【文章內(nèi)容簡介】 ............81致 謝 .........................................................................................................................................82參考文獻 ...................................................................................................................................83附錄 A：數(shù)據(jù)采集板原理圖 11 .............................................................................................86附錄 B：數(shù)據(jù)采集板原理圖 12 .............................................................................................87附錄 C：GPRS 通信貓原理圖 ...................................................................................................88附錄 D：鍵盤顯示板原理圖 ....................................................................................................89攻讀學位期間發(fā)表的論文目錄 ...............................................................................................90攻讀學位期間參與的項目 .......................................................................................................90原創(chuàng)性聲明及關(guān)于學位論文使用授權(quán)的聲明 .......................................................................911 緒論 項目背景及研究的目的和意義能源問題是一個國家經(jīng)濟發(fā)展的命脈，它嚴重影響著工業(yè)化進程的步伐。而石油能源又被譽為“工業(yè)的血液” ，因而一個國家石油的儲量將很大程度影響該國經(jīng)濟發(fā)展的速度。我國是一個石油資源不十分豐富的國家，自 1993 年開始，我國便超越日本成為僅次于美國的世界上第二大石油進口國 [1]，能源機構(gòu)預測顯示，為了保持高經(jīng)濟增長勢頭，在 2040 年，中國將有 87％的原油依賴于進口 [2]。我國相當一部分油田的井場屬于分布式布局，分布式布局指的是油井數(shù)量多且分布比較零散，各個井場之間相隔幾十甚至上百公里，分散布局在各個山頭或溝壑，每個井場由 3~10 口井組成，每口油井獨立對應一個標準儲油罐。由于各個井場儲油罐相距較遠，目前采用的儲油方法是各井場獨立存油，一段時間后再通過拉油車將原油運輸?shù)絻τ椭行摹９芾矸矫娈斍岸嗖捎每淳と斯す芾砗徒y(tǒng)計每日原油灌的儲存量，缺少必要的監(jiān)控手段，所以錯報漏報甚至瞞報現(xiàn)象時有發(fā)生，并且由于缺乏監(jiān)管機制，使不法分子有機可乘，偷盜油現(xiàn)象很嚴重，據(jù)有關(guān)資料，目前陜北共有分布式油井 3 萬多口，以產(chǎn)油 100 萬噸為生產(chǎn)計劃，歷年來丟油的數(shù)量十分驚人，被偷盜原油占總產(chǎn)量的10％~15％之間 [3]。以上存在的問題對油田的管理帶來很大影響，并嚴重影響了經(jīng)濟效益。隨著我國國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，市場對石油的需求也日益增多，面對市場經(jīng)濟中石油企業(yè)之間的激烈競爭，如何采用集中化、自動化、網(wǎng)絡化的技術(shù)手段來實現(xiàn)對分布式油田的原油計量與防盜，降低生產(chǎn)運行維護成本，提高工作效率，以取得更好的經(jīng)濟效益，是分布式油田管理面臨的新問題。