基于CAN总线技术的油井智能数字监测系统设计

卞哲英，高 超

(承德石油高等专科学校计算机与信息工程系，河北 承德 067000)

1 应用背景

在油气井的勘探开发过程中，需要及时准确的获得储层真实的天然气或原油产能、流体性质、地层参数等资料，以便能对被测试井作出一个比较正确的评价，并为今后该井所处的油气田区块的勘探开发提供理论依据。因此取全取准各种资料数据在测试流程系统中占了非常重要的地位。为了准确地录取现场资料，实现自动化地面计量，及时快速地传递数据，提高现场资料传递的实时性和连续性，设计开发了基于总线技术的油井智能数字监测系统。该系统采用先进的计算机技术、传感技术以及网络技术实现对油井地面数据的远程实时的自动采集与监测[1］。

2 总体设计思路

本采集监测系统，采用现场总线技术，利用总线智能压力变送器、总线智能温度变送器、总线智能差压变送器以及各种流量计等电子仪器仪表，结合先进的数据采集软件，构建的基于现场总线技术和智能传感技术相结合的智能数字监测系统，实现井口、油嘴管汇、加热炉、三相分离器等地面计量设备的压力、温度、油气水产量等几十个现场数据的自动采集和录入[2-4］。所有的数据可以以数字或曲线图的形式显示出来，可以按需要生成各种报表，可以将数据进行实时打印，可以按指定的格式存储到硬盘，还可以实现多种流量测量计算，为油气田公司的决策提供科学的依据。

油井智能数字监测系统应用于高压深井放喷测试作业，必须能安全、准确、全自动获取详尽的测试资料并加以处理和输出，避免测试时人为读取数据的误差及各资料录取时的不同时性。并随时监测整个测试流程安全状态，提供安全报警，以便能在测试过程中遇到异常情况及时作出反应，采取适当的控制处理措施，减少高温高压深井测试的不安全因素，确保测试作业安全顺利。

3 系统组成及功能

油井智能数字自动采集监测系统是由现场数据采集仪、采集仪专用电源、数据采集系统软件、防爆总线电缆箱、分离器防爆分线箱、现场总线电缆箱、电缆分线器、智能压力变送器、智能温度变送器以及智能差压变送器等组成。系统组成结构如图1所示。

1)现场数据采集仪

现场数据采集仪由数据采集主机、现场控制单元、信号处理单元、彩色液晶显示器、各种接口、各种监测仪表、机柜及机柜总线等组成。现场多路数据实时总线采集、录入与数据库存储。

2)数据采集专用电源

数据采集专用电源由UPS、充电电池、电源控制部分、外供电显示及保护部分等组成。数据采集专用电源设计为隔爆本安型。

3)数据采集系统软件包

现场数据采集系统全部采用模块化设计，并以数据表形式实时显示、以曲线形式实时显示、以流程图形式实时显示;数据超限实时报警以及其它类型的实时报警;多功能的系统设置;采集报表的自动生成;多种形式的数据筛选;资料数据的导出、拷贝及打印输出等。多种流量测量计算方法:临界速度流量计测气产量计算;通过压差、静压和流动温度等参数进行三相分离器测气的气产量计算。

4)数据采集现场总线

采用先进的现场总线技术，通过一条现场总线全部实现对安装在现场流程上的变送器、流量仪表的供电和数据通讯。数据采集现场总线包括液体流量现场总线电缆、分离器及节流管汇总线电缆、总线分配器、变送器电缆等。

5)总线智能变送器

总线智能变送器包括总线智能压力变送器、总线智能温度变送器、总线智能差压变送器等。总线智能变送器:总线制(带有微处理器)的全数字化、智能化、网络化的测量仪表;具有全量程宽温度补偿和非线性补偿功能，在补偿温度范围内的任何环境温度下使用，均能保证变送器的测量精度;具有变送器参数设置更改和故障自诊断功能，具有仪器设备的型号、编号、ID号、通讯波特率、阻尼系数、修正系数以及压力温度计量单位等出厂参数的存储功能。

4 油井智能数字监测系统各模块的实现

4.1 油井智能数字监测系统硬件及功能

1)采集仪主机:采用低功耗工业级硬件系统，500 G硬盘，21″彩色液晶显示器，WindowsXP操作系统。USB2.0接口6个，RS232串行接口4个，并口接口1个，100Mb以态网络接口2个。

2)数据采集仪可通过VGA线与采集房内的大屏幕电视连接，在大屏幕电视上可同时显示现场实时数据。数据采集仪可通过网线与外部计算机连接，在外部计算机上可同时显示现场实时数据。

3)外部备份主机接口:如果数据采集仪主机出现故障，可通过外部备份主机接口，连接外部计算机的接口，接替数据采集仪主机继续工作。

4)数据采集内容:可实现井口、油嘴管汇、加热炉、三相分离器等地面计量设备的压力、温度、油气水产量等几十个现场数据的自动采集和录入。系统适应气井试气流程、气井试采流程、常规试油流程、压裂流程等多种工艺流程以及计量间和油气集输中转站的现场数据自动采集和录入。

