總線式原油盤庫數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：目前勝利油田濱南采油廠原油盤庫系統(tǒng)的自動化程度較低。為大力提高其自動化水平，本文根據(jù)該采油廠各聯(lián)合站分散采集、集中監(jiān)視的特點，設(shè)計了基于RS-485總線和主從單片機結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)方案。由位于監(jiān)控室的主單片機作為中樞，通過RS-485總線采集各從單片機收集到的原油參數(shù)并通過串口上傳到上位機中。利用上位機軟件配合Proteus軟件和Keil軟件對整個子系統(tǒng)進行了仿真和測試，從而驗證了其可行性。

在采油廠聯(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(shù)的計量過程就是盤庫。盤庫是原油生產(chǎn)過程中的一項重要工作，只有精確掌握了各項生產(chǎn)數(shù)據(jù)才能做出更好的生產(chǎn)及銷售決策。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，研究與開發(fā)一套現(xiàn)代化的原油自動盤庫系統(tǒng)是非常必要的。濱南采油廠是勝利油田位于山東省濱州市的一個重要采油廠，但受限于當時的技術(shù)與資金等方面的因素，該廠現(xiàn)在使用的盤庫系統(tǒng)自動化程度不高，突出表現(xiàn)在源頭數(shù)據(jù)的采集與傳輸必須以人工的方式完成，費時勞力，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化、高效率、高精度的生產(chǎn)要求。本文就是以濱南采油廠為背景，在其實際應(yīng)用盤庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，參考了國內(nèi)外一些油田聯(lián)合站的盤庫方案，設(shè)計開發(fā)了一套基于RS-485總線和主從單片機結(jié)構(gòu)的原油自動化盤庫數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。

1 研究背景

濱南采油廠現(xiàn)有的原油盤庫系統(tǒng)是以基于瀏覽器和客戶端軟件的方式進行原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及處理。首先通過人工讀取的方式獲得原油罐上測量儀表或其他計量工具測量得到的數(shù)據(jù)，然后生產(chǎn)單位用瀏覽器將原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，之后計劃科工作人員用客戶端軟件對原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計以供全廠人員查詢。

該系統(tǒng)由5部分組成，第一部分為原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入部分，由各礦區(qū)和集輸大隊的工作人員以瀏覽器的方式將數(shù)據(jù)錄入到服務(wù)器中;第二部分為原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計部分，計劃科工作人員每天通過客戶端軟件對各單位上報數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，形成每天的產(chǎn)量數(shù)據(jù);第三部分為原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)查詢部分，供全廠各部門以瀏覽器方式查詢生產(chǎn)數(shù)據(jù);第四和第五部分分別是原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表輸出和系統(tǒng)維護部分，供計劃科人員使用，以客戶端軟件的形式實現(xiàn)。

現(xiàn)有系統(tǒng)到目前為止已建成十余年，一直運行穩(wěn)定。但其整體自動化程度亟待提高，集中表現(xiàn)在源頭數(shù)據(jù)的采集和傳輸只能依靠人工完成。若能實現(xiàn)源頭數(shù)據(jù)的自動采集和傳輸，即可完成現(xiàn)有盤庫系統(tǒng)中第一部分(即：生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入部分)的升級代替，并能與現(xiàn)有盤庫系統(tǒng)中的其余部分實現(xiàn)良好銜接，從而可將濱南采油廠原油盤庫系統(tǒng)的自動化水平提高到較高水平。

2 需求分析及測量方法

針對濱南采油廠現(xiàn)在實際運行的盤庫系統(tǒng)由人工完成數(shù)據(jù)采集的現(xiàn)狀，需做出以下幾方面的改進：利用傳感器技術(shù)實現(xiàn)源頭數(shù)據(jù)的自動采集，提高數(shù)據(jù)采樣頻率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲、顯示與上傳，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控。

為實現(xiàn)盤庫數(shù)據(jù)的自動采集，經(jīng)多方比較，針對不同類型油罐采用了如下測量方法。

2.1 針對沉降罐的測量方法

沉降罐的特點是原油含水率較高，且隨著高度的不同含水率變化較大，且一般不是線性關(guān)系。因此，應(yīng)測量出不同高度處的含水率并進行平均。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裝有短波發(fā)生器及接收器的移動探頭。當油水混合物的含水率變化時，其對能量的吸收也會相應(yīng)變化，這種表現(xiàn)會被接收裝置記錄下來并轉(zhuǎn)換成適宜單片機接收的標準信號。

具體工作過程是讓移動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(xù)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)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是含水率較低，通常來油的含水率已經(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代替油罐中的含水率。這樣，只需使用射頻導(dǎo)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

通過安裝高精度的含水分析儀、在線密度計和流量變送器可實現(xiàn)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(shù)，Cp為原油壓力修正系數(shù)，Ct為原油溫度修正系數(shù)。