針對分布式油田原油計量和防盜存在的問題，本論文提出了油田的原油計量和防盜的自動化監(jiān)控管理方案。該方案運用 GPRS 無線技術(shù)作為通信媒介，利用自動化監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)對分布式油田的原油計量和防盜的遠程監(jiān)控，可以節(jié)省人力物力，降低勞動成本，改善工人工作條件，提高生產(chǎn)效率與管理水平。 項目的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀經(jīng)過多年的發(fā)展，我國石油勘探開發(fā)領(lǐng)域技術(shù)水平發(fā)展很快，并取得良好的經(jīng)濟效益，而在對采油現(xiàn)場的原油生產(chǎn)自動化管理上，國內(nèi)石油企業(yè)與國外同行還是有一定差距。國外的油田大多采用數(shù)字化信息技術(shù)對油田進行實時監(jiān)控，國內(nèi)目前只有少數(shù)大型、集中分布的油田能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制，多數(shù)的分布式油田工作狀況的管理基本上還是依靠人工的方法測控，大量參數(shù)需要報交技術(shù)人員進行分析判斷再得出相應結(jié)論。針對原油的計量和防盜，國內(nèi)目前的發(fā)展狀況是：在原油計量方面，國內(nèi)自二十世紀八十年代末在原油計量管理上推行了三級計量 [4]（分廠計量、分礦計量、分隊計量） ，采用單獨計量、計算管理模式，該模式對于當時國內(nèi)各油田都處于開發(fā)中期環(huán)境下，原油生產(chǎn)計量、外輸交接、生產(chǎn)管理與決策起到了很大的作用。隨著國內(nèi)大部分油田開發(fā)都進入到后期，產(chǎn)能遞減，產(chǎn)液量增加，油井、計量站規(guī)模加大，原三級計量管理模式在某種程度上不能滿足當前油田開發(fā)生產(chǎn)的需要。近年來國內(nèi)對原油計量的研究主要有：李昌嶺工程師用流量計對原油進行實時測量，用標量體積管來完成對流量計的在線標定[5]；劉曉良工程師采用三相工藝流程對原油進行測量，用油氣分離器和壓力平衡器對液位進行標定 [6]；侯鵬倩工程師應用靶式流量計的原理，對原油計量中的密度進行了修正，解決了含有泥沙雜質(zhì)的原油計量問題 [7]。長慶氣田采用差壓式孔板流量計，實現(xiàn)了計算機連續(xù)測量，保證了計量的準確性 [8]。袁波等人應用玻璃管液面計量法，實現(xiàn)對油田的遙控遙測和無人值守 [9]。在原油防盜技術(shù)研究方面，隨著計算機和信息圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的技術(shù)手段被應用在原油防盜問題的解決上，但目前的研究主要集中在對原油的管道運輸防盜上。大港油田應用聲波原理，以管道做信道，大地做回路實現(xiàn)了原油防盜及陰極保護參數(shù)自動遙測監(jiān)控系統(tǒng)，可實時對原油輸送管道及陰極保護參數(shù)進行有效的檢測 [10]。華北油田安裝數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以視頻替代了操作人員的巡視 [11]。李華工程師在長慶油田采用瞬態(tài)負壓波法，實現(xiàn)長輸管道的泄漏定位，并實時反饋給控制中心 [12]?？琢畈üこ處熢趧倮吞飸昧髁款A警器，開發(fā)了單井防盜報警系統(tǒng) [13]?？v覽國內(nèi)外關(guān)于油田原油計量和防盜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為油田原油計量與防盜遠程監(jiān)控方面的研究奠定了扎實的基礎。但在迅速發(fā)展的同時還應當看到對于集中式儲油的管線運輸防盜與計量問題研究的相對較多，而對分布式井場原油計量與防盜和現(xiàn)場設備防盜的研究相對較少。 論文的主要研究內(nèi)容分布式油田原油計量與防盜系統(tǒng)是要實現(xiàn)在生產(chǎn)管理控制中心，對分散在各局部地域儲油罐的實時監(jiān)控，隨時掌握各油罐的儲油量及總體儲油量，同時若有原油被盜時現(xiàn)場報警，拍攝現(xiàn)場照片，以為日后辦案提供證據(jù)的功能。