5)现场总线智能传感器集成有现场总线控制功能，并可以通过CAN总线与主机进行通信。主机(PC机)上安装总线通信卡PIC-7841(或称适配器)，计算机自动为其分配内存地址和硬件终端号，并将其作为标准内存进行读写。数据采集通道20个，以后根据用户需要可扩展。

4.2 油井智能数字监测系统软件的实现

1)主机程序设计

在监控主机的通信过程中，起关键作用的是CAN控制器的通信卡，它就相当于连接在CAN总线上的CAN通信节点模块，它使监控主机方便地连接到CAN总线上，而监控主机与CAN通信卡之间的数据交换关系如图2所示。

2)监控软件功能实现

通信方式:在实际应用中，主机采用查询方式与前端各控制器通信，根据油井现场数据实时性要求在每2 min完成一次数据采集，时间间隔也可以根据实际需要由操作人员设定。

现场数据的处理:将得到的原始数据，即现场油气体的油压、套压、流量及井口温度等数据存入实时数据库。

数据超限实时报警以及其它类型的实时报警。

控制开关井:根据超限报警，通过远程控制井口节流阀来实现控制井口开关操作。

数据管理:所有自动采集录入的现场数据，以数据表形式实时显示、以曲线形式实时显示、以流程图形式实时显示。多功能的系统设置;采集报表的自动生成;多种形式的数据筛选;历史数据的查询;资料数据的导出、拷贝及打印输出等。

5 采用的关键技术

5.1 智能传感技术的应用

随着系统自动化程度的提高和复杂性的增加，对传感器的综合精度、稳定可靠性和响应要求越来越高，传统的传感器功能单一、性能不稳定，不能满足多种测试的要求。智能传感器是利用微计算机技术使传感器智能化，兼有信息检测、信息处理、通信的功能。具有高精度、高可靠、宽量程、自适应能力强等特点。智能传感器还具有:1)数据处理功能，能实现传感器的自动调零、自动补偿、信号数字化处理，采用数字滤波减少噪声和干扰信号的影响;2)接口功能，采用标准化接口，容易通过RS-232、RS-485、HART、CAN、FF等总线与上位机进行通信。本系统采用智能传感器和现场总线技术构建的油井地面数据智能数字监测系统，非常适合油气田的恶劣环境，整个系统结构简单，工作可靠性高，减少了一般数据采集系统中的中间环节。可由远距离中央控制计算机来控制整个系统工作，对被测现场进行远距离测量和控制，很大程度上提高了系统安全和人员安全。

5.2 CAN总线在数据采集系统中的应用

CAN(Controller Area Network)总线是一种支持分布式控制和实时控制的串行总线式通信网络，与一般的通信总线相比，具有突出的可靠性、实时性和灵活性的特点。系统的CAN总线通信方式，是以半双工的方式工作，一个节点发送信息，多个节点接收信息，可以实现全分布式多机系统，提高数据在网络中传输的可靠性。CAN总线的信息存取采用一种作为广播式的存取工作方式，信息可以在任何时候由任何节点发送到空闲的总线上，然后根据接收信息的标识符决定是否读取信息包中的数据。CAN协议的一个最大特点是废除传统的地址编码，而代之以通信数据块进行编码。这种面向数据而不是面向节点的方式使网络内的节点个数不受限制，加入和减少设备不影响系统工作。CAN总线收发数据的长度最多为8个字节，因而不存在占用总线时间过长的问题，可以保证通信的实时性。通信速率最高可达1 Mb/s。通信介质可以是同轴电缆、光纤，也可以采用双绞线。CAN总线具有点对点通信和一点对多点的通信方式。基于CAN总线的油井智能数字采集监测系统是一种典型的分布式通信系统，主机既可以与各节点(智能数字变送器)分别进行点对点的双向通信，也可以同时和所有节点进行一点对多点的单向通信。由控制主机(PC机)直接控制整个系统，实现对井口、油嘴管汇、加热炉、三相分离器等地面计量设备的压力、温度、油气水产量等几十个现场数据的采集和管理。

5.3 防爆处理

本系统应用在油气田的开发现场，处于恶劣环境之中，周围环境中存在可燃气体是具有爆炸性场所，设计本系统为隔爆本安型。选用的各种传感器均为本安型电气设备，它具有电路无论在正常工作或故障状态下产生的电火花和热效应，均不能点燃可爆性物质的性能。监测系统的供电电源，设计成隔爆兼本安型。对稳压电源采用过流、短路、过压的双重保护，使本安型电源保护速度快、灵敏、可靠。

6 结论

本系统主要以计算机技术、通信技术以及传感器技术为基础，将CAN现场总线技术与数字智能传感器应用到油气田井口现场数据采集监测系统中。基于现场总线数据传输的组网方式，系统结构简单，连接方便，抗干扰能力强，特别适合油田、石化的野外以及温差变化较大的恶劣环境下的现场使用。

[1]马明建.数据采集与处理技术[M］.西安:西安交通大学出版社，2005.

[2]郭秀才，杨世兴.监测监控系统原理及应用[M］.北京:中国电力出版社，2010.

[3]王志良.信息社会中的自动化新技术[M］.北京:机械工业出版社，2004.

[4]胡家华.现代测控技术[M］.北京:国防工业出版社，2012.