利用GSM移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)短信息服務(wù)快捷的性能和想對(duì)低廉的收費(fèi)，研制開(kāi)發(fā)了一種用于分布式井群生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，可直接應(yīng)用于油井地比較分散的采油生產(chǎn)企業(yè)，滿(mǎn)足了油田生產(chǎn)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)所要求的高可靠性、高實(shí)時(shí)性和維護(hù)方便性。
1、 系統(tǒng)組成及其功能
該系統(tǒng)采用由單臺(tái)監(jiān)控服務(wù)器和多監(jiān)控終端并行運(yùn)行方案，每口油井作為一個(gè)終端單元，實(shí)時(shí)采集下接的(儀表負(fù)荷傳感器、電流互感器、電壓互感器、功率因數(shù)變換器)信息，自主運(yùn)行。監(jiān)控終端可以選用有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)兩種通信方式與監(jiān)控服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，在油井現(xiàn)場(chǎng)用筆記本電腦RS232C直接電纜連接進(jìn)行參數(shù)修改和數(shù)據(jù)傳載，此時(shí)筆記本電腦充當(dāng)監(jiān)控服務(wù)器，使系統(tǒng)方便的運(yùn)行；對(duì)于中心控制室，監(jiān)控終端可以通過(guò)GSMmodem和監(jiān)控服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但是通信費(fèi)用比較高而不可取，當(dāng)然也可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用的數(shù)據(jù)交換量的比較，有效的油井?dāng)?shù)據(jù)量一般不超過(guò)一條段信息的容量，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)我們知道作為最大的數(shù)據(jù)交換——示功圖也不過(guò)160個(gè)字符（測(cè)量周期100ms，沖程周期6——7s），因此選GSM短信息方式進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)交換完全滿(mǎn)足。監(jiān)控終端根據(jù)設(shè)定的需要把油井抽油機(jī)工作狀況以短信息的方式發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器，監(jiān)控服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)保存、統(tǒng)計(jì)供管理人員查詢(xún)、分析。工作人員可以在監(jiān)控服務(wù)器根據(jù)需要以短信息的方式向終端發(fā)送控制命令，控制抽油機(jī)的運(yùn)行和獲取抽油機(jī)的工作狀況。
整個(gè)系統(tǒng)由單井?dāng)?shù)控單元、中心控制室和GSM網(wǎng)絡(luò)組成。系統(tǒng)框圖如1所示。
其中單口油井監(jiān)控單元包括：RTU、信號(hào)處理模塊和G100A短信模塊。
1.1 RTU設(shè)計(jì)
RTU作為監(jiān)控單元功能實(shí)現(xiàn)終端，選用ZWORLD公司生產(chǎn)的RCM2300核心模塊，RCM2300模塊包括：工作在22.1MHz上的微處理器Rabbit200;128K SPAM和256K Flash；29個(gè)1／O線(xiàn)，17個(gè)可設(shè)置的l／Ｏ、8個(gè)固定輸入、4個(gè)固定輸出；3個(gè)通用串口；5個(gè)8位定時(shí)器和1個(gè)帶2個(gè)匹配寄存的10位定時(shí)器（5個(gè)定時(shí)器成對(duì)級(jí)聯(lián)）。根據(jù)需要我們擴(kuò)展輸入輸出通道為：4路繼電器輸出，4路數(shù)字量輸出，8路塊數(shù)字輸入，4路12位分辨率4～20mA電流模擬量輸入，4路12位分辯率0～5V模擬量輸入，2路12位的分辨率0～4V模擬量輸出，1個(gè)RS485端口，2個(gè)3線(xiàn)的RS232或者一個(gè)5線(xiàn)的RS232端口。相應(yīng)的在開(kāi)發(fā)平臺(tái)Dynamic C上用單根接口電纜把PC串行口和基于Rabbit2000的目標(biāo)系統(tǒng)連接起來(lái)就可實(shí)現(xiàn)軟件的開(kāi)發(fā),系統(tǒng)集編輯、編譯、鏈接、調(diào)試、下載于一體，可快速的進(jìn)行目標(biāo)系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)。
監(jiān)控終端的功能是根據(jù)檢測(cè)的抽油機(jī)工作狀態(tài)，判斷抽油機(jī)的工效，適時(shí)的對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行起停操作，保障油機(jī)的機(jī)械及其電氣設(shè)備的安全的同時(shí)，提高單口油井的產(chǎn)效。
1.2 信號(hào)處理模塊
