【文章內(nèi)容簡介】 ............81致 謝 .........................................................................................................................................82參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................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?jiān)韴D ...................................................................................................88附錄 D：鍵盤顯示板原理圖 ....................................................................................................89攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄 ...............................................................................................90攻讀學(xué)位期間參與的項(xiàng)目 .......................................................................................................90原創(chuàng)性聲明及關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的聲明 .......................................................................911 緒論 項(xiàng)目背景及研究的目的和意義能源問題是一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，它嚴(yán)重影響著工業(yè)化進(jìn)程的步伐。而石油能源又被譽(yù)為“工業(yè)的血液” ，因而一個(gè)國家石油的儲(chǔ)量將很大程度影響該國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度。我國是一個(gè)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(jìn)口國 [1]，能源機(jī)構(gòu)預(yù)測顯示，為了保持高經(jīng)濟(jì)增長勢頭，在 2040 年，中國將有 87％的原油依賴于進(jìn)口 [2]。我國相當(dāng)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?dāng)?shù)量多且分布比較零散，各個(gè)井場之間相隔幾十甚至上百公里，分散布局在各個(gè)山頭或溝壑，每個(gè)井場由 3~10 口井組成，每口油井獨(dú)立對應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)油罐。由于各個(gè)井場儲(chǔ)油罐相距較遠(yuǎn)，目前采用的儲(chǔ)油方法是各井場獨(dú)立存油，一段時(shí)間后再通過拉油車將原油運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)油中心。管理方面當(dāng)前多采用看井工人工管理和統(tǒng)計(jì)每日原油灌的儲(chǔ)存量，缺少必要的監(jiān)控手段，所以錯(cuò)報(bào)漏報(bào)甚至瞞報(bào)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，并且由于缺乏監(jiān)管機(jī)制，使不法分子有機(jī)可乘，偷盜油現(xiàn)象很嚴(yán)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(jì)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(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)效益。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)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(jì)中石油企業(yè)之間的激烈競爭，如何采用集中化、自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化的技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)對分布式油田的原油計(jì)量與防盜，降低生產(chǎn)運(yùn)行維護(hù)成本，提高工作效率，以取得更好的經(jīng)濟(jì)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(jì)量和防盜存在的問題，本論文提出了油田的原油計(jì)量和防盜的自動(dòng)化監(jiān)控管理方案。該方案運(yùn)用 GPRS 無線技術(shù)作為通信媒介，利用自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對分布式油田的原油計(jì)量和防盜的遠(yuǎn)程監(jiān)控，可以節(jié)省人力物力，降低勞動(dòng)成本，改善工人工作條件，提高生產(chǎn)效率與管理水平。 項(xiàng)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(jì)效益，而在對采油現(xiàn)場的原油生產(chǎn)自動(dòng)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)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(bào)交技術(shù)人員進(jìn)行分析判斷再得出相應(yīng)結(jié)論。針對原油的計(jì)量和防盜，國內(nèi)目前的發(fā)展?fàn)顩r是：在原油計(jì)量方面，國內(nèi)自二十世紀(jì)八十年代末在原油計(jì)量管理上推行了三級計(jì)量 [4]（分廠計(jì)量、分礦計(jì)量、分隊(duì)計(jì)量） ，采用單獨(dú)計(jì)量、計(jì)算管理模式，該模式對于當(dāng)時(shí)國內(nèi)各油田都處于開發(fā)中期環(huán)境下，原油生產(chǎn)計(jì)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(jìn)入到后期，產(chǎn)能遞減，產(chǎn)液量增加，油井、計(jì)量站規(guī)模加大，原三級計(jì)量管理模式在某種程度上不能滿足當(dāng)前油田開發(fā)生產(chǎn)的需要。