整個系統(tǒng)旨在提高管理水平，為管理者提供科學準確的決策依據(jù)，主要的研究內(nèi)容有：（1）儲油罐液面的探測 儲油罐內(nèi)部液面的變化直接反映著原油的儲量和正常、異常放油的情況，對原油液面探測是系統(tǒng)實現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。儲油罐在野外，風沙大，溫差大，環(huán)境惡劣，因此還必須研究非接觸式測量在惡劣環(huán)境下探測容積變化的模式和方法，以及工作的準確性、可靠性和安全性等問題。（2）數(shù)據(jù)采集 通過傳感器將液位變化的物理量和儲油罐閥門開啟位置的變化量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，對數(shù)據(jù)實時采集、整理和前期運算處理，為數(shù)據(jù)顯示和傳輸做好準備。（3）無線數(shù)據(jù)傳輸 由于各井場分散式布局，距離遠，地形地貌復雜，從經(jīng)濟安全角度考慮，采用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。利用 GPRS 網(wǎng)絡，建立無線通信通道，把所采集的數(shù)據(jù)上傳到計算機監(jiān)控中心。同時還需要研究在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡偶然出現(xiàn)信號受阻問題的時候，如何保障測量數(shù)據(jù)的連續(xù)性，數(shù)據(jù)不丟失。（4）建立可靠的防盜報警系統(tǒng)原油的防盜報警是整個系統(tǒng)的重要功能，從多個方面保證報警系統(tǒng)的可靠性，一是研究放油閥門異常開啟的報警，即開關(guān)報警量；二是研究油位在非正常時間，異常變化的報警，即模擬報警量；三是當有異常報警發(fā)生時，采集現(xiàn)場圖片數(shù)據(jù)，為日后辦案提供證據(jù)。此外考慮現(xiàn)場經(jīng)常也有其他設備被盜的現(xiàn)象，同時也要研究諸如變壓器、電機等設備的防盜報警功能。 論文的組織結(jié)構(gòu)本項目源自于陜西省教育廳科技產(chǎn)業(yè)化培育項目，項目編號 07JC05，根據(jù)本人在項目中承擔的任務，論文中對遠程監(jiān)測終端的硬件和軟件開發(fā)作了詳細介紹，對計算機監(jiān)控中心軟件開發(fā)只作了簡要介紹，論文最后對遠程監(jiān)測終端的開發(fā)設計作了總結(jié)。論文共分為 7 章，其組織結(jié)構(gòu)如下：第 1 章 緒論。主要介紹項目背景及研究目的和意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，最后給出了本文的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。第 2 章 需求分析。根據(jù)系統(tǒng)需要解決的問題，對整個系統(tǒng)進行了功能分析，確定了系統(tǒng)各個部分的功能，最后給出了系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。第 3 章 總體方案設計。首先說明了整個系統(tǒng)的設計原則，提出了系統(tǒng)總體設計方案。整個系統(tǒng)由遠程監(jiān)測終端和計算機監(jiān)控中心兩個部分組成，介紹了這兩個部分的結(jié)構(gòu)框圖，然后對整個系統(tǒng)的可行性進行了分析，最后對遠程監(jiān)測終端開發(fā)將用到的相關(guān)技術(shù)進行了介紹。第 4 章 遠程監(jiān)測終端的硬件電路設計。遠程監(jiān)測終端采用模塊化的電路設計方法，依據(jù)系統(tǒng)功能自頂向下的把硬件分成了五個模塊，文中對各個模塊的電路進行了詳細說明。第 5 章 遠程監(jiān)測終端的軟件設計。遠程監(jiān)測終端的軟件通過先分層、結(jié)合有限狀態(tài)機、利用事件驅(qū)動的編程思想來設計的。文中先介紹了軟件編程的思想，在此基礎上對遠程監(jiān)測終端的底層驅(qū)動程序和應用層程序進行了介紹。第 6 章 計算機監(jiān)控中心的軟件開發(fā)。文中簡要介紹了系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控中心部分功能模塊。第 7 章 結(jié)論。文中對所做的工作進行了總結(jié)，并提出了目前存在的不足和今后改進的方向。