總線(xiàn)式原油盤(pán)庫數據采集子系統的設計

摘要：目前勝利油田濱南采油廠(chǎng)原油盤(pán)庫系統的自動(dòng)化程度較低。為大力提高其自動(dòng)化水平，本文根據該采油廠(chǎng)各聯(lián)合站分散采集、集中監視的特點(diǎn)，設計了基于RS-485總線(xiàn)和主從單片機結構的數據采集子系統方案。由位于監控室的主單片機作為中樞，通過(guò)RS-485總線(xiàn)采集各從單片機收集到的原油參數并通過(guò)串口上傳到上位機中。利用上位機軟件配合Proteus軟件和Keil軟件對整個(gè)子系統進(jìn)行了仿真和測試，從而驗證了其可行性。

在采油廠(chǎng)聯(lián)合站中對原油的液位、油水界面、密度、含水、庫存量等各項參數的計量過(guò)程就是盤(pán)庫。盤(pán)庫是原油生產(chǎn)過(guò)程中的一項重要工作，只有精確掌握了各項生產(chǎn)數據才能做出更好的生產(chǎn)及銷(xiāo)售決策。這是一項關(guān)系到企業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟效益的重要任務(wù)，因此，研究與開(kāi)發(fā)一套現代化的原油自動(dòng)盤(pán)庫系統是非常必要的。濱南采油廠(chǎng)是勝利油田位于山東省濱州市的一個(gè)重要采油廠(chǎng)，但受限于當時(shí)的技術(shù)與資金等方面的因素，該廠(chǎng)現在使用的盤(pán)庫系統自動(dòng)化程度不高，突出表現在源頭數據的采集與傳輸必須以人工的方式完成，費時(shí)勞力，已經(jīng)滿(mǎn)足不了現代化、高效率、高精度的生產(chǎn)要求。本文就是以濱南采油廠(chǎng)為背景，在其實(shí)際應用盤(pán)庫系統的基礎上，參考了國內外一些油田聯(lián)合站的盤(pán)庫方案，設計開(kāi)發(fā)了一套基于RS-485總線(xiàn)和主從單片機結構的原油自動(dòng)化盤(pán)庫數據采集子系統。

1 研究背景

濱南采油廠(chǎng)現有的原油盤(pán)庫系統是以基于瀏覽器和客戶(hù)端軟件的方式進(jìn)行原油生產(chǎn)數據的采集、傳輸及處理。首先通過(guò)人工讀取的方式獲得原油罐上測量?jì)x表或其他計量工具測量得到的數據，然后生產(chǎn)單位用瀏覽器將原油生產(chǎn)數據錄入數據庫，之后計劃科工作人員用客戶(hù)端軟件對原油生產(chǎn)數據進(jìn)行統計以供全廠(chǎng)人員查詢(xún)。

該系統由5部分組成，第一部分為原油生產(chǎn)數據錄入部分，由各礦區和集輸大隊的工作人員以瀏覽器的方式將數據錄入到服務(wù)器中;第二部分為原油生產(chǎn)數據統計部分，計劃科工作人員每天通過(guò)客戶(hù)端軟件對各單位上報數據進(jìn)行統計，形成每天的產(chǎn)量數據;第三部分為原油生產(chǎn)數據查詢(xún)部分，供全廠(chǎng)各部門(mén)以瀏覽器方式查詢(xún)生產(chǎn)數據;第四和第五部分分別是原油生產(chǎn)數據報表輸出和系統維護部分，供計劃科人員使用，以客戶(hù)端軟件的形式實(shí)現。

現有系統到目前為止已建成十余年，一直運行穩定。但其整體自動(dòng)化程度亟待提高，集中表現在源頭數據的采集和傳輸只能依靠人工完成。若能實(shí)現源頭數據的自動(dòng)采集和傳輸，即可完成現有盤(pán)庫系統中第一部分(即：生產(chǎn)數據錄入部分)的升級代替，并能與現有盤(pán)庫系統中的其余部分實(shí)現良好銜接，從而可將濱南采油廠(chǎng)原油盤(pán)庫系統的自動(dòng)化水平提高到較高水平。