3 總體設(shè)計

該系統(tǒng)由3層結(jié)構(gòu)組成，最底層是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集層，負責(zé)對傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行調(diào)理與轉(zhuǎn)換;中間層是數(shù)據(jù)傳輸層，負責(zé)數(shù)據(jù)的本地存儲與傳輸;最上層是數(shù)據(jù)存儲與界面層，負責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存儲到上位機的數(shù)據(jù)庫中，并實現(xiàn)與工作人員的人機對話，可顯示即時及歷史數(shù)據(jù)、繪制統(tǒng)計圖、輸出報表及打印、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、執(zhí)行遠程手動控制等。

系統(tǒng)工作過程為：由安裝在各類油罐上的各種功能的傳感器將采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)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(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳送到安裝在油罐附近的現(xiàn)場單片機即從單片機上，然后利用RS-485總線通過串口傳送到主單片機中，最后經(jīng)電平轉(zhuǎn)換將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，在上位機中進行數(shù)據(jù)的運算、存儲與顯示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分主要由主/從單片機最小系統(tǒng)、串口復(fù)用電路、RS-485通信電路、數(shù)據(jù)存儲電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

為節(jié)約成本，本系統(tǒng)中使用的單片機均為51單片機。所使用的時鐘均為內(nèi)部方式，即在XTAL1和XTAL2兩端外接石英晶體作定時元件，內(nèi)部反相放大器自激振蕩產(chǎn)生時鐘，時鐘頻率為11.059 2 MHz。復(fù)位方式采用手動復(fù)位。

51單片機僅有一個串口，而主單片機與上位機和與從單片機的通信均是通過串口進行，因此涉及到串口復(fù)用。文中串口復(fù)用電路就是實現(xiàn)這個功能，具體是使用兩片多路模擬開關(guān)4051分別實現(xiàn)單片機讀寫數(shù)據(jù)的方向選擇，另外使用兩個控制端口進行通路的選通。

主從單片機之間的通信是基于RS-485總線來實現(xiàn)的，總線拓撲結(jié)構(gòu)采用終端匹配的總線型結(jié)構(gòu)，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(xiàn)場單片機進行數(shù)據(jù)備份，防止總線故障時出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，因此要在從單片機電路上擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。經(jīng)容量測算，選用6264靜態(tài)RAM進行了擴展，并用一片74LS373進行數(shù)據(jù)鎖存。

A/D轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器。4個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(shù)轉(zhuǎn)換器的精度可達0.2‰，完全可滿足需要。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)。單片機程序使用C語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Keil μVision4。上位機程序使用VB6.0進行開發(fā)。

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括主單片機程序設(shè)計、從單片機程序設(shè)計以及上位機程序設(shè)計3部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其主要功能模塊的作用如下：

串行通信模塊用來實現(xiàn)主從單片機間的通信以及主單片機與上位機間的通信;定時器模塊用來設(shè)置串行口波特率以及RS-485通信協(xié)議中的幀定時和字節(jié)定時;模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換。上位機程序中的數(shù)據(jù)處理與顯示模塊用于對主單片機上傳的數(shù)據(jù)進行處理、顯示并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)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喚醒主單片機，并向其發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，然后等待接收數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)實時顯示并存儲。其主程序的流程圖如圖7所示。

6 仿真實現(xiàn)

本文中主、從單片機的數(shù)據(jù)采集與通信部分均通過Proteus軟件進行了仿真實現(xiàn)。上位機軟件與Proteus軟件之間通過虛擬串口進行相互通信。圖8給出了主單片機上LCD的顯示結(jié)果，對應(yīng)當前采集過程中3個油罐的液位和油水界面高度。圖9為上位機上的顯示結(jié)果，給出了本次采集的時間以及3個油罐中所有生產(chǎn)數(shù)據(jù)等信息。

7 結(jié)論

文中為實現(xiàn)濱南采油廠各聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲與顯示，設(shè)計了一套原油盤庫數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)采用主、從單片機結(jié)構(gòu)，利用RS-485總線進行數(shù)據(jù)傳輸，并最終上傳到聯(lián)合站主控室上位機的數(shù)據(jù)庫中。

利用Proteus、Keil和上位機軟件進行了聯(lián)合仿真與調(diào)試，驗證了方案的可行性，值得在采油廠中應(yīng)用。該方案具體實施后，將實現(xiàn)對濱南采油廠現(xiàn)有盤庫系統(tǒng)中人工錄入數(shù)據(jù)部分的升級代替，并能與現(xiàn)有盤庫系統(tǒng)中的其余部分實現(xiàn)良好銜接，從而可將該廠原油盤庫系統(tǒng)的自動化水平提高到較高水平。