有串行接口，可以实现与FPGA的连接与控制。

2.3 射频模块电路

系统射频模块采用了Chipcon公司的CC2420射频模块，该模块传输距离最大200 m，码片速率达2 Mchip/s，数据速率达250 kbps；支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee协议；拥有4线串行外部接口SPI。本设计中利用FPGA实现对射频模块CC2420的配置。

3 结语

完成了一种油井多通道数据采集系统设计，该设计中采用了多路ADC实现了油温、油压、位移、电流/电压等油井参数的多通道数据采集，利用FPGA实现了采集数据的处理、射频模块等的控制。由于FPGA具有并行处理的优势，同时可编程性强的特点使得处理系统设计具有较强的灵活性，在FPGA内部实现软件功能设计，以满足不同系统处理需求。利用了无线数据传输技术实现了检测点与系统终端的数据通信，该设计在油田建设与管理中具有广泛的实用价值，为数字化、智能化油田建设发展提供了技术支持。

[1]杨涵夫．基于Spring技术的油田生产数据采集系统[J]．油气田地面工程，2012，31（1）：97-98.

[2]石崇东，李琪，张绍槐．智能油田和智能钻采技术的应用与发展[J]．石油钻采工艺，2005，27（6）：1-4．

[3]程璐．大庆油田抽油机自动监控无线数据传输系统[D]．哈尔滨：哈尔滨工程大学，2004.

[4]刘元法．油田钻井参数实时检测系统[D]．济南：山东科技大学，2004．

[5]刘先刚，姜建胜，顾文滨．油田远程监控系统的应用及展望[J]．小型油气藏．2009（1）：58-61.

（栏目主持 关梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.040