2 需求分析及測量方法

針對濱南采油廠(chǎng)現在實(shí)際運行的盤(pán)庫系統由人工完成數據采集的現狀，需做出以下幾方面的改進(jìn)：利用傳感器技術(shù)實(shí)現源頭數據的自動(dòng)采集，提高數據采樣頻率，實(shí)現數據自動(dòng)存儲、顯示與上傳，實(shí)現數據的遠程實(shí)時(shí)監控。

為實(shí)現盤(pán)庫數據的自動(dòng)采集，經(jīng)多方比較，針對不同類(lèi)型油罐采用了如下測量方法。

2.1 針對沉降罐的測量方法

沉降罐的特點(diǎn)是原油含水率較高，且隨著(zhù)高度的不同含水率變化較大，且一般不是線(xiàn)性關(guān)系。因此，應測量出不同高度處的含水率并進(jìn)行平均。為此，先用超聲波液位變送器測量出油水混合物的液位，然后使用智能采集裝置測量出不同高度處的含水率與溫度。智能采集裝置的主要工作部件是一個(gè)裝有短波發(fā)生器及接收器的移動(dòng)探頭。當油水混合物的含水率變化時(shí)，其對能量的吸收也會(huì )相應變化，這種表現會(huì )被接收裝置記錄下來(lái)并轉換成適宜單片機接收的標準信號。

具體工作過(guò)程是讓移動(dòng)探頭先運行至油罐最底部，然后在油罐中自下而上采集不同高度處的含水率，并將含水率為95%的位置處定義為油水界面。此后，讓探頭繼續等間隔上升，測量出油層不同高度處的含水率及溫度，直至液面的頂端。該方案的整體結構如圖1所示。

根據上述測量原理，沉降罐中原油儲量的計算公式為：

其中，ρo和ρw分別是水和原油的密度，并且需要做溫度修正。

2.2 針對凈油罐的測量方法

凈油罐中原油的特點(diǎn)是含水率較低，通常來(lái)油的含水率已經(jīng)低于5%，經(jīng)凈油罐再次沉降后甚至可達1%以下。并且，凈油罐中的含水率隨油層高度變化不大，因此可用外輸原油的含水率來(lái)代替油罐中的含水率。這樣，只需使用射頻導納界面儀和超聲波液位變送器分別測出油水界面的高度和液位就可以計算出油罐中的儲油量了。計算公式為：

其中，H為油層的高度，即液位減去油水界面高度。

2.3 針對外輸管道的測量方法

通過(guò)安裝高精度的含水分析儀、在線(xiàn)密度計和流量變送器可實(shí)現計量。具體計算公式為：

G=Viρ[MfCpCt(1-Cω)] (4)

其中，Vt為流量計測得的總流量，Mf為流量修正系數，Cp為原油壓力修正系數，Ct為原油溫度修正系數。

3 總體設計

該系統由3層結構組成，最底層是現場(chǎng)數據采集層，負責對傳感器采集到的數據進(jìn)行調理與轉換;中間層是數據傳輸層，負責數據的本地存儲與傳輸;最上層是數據存儲與界面層，負責將采集到的數據存儲到上位機的數據庫中，并實(shí)現與工作人員的人機對話(huà)，可顯示即時(shí)及歷史數據、繪制統計圖、輸出報表及打印、設置系統參數、執行遠程手動(dòng)控制等。

系統工作過(guò)程為：由安裝在各類(lèi)油罐上的各種功能的傳感器將采集到的生產(chǎn)數據如液位、油水界面高度、原油含水率和溫度等信息經(jīng)信號調理、模數轉換后，傳送到安裝在油罐附近的現場(chǎng)單片機即從單片機上，然后利用RS-485總線(xiàn)通過(guò)串口傳送到主單片機中，最后經(jīng)電平轉換將采集到的數據發(fā)送到上位機，在上位機中進(jìn)行數據的運算、存儲與顯示。

系統總體結構圖如圖2所示。

4 系統硬件設計

硬件部分主要由主/從單片機最小系統、串口復用電路、RS-485通信電路、數據存儲電路、模數轉換電路等組成，系統硬件結構圖如圖3所示。

為節約成本，本系統中使用的單片機均為51單片機。所使用的時(shí)鐘均為內部方式，即在XTAL1和XTAL2兩端外接石英晶體作定時(shí)元件，內部反相放大器自激振蕩產(chǎn)生時(shí)鐘，時(shí)鐘頻率為11.059 2 MHz。復位方式采用手動(dòng)復位。