對(duì)于不同的油井可能需要配備不同的一次儀表。還有企業(yè)原來(lái)遺留的一些不同信號(hào)的儀表，特別是油機(jī)必備的負(fù)荷傳感器，其輸出信號(hào)一般是0～10mV，但是隨著使用時(shí)間的遞增負(fù)荷零點(diǎn)會(huì)有變化，將直接影響到控制功能的實(shí)現(xiàn)，所以我們專(zhuān)門(mén)針對(duì)負(fù)荷傳感器設(shè)計(jì)了調(diào)理模塊， 除完成將0～10mV電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號(hào)外，還要負(fù)責(zé)處理好隨溫度和時(shí)間變化的影響。
1.3 G100A短信模塊
北京捷麥公司的G100A短信模塊集成了使用西門(mén)子TC35的GSM信道單元、信令轉(zhuǎn)換單元、串口電平轉(zhuǎn)換單元。其信令格式及應(yīng)用開(kāi)發(fā)極其簡(jiǎn)便。在應(yīng)用中監(jiān)控終端和監(jiān)控服務(wù)器通過(guò)RS232接口連接TC35T來(lái)發(fā)送和接收GSM短和、消息，完成數(shù)據(jù)交換功能。
2 終端控制軟件設(shè)計(jì)
監(jiān)控終端RTU系統(tǒng)軟件不僅要實(shí)時(shí)采集抽油機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)控制抽油機(jī)的運(yùn)行，還 要對(duì)各種信息進(jìn)行處理，抽油機(jī)本身負(fù)荷功圖、電流圖、功率因數(shù)圖等都是大數(shù)據(jù)量的處理，所以系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)必須是一個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)。ZWORLD公司軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)Dynamic C是一個(gè)開(kāi)放C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供有豐富的庫(kù)函數(shù)，可以開(kāi)發(fā)出多任務(wù)系統(tǒng)。
終端控制軟件功能設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括三個(gè)方面：數(shù)據(jù)采集與處理功能模塊、邏輯處理功能模塊、I/O驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊。設(shè)計(jì)流程如下圖2
圖2 終端控制軟件流程圖
1） 據(jù)采集與處理功能模塊：需要采集的模擬數(shù)據(jù)有光桿負(fù)荷、電機(jī)電流、電機(jī)電壓，電機(jī)功率因數(shù)和其它的油井管道壓力等數(shù)據(jù)，數(shù)字量信息包括電機(jī)狀態(tài)（運(yùn)行和停止）、系統(tǒng)運(yùn)行方式（手動(dòng)/自動(dòng)），位置開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行量化處理為相應(yīng)的可視化圖形并按一定的時(shí)間規(guī)律間隙存儲(chǔ)，對(duì)數(shù)字量信息需要進(jìn)行抗干擾處理，防止假錯(cuò)信息進(jìn)入。
2）邏輯處理功能模塊：控制系統(tǒng)的目的是要控制的一系列動(dòng)作，根據(jù)采集的信息識(shí)別當(dāng)前抽油機(jī)的工作狀態(tài)，按照抽油機(jī)的工作原理和油井的變化規(guī)律，控制和預(yù)測(cè)抽油機(jī)的動(dòng)作。抽油機(jī)的控制功能主要包括：空抽控制、時(shí)間定點(diǎn)控制、連噴帶抽控制，根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際應(yīng)用設(shè)定需要的控制功能的同時(shí)，記錄出現(xiàn)的所有運(yùn)行故障。
3）I/O驅(qū)動(dòng)模塊：這一部分主要是針對(duì)輸入、輸出耗損時(shí)間較多的緣故，把所有輸入輸出放在一個(gè)任務(wù)里面集中處理，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性?？刂茖?shí)現(xiàn)聲音和燈光閃爍的報(bào)警功能。
4）通信模塊：通信功能我們實(shí)現(xiàn)了兩種方式，在工作現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)RS232接口通信的Modbus協(xié)議和基于GSM短信息的無(wú)線(xiàn)傳遞方式。Modbus協(xié)議實(shí)現(xiàn)已經(jīng)有很多文章介紹過(guò)，這里我主要說(shuō)說(shuō)GSM短信息的無(wú)線(xiàn)傳遞的實(shí)現(xiàn)。
a、 連接與數(shù)據(jù)格式
G100A型GSM數(shù)傳模塊采用的是三線(xiàn)制串口，即TX,RX,GND三條線(xiàn)，沒(méi)有其他任何握手和數(shù)據(jù)流控制線(xiàn)。其傳輸數(shù)據(jù)格式為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。無(wú)校驗(yàn)（即51系列單片機(jī)串型通訊的方式1）。串口速率為固定的9600Bps.