近年來國內(nèi)對原油計(jì)量的研究主要有：李昌嶺工程師用流量計(jì)對原油進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，用標(biāo)量體積管來完成對流量計(jì)的在線標(biāo)定[5]；劉曉良工程師采用三相工藝流程對原油進(jìn)行測量，用油氣分離器和壓力平衡器對液位進(jìn)行標(biāo)定 [6]；侯鵬倩工程師應(yīng)用靶式流量計(jì)的原理，對原油計(jì)量中的密度進(jìn)行了修正，解決了含有泥沙雜質(zhì)的原油計(jì)量問題 [7]。長慶氣田采用差壓式孔板流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)連續(xù)測量，保證了計(jì)量的準(zhǔn)確性 [8]。袁波等人應(yīng)用玻璃管液面計(jì)量法，實(shí)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(jì)算機(jī)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(yīng)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(yùn)輸防盜上。大港油田應(yīng)用聲波原理，以管道做信道，大地做回路實(shí)現(xiàn)了原油防盜及陰極保護(hù)參數(shù)自動(dòng)遙測監(jiān)控系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)對原油輸送管道及陰極保護(hù)參數(shù)進(jìn)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(fù)壓波法，實(shí)現(xiàn)長輸管道的泄漏定位，并實(shí)時(shí)反饋給控制中心 [12]。孔令波工程師在勝利油田應(yīng)用流量預(yù)警器，開發(fā)了單井防盜報(bào)警系統(tǒng) [13]?？v覽國內(nèi)外關(guān)于油田原油計(jì)量和防盜的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，為油田原油計(jì)量與防盜遠(yuǎn)程監(jiān)控方面的研究奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。但在迅速發(fā)展的同時(shí)還應(yīng)當(dāng)看到對于集中式儲(chǔ)油的管線運(yùn)輸防盜與計(jì)量問題研究的相對較多，而對分布式井場原油計(jì)量與防盜和現(xiàn)場設(shè)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(jì)量與防盜系統(tǒng)是要實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)管理控制中心，對分散在各局部地域儲(chǔ)油罐的實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)掌握各油罐的儲(chǔ)油量及總體儲(chǔ)油量，同時(shí)若有原油被盜時(shí)現(xiàn)場報(bào)警，拍攝現(xiàn)場照片，以為日后辦案提供證據(jù)的功能。整個(gè)系統(tǒng)旨在提高管理水平，為管理者提供科學(xué)準(zhǔn)確的決策依據(jù)，主要的研究內(nèi)容有：（1）儲(chǔ)油罐液面的探測 儲(chǔ)油罐內(nèi)部液面的變化直接反映著原油的儲(chǔ)量和正常、異常放油的情況，對原油液面探測是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的前提和關(guān)鍵。儲(chǔ)油罐在野外，風(fēng)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(zhǔn)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(chǔ)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(shí)時(shí)采集、整理和前期運(yùn)算處理，為數(shù)據(jù)顯示和傳輸做好準(zhǔn)備。（3）無線數(shù)據(jù)傳輸 由于各井場分散式布局，距離遠(yuǎn)，地形地貌復(fù)雜，從經(jīng)濟(jì)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(luò)，建立無線通信通道，把所采集的數(shù)據(jù)上傳到計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。同時(shí)還需要研究在無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)偶然出現(xiàn)信號(hào)受阻問題的時(shí)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(bào)警系統(tǒng)原油的防盜報(bào)警是整個(gè)系統(tǒng)的重要功能，從多個(gè)方面保證報(bào)警系統(tǒng)的可靠性，一是研究放油閥門異常開啟的報(bào)警，即開關(guān)報(bào)警量；二是研究油位在非正常時(shí)間，異常變化的報(bào)警，即模擬報(bào)警量；三是當(dāng)有異常報(bào)警發(fā)生時(shí)，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(shè)備被盜的現(xiàn)象，同時(shí)也要研究諸如變壓器、電機(jī)等設(shè)備的防盜報(bào)警功能。 論文的組織結(jié)構(gòu)本項(xiàng)目源自于陜西省教育廳科技產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào) 07JC05，根據(jù)本人在項(xiàng)目中承擔(dān)的任務(wù)，論文中對遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件和軟件開發(fā)作了詳細(xì)介紹，對計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件開發(fā)只作了簡要介紹，論文最后對遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的開發(fā)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了功能分析，確定了系統(tǒng)各個(gè)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(shè)計(jì)。首先說明了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，提出了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。