2 需求分析充分理解需求信息對系統(tǒng)開發(fā)的成功至關(guān)重要，對需求進行詳盡的分析、準確的描述可以縮短開發(fā)周期、降低后期開發(fā)成本，也是設計高質(zhì)量、高可靠性系統(tǒng)的首要工作。本章通過對分布式油田的原油計量和防盜需求上進行分析，以明確開發(fā)目標，滿足油田管理自動化應用需求。 系統(tǒng)要解決的問題整個系統(tǒng)主要解決分布式油田的原油計量和丟盜油問題。分布式油田的特點是：井場井群分散布局在各個山頭或山溝之間，每個井場由 3~10 口井組成，每口油井獨立對應一個標準儲油罐，待標準油罐儲存滿后，由 20~50 噸的油罐車運到統(tǒng)一的集油站，完成由分散到集中的過程。集中后的原油計量與保管非常標準正規(guī)，本系統(tǒng)主要針對的是分散過程的原油計量與丟盜油問題，主要包括以下兩個方面的內(nèi)容：（1）研發(fā)原油實時動態(tài)計量系統(tǒng)。解決長期以來油田存在的計量方式簡陋，實時性差，人為誤差大的問題。（2）設計防盜油報警系統(tǒng)。針對分布式油田油井分布的地域廣，不好管理的問題，解決丟盜油現(xiàn)象。 遠程監(jiān)測終端的要求系統(tǒng)針對分布式油田的實際狀況，要求監(jiān)測終端應具備以下功能：（1）用非接觸測量方法，對油罐內(nèi)的原油進行實時測量。（2）對油罐閥門的開關(guān)及設備的運行狀態(tài)能進行遠程監(jiān)控。（3）當有偷盜油時，抓拍現(xiàn)場圖片并報警。（4）油罐有油位上限報警功能及現(xiàn)場油位顯示功能。（5）采用無線數(shù)據(jù)傳輸方式上傳檢測的各類數(shù)據(jù)。（6）現(xiàn)場調(diào)試、參數(shù)設置功能。（7）故障自診斷功能。（8）電源必須冗余設計，確保系統(tǒng)供電。（9）具備一定的升級換代和擴展功能。 計算機監(jiān)控中心的要求計算機監(jiān)控中心要求實現(xiàn)以下功能：（1）顯示遠程現(xiàn)場監(jiān)測終端的測量信息。（2）應能自動生成油罐存油的日、月、年報表。（3）統(tǒng)計分析功能，可以查詢?nèi)我庥凸拗性偷默F(xiàn)存量，歷史存量。（4）下達各種測控指令。（5）建立數(shù)據(jù)庫存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)。（6）及時的數(shù)據(jù)備份，保證數(shù)據(jù)不丟失。（7）報表打印功能。 遠程監(jiān)測終端功能分析分析整個項目對遠程監(jiān)測終端需求的功能，總的來說應具備如下幾點：（1）具有數(shù)據(jù)采集存儲功能。遠程監(jiān)測終端的基本功能是實時監(jiān)測存油罐中油位高度、油罐閥門狀態(tài)、報警器狀態(tài)，當報警器被觸發(fā)時，采集現(xiàn)場的圖片數(shù)據(jù)，以為辦案提供第一手資料。（2）具有數(shù)據(jù)處理功能。遠程監(jiān)測終端對模擬量可分別設置報警上、下限，有效上、下限，當數(shù)據(jù)越限值時可生成報警記錄。（3）具有通信功能。遠程監(jiān)測終端把各監(jiān)測數(shù)據(jù)通過 GPRS 無線網(wǎng)絡發(fā)送至計算機監(jiān)控中心，其通訊方式采用突發(fā)事件主動上報和定時上報兩種。遠程監(jiān)測終端也能接收來自監(jiān)控中心的各種命令。（4）具有電源切換及電池充電功能。當有交流電源時系統(tǒng)使用交流電源為系統(tǒng)供電，并給蓄電池充電。當交流供電丟失時，系統(tǒng)能夠自動切換到由蓄電池為系統(tǒng)供電，并保證系統(tǒng)在電池供電的情況下可以持續(xù)工作一定的時間。（5）具備一定的功能擴展能力。本課題中以分布式油田采油現(xiàn)場的儲油罐為對象，實現(xiàn)原油的計量和防盜，整個系統(tǒng)可以稍加修改應用到其它設備的遠程監(jiān)控上，另外遠程監(jiān)測終端的硬件設計也為系統(tǒng)的功能擴展留有余地，以進一步實現(xiàn)對采油現(xiàn)場抽油機等設備的監(jiān)控。 計算機監(jiān)控中心軟件功能分析根據(jù)項目需求，計算機監(jiān)測中心軟件應具備通信、數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)處理、各種顯示、報表打印和參數(shù)設置等功能，計算機監(jiān)控中心軟件的功能分述如下：（1）通信功能。計算機監(jiān)控中心通過固定的 IP 地址接入 Int