油田注水参数采集监测系统设计

李响　司珈铭　刘慧超

摘 要：油田的数字化建设中，注水系统对于提高产量来说非常重要，而注水井数量巨大，参数众多，使得对注水井系统参数的监控、分析成为注水系统的重点。油田注水参数采集系统可以替代工作人员在户外监视，减轻工作人员的工作负担。本文基于AVR内核的ATmega16作为主控制器，采用SIM900A作为无线传输模块，用户在手机上可以实时监测注水参数的变化趋势，并能查询并打印历史数据。

关键词：油田；注水；参数采集；监测

中图分类号：TP391 文献标识码：A

1.背景意义

为了保持油层压力，获得较高的采收率，需要对油田进行注水。而注水井的分布范围广、数量多，使得对注水井系统参数的监控、分析成为注水系统的重点。目前由于我国油田生产中的重要注水站一直由工作人員在户外监视其状态，部分油井装备了注水参数采集系统，但由于没有实现无线传感，数据采集工作必须由工作人员携带手持设备到现场，工作量大，而且极易出错，数据存储及查询系统多为客户端和服务器端架构，使得对参数的监控无法远距离准确传输，在实际生产监控中存在滞后现象。因此设计一种油田注水参数采集监测系统对于油田提高工作效率、保障生产安全有着十分重要的意义。

2.系统设计思路

系统利用流量传感器和压力传感器作为监测设备，利用无线通信模块进行与主控制器之间的数据传输。

用户可通过WEB的方式浏览当前实时数据曲线，并可查询指定时间段内的数据曲线，也可以导出需要的相关数据，并打印数据报表。系统云服务器数据处理显示系统如图1所示。

3.系统硬件设计

本文以基于AVR内核的ATmega16控制器，并结合GPRS无线网络实现对油田注水系统流量、压力工况参数无线的实时监测。系统以GPRS为数据传输载体，以互联网浏览器和服务器的模式架构为前端系统。形成网络化在线监测，实时显示流量、压力曲线，所有从监控终端发送的数据均存储于数据库中。能够在线实时对油田注水站机组的流量、压力进行监测分析，且能查询其历史数据并打印，若系统拓展后还可实现故障记录、为机组的状态维护提供信息等功能。

3.1 单片机硬件电路

ATmega16片内包含经过标定的RC振荡器，共有1.0MHz、2.0MHz、4.0MHz或8.0MHz4个时钟频率。将其作为系统时钟时只需要按照数据手册对熔丝位CKSEL进行编程即可。因此，当选择片内RC振荡器时，无须外部晶振电路，系统也可正常工作。为了更好地抑制噪声，应在AREF引脚上连接一个0.1uF的电容进行解耦。因为连接导线和引脚的组合电容的影响，在进行ADC采样时会使输入的电压值产生一定幅度的下降，而提高ADC输入端的电容量就可以使压降减轻，因此在ADC的输入引脚端并接一个470pF的电容。并且又额外增加一个430Ω的外部输入电阻，组成的RC网络具有滤波功能，能够滤除高频噪音。当RESET为低电平时，可以通过串行SPI总线对Flash及EEPROM进行编程。串行接口包括SCK、MOSI（输入）及MISO（输出）。因此引出如表所示的相关引脚供Flash及EEPROM编程时使用。SPI串行编程映射见表1。

3.2 SIM900A硬件设计

SIM900A GSM/GPRS模块使用单电源供电，其供电范围在3.2V～4.8V之间，硬件设计手册上推荐电压为4.0V，由于模块在进行突发射频发射时会使电压跌落，此时的峰值电流最高会达到2A以上，所以要求电源的供电能力要尽量达到2A，并在电源引脚处根据供电IC的输出能力并接大电容。因此，电源部分的设计会影响模块整体的工作稳定性，如设计不好会导致开机几秒钟之后就关机、在进行大数据量传输或信号不好时模块关机或重启。

4.程序设计总体流程

本设计采用了ATmega16单片机片内的模数转换器采集传感器发出的信号，因此需要对相关的寄存器进行初始化配置。其中ADMUX为ADC多工选择寄存器，主要配置了ADC的参考电压源和ADC转换结果的左对齐。ADCSRA为ADC控制和状态寄存器A，主要使用了ADC和配置了ADC预分频器。

在进行单次采集之前，需要在ADMUX寄存器写入选择的ADC通道，之后通过ADCSRA寄存器启动ADC，并循环读取ADIF标志位等待ADC转换结束。由于ATmega16单片机片内的模数转换器为10位精度，分别存储在ADCH和ADCL寄存器内，当ADC转换结果左对齐时，直接在ADC转换结束后读取ADCH寄存器即可得到8位精度的转换结果。

结语

本文对自动采集和无线传输进行了初步研究和设计，如果需要真正在工业生产环境中使用该系统还有很多的地方需要改进和完善，例如提升数据采集部分的数据精度，在恶劣的环境下使系统保持长时间稳定的运行状态等。尤其是在人机交互页面部分，如何更好地满足工业生产中的需求，提高用户的操作效率和管理效率，如增加用户权限管理系统，使管理者能够指定用户查看的数据范围等，都是在之后需要进一步拓展的功能

参考文献

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