51單片機僅有一個(gè)串口，而主單片機與上位機和與從單片機的通信均是通過(guò)串口進(jìn)行，因此涉及到串口復用。文中串口復用電路就是實(shí)現這個(gè)功能，具體是使用兩片多路模擬開(kāi)關(guān)4051分別實(shí)現單片機讀寫(xiě)數據的方向選擇，另外使用兩個(gè)控制端口進(jìn)行通路的選通。

主從單片機之間的通信是基于RS-485總線(xiàn)來(lái)實(shí)現的，總線(xiàn)拓撲結構采用終端匹配的總線(xiàn)型結構，首尾兩端使用的阻抗匹配電阻為120Ω。通信協(xié)議采用的是Modbus中的RTU模式，通信方式為主從式，僅有一個(gè)主機，各從機有唯一編號，且從機間不能相互通信。

由于要在現場(chǎng)單片機進(jìn)行數據備份，防止總線(xiàn)故障時(shí)出現數據丟失，因此要在從單片機電路上擴展外部數據存儲器。經(jīng)容量測算，選用6264靜態(tài)RAM進(jìn)行了擴展，并用一片74LS373進(jìn)行數據鎖存。

A/D轉換器采用MCP3204，這是由Microchip公司生產(chǎn)的4通道、12位微功耗串行模數轉換器。4個(gè)通道分別用于采集液位、油水界面、含水及溫度，其他量可在上位機上計算得出。12位模數轉換器的精度可達0.2‰，完全可滿(mǎn)足需要。

5 系統軟件設計

軟件設計采用模塊化結構。單片機程序使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil μVision4。上位機程序使用VB6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

系統軟件設計包括主單片機程序設計、從單片機程序設計以及上位機程序設計3部分，其結構框圖如圖4所示。其主要功能模塊的作用如下：

串行通信模塊用來(lái)實(shí)現主從單片機間的通信以及主單片機與上位機間的通信;定時(shí)器模塊用來(lái)設置串行口波特率以及RS-485通信協(xié)議中的幀定時(shí)和字節定時(shí);模數轉換模塊用于對傳感器采集的數據進(jìn)行AD轉換。上位機程序中的數據處理與顯示模塊用于對主單片機上傳的數據進(jìn)行處理、顯示并將結果存儲到數據庫中。

主單片機和從單片機主程序的流程圖分別如圖5和圖6所示。

上位機的主要功能是定時(shí)喚醒主單片機，并向其發(fā)送數據采集命令，然后等待接收數據，最后將數據實(shí)時(shí)顯示并存儲。其主程序的流程圖如圖7所示。

6 仿真實(shí)現

本文中主、從單片機的數據采集與通信部分均通過(guò)Proteus軟件進(jìn)行了仿真實(shí)現。上位機軟件與Proteus軟件之間通過(guò)虛擬串口進(jìn)行相互通信。圖8給出了主單片機上LCD的顯示結果，對應當前采集過(guò)程中3個(gè)油罐的液位和油水界面高度。圖9為上位機上的顯示結果，給出了本次采集的時(shí)間以及3個(gè)油罐中所有生產(chǎn)數據等信息。

7 結論

文中為實(shí)現濱南采油廠(chǎng)各聯(lián)合站生產(chǎn)數據的自動(dòng)采集、傳輸、存儲與顯示，設計了一套原油盤(pán)庫數據采集子系統。該子系統采用主、從單片機結構，利用RS-485總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，并最終上傳到聯(lián)合站主控室上位機的數據庫中。

利用Proteus、Keil和上位機軟件進(jìn)行了聯(lián)合仿真與調試，驗證了方案的可行性，值得在采油廠(chǎng)中應用。該方案具體實(shí)施后，將實(shí)現對濱南采油廠(chǎng)現有盤(pán)庫系統中人工錄入數據部分的升級代替，并能與現有盤(pán)庫系統中的其余部分實(shí)現良好銜接，從而可將該廠(chǎng)原油盤(pán)庫系統的自動(dòng)化水平提高到較高水平。