b、電話(huà)號(hào)碼的表示
GSM短信模塊是用GSM模塊的短信息功能來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的，所以在使用它傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候就要用到電話(huà)號(hào)碼。為了規(guī)范和方便，下面介紹數(shù)據(jù)包中電話(huà)號(hào)碼的表示方法。數(shù)據(jù)包中用6個(gè)8位二進(jìn)制字節(jié)表示電話(huà)號(hào)碼，每個(gè)字節(jié)中高4位和低4位均用BCD碼表示1位十進(jìn)制的電話(huà)號(hào)碼，這樣每個(gè)字節(jié)可表示兩位電話(huà)號(hào)碼，6個(gè)字節(jié)共可表示12位電話(huà)號(hào)碼，因現(xiàn)行的電話(huà)號(hào)碼均為11位，而6字節(jié)能表示12位十進(jìn)制的BCD數(shù)，所以在傳輸數(shù)據(jù)表示電話(huà)號(hào)碼時(shí)要將電話(huà)號(hào)碼的前面補(bǔ)0以湊足12位。假設(shè)電話(huà)號(hào)碼是13501237654，轉(zhuǎn)換成6字節(jié)BCD碼后變?yōu)?1H,35H,01H,23H,76H,54H。
將電話(huà)號(hào)碼轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)包中BCD碼的格式的步驟就是：1. 在電話(huà)號(hào)碼的左邊補(bǔ)一個(gè)“0” 2. 從左向右每?jī)晌环殖梢唤M 3. 分別將各組轉(zhuǎn)換成BCD碼。如果要將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)還原成電話(huà)號(hào)碼，步驟正好相反。
c、術(shù)語(yǔ)
信息：信息是指GSM模塊與上位機(jī)通信的內(nèi)容。
數(shù)據(jù)：上位機(jī)通過(guò)串口，發(fā)送給模塊GSM模塊，通過(guò)GSM模塊的無(wú)線(xiàn)發(fā)送及GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸傳送給另一GSM模塊的信息叫數(shù)據(jù)。由上位機(jī)通過(guò)串口發(fā)送給GSM模塊的數(shù)據(jù)叫發(fā)送數(shù)據(jù)。由GSM模塊收到短信后傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)叫接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的起始點(diǎn)是上位機(jī)，目的點(diǎn)是另一上位機(jī)。
命令：上位機(jī)通過(guò)串口，發(fā)送給GSM模塊讓模塊執(zhí)行一定的動(dòng)做或GSM模塊傳送給上位機(jī)報(bào)送模塊內(nèi)的一些參數(shù)或狀態(tài)的信息叫命令。若命令的起始點(diǎn)是上位機(jī)，目的點(diǎn)則是GSM模塊。
d、數(shù)據(jù)包格式
無(wú)論是數(shù)據(jù)還是命令都用下面的格式來(lái)表示
D7H│控制字節(jié)│信息
不管是命令還是數(shù)據(jù)，都有一個(gè)包頭D7H，接著就是一個(gè)控制字節(jié)。本模塊規(guī)定：當(dāng)控制字節(jié)大于147時(shí)，數(shù)據(jù)包為命令，否則就為數(shù)據(jù)。比如命令D7H, FFH, 參數(shù), D7H為包頭，F(xiàn)FH為控制字節(jié)，因FFH>147,故參數(shù)為命令字節(jié)。模塊就是靠數(shù)據(jù)包的第二個(gè)字節(jié)來(lái)識(shí)別您發(fā)給它的信息是命令信息還是數(shù)據(jù)信息的。
e、發(fā)送接收數(shù)據(jù)的格式
1． 發(fā)送用戶(hù)數(shù)據(jù)
語(yǔ)法：D7│控制字節(jié)=UDL│STA│UD
UDL：要發(fā)送的除包頭D7H以外總的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。包括STA,UD和它本身的字節(jié)長(zhǎng)度，因STA 和 UDL的字節(jié)長(zhǎng)度一般是固定的，即固定為1+6=7個(gè)字節(jié)，所以其長(zhǎng)度可由如下公式計(jì)算UDL數(shù)值=1+6+UD長(zhǎng)度
STA：接受方的電話(huà)號(hào)碼，即目的地址。號(hào)碼需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。
UD： 您需要發(fā)送的有效數(shù)據(jù)。其總長(zhǎng)度小等于140個(gè)字節(jié)。因?yàn)槎绦畔⒌臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度不能超過(guò)140個(gè)字節(jié)。
例1：
假設(shè)您要發(fā)送00H,11H,22H,33H,44H,55H,共6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，接收方的電話(huà)號(hào)碼（目的地址）是13655436789，UDL=0DH(13個(gè)字節(jié)), STA=01H，36H，55H，43H，67H，89H，UD=00H,11H,22H,33H,44H,55H, 發(fā)送格式如下
D7H│0DH│01H│36H│55H│43H│67H│89H│00H│11H│22H│33H│44H│55H
2．收用戶(hù)數(shù)據(jù)
語(yǔ)法： D7H │ UDL │ SOA │ UD
SOA：發(fā)送方的電話(huà)號(hào)碼，即源地址。
例2：
假設(shè)您收到上面發(fā)送來(lái)的00H,11H,22H,33H,44H,55H,共6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送方的電話(huà)號(hào)碼（源地址）是139208557