整個(gè)系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測終端和計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心兩個(gè)部分組成，介紹了這兩個(gè)部分的結(jié)構(gòu)框圖，然后對整個(gè)系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了分析，最后對遠(yuǎn)程監(jiān)測終端開發(fā)將用到的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了介紹。第 4 章 遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件電路設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端采用模塊化的電路設(shè)計(jì)方法，依據(jù)系統(tǒng)功能自頂向下的把硬件分成了五個(gè)模塊，文中對各個(gè)模塊的電路進(jìn)行了詳細(xì)說明。第 5 章 遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的軟件通過先分層、結(jié)合有限狀態(tài)機(jī)、利用事件驅(qū)動(dòng)的編程思想來設(shè)計(jì)的。文中先介紹了軟件編程的思想，在此基礎(chǔ)上對遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的底層驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用層程序進(jìn)行了介紹。第 6 章 計(jì)算機(jī)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(jìn)行了總結(jié)，并提出了目前存在的不足和今后改進(jìn)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(jìn)行詳盡的分析、準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(jì)量和防盜需求上進(jìn)行分析，以明確開發(fā)目標(biāo)，滿足油田管理自動(dòng)化應(yīng)用需求。 系統(tǒng)要解決的問題整個(gè)系統(tǒng)主要解決分布式油田的原油計(jì)量和丟盜油問題。分布式油田的特點(diǎn)是：井場井群分散布局在各個(gè)山頭或山溝之間，每個(gè)井場由 3~10 口井組成，每口油井獨(dú)立對應(yīng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)油罐，待標(biāo)準(zhǔn)油罐儲(chǔ)存滿后，由 20~50 噸的油罐車運(yùn)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(jì)量與保管非常標(biāo)準(zhǔn)正規(guī)，本系統(tǒng)主要針對的是分散過程的原油計(jì)量與丟盜油問題，主要包括以下兩個(gè)方面的內(nèi)容：（1）研發(fā)原油實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)。解決長期以來油田存在的計(jì)量方式簡陋，實(shí)時(shí)性差，人為誤差大的問題。（2）設(shè)計(jì)防盜油報(bào)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(yuǎn)程監(jiān)測終端的要求系統(tǒng)針對分布式油田的實(shí)際狀況，要求監(jiān)測終端應(yīng)具備以下功能：（1）用非接觸測量方法，對油罐內(nèi)的原油進(jìn)行實(shí)時(shí)測量。（2）對油罐閥門的開關(guān)及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)能進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。（3）當(dāng)有偷盜油時(shí)，抓拍現(xiàn)場圖片并報(bào)警。（4）油罐有油位上限報(bào)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(shè)置功能。（7）故障自診斷功能。（8）電源必須冗余設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)供電。（9）具備一定的升級換代和擴(kuò)展功能。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心的要求計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心要求實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）顯示遠(yuǎn)程現(xiàn)場監(jiān)測終端的測量信息。（2）應(yīng)能自動(dòng)生成油罐存油的日、月、年報(bào)表。（3）統(tǒng)計(jì)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(dá)各種測控指令。（5）建立數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)現(xiàn)場數(shù)據(jù)。（6）及時(shí)的數(shù)據(jù)備份，保證數(shù)據(jù)不丟失。（7）報(bào)表打印功能。 遠(yuǎn)程監(jiān)測終端功能分析分析整個(gè)項(xiàng)目對遠(yuǎn)程監(jiān)測終端需求的功能，總的來說應(yīng)具備如下幾點(diǎn)：（1）具有數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)功能。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的基本功能是實(shí)時(shí)監(jiān)測存油罐中油位高度、油罐閥門狀態(tài)、報(bào)警器狀態(tài)，當(dāng)報(bào)警器被觸發(fā)時(shí)，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(yuǎn)程監(jiān)測終端對模擬量可分別設(shè)置報(bào)警上、下限，有效上、下限，當(dāng)數(shù)據(jù)越限值時(shí)可生成報(bào)警記錄。（3）具有通信功能。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端把各監(jiān)測數(shù)據(jù)通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，其通訊方式采用突發(fā)事件主動(dòng)上報(bào)和定時(shí)上報(bào)兩種。遠(yuǎn)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(dāng)有交流電源時(shí)系統(tǒng)使用交流電源為系統(tǒng)供電，并給蓄電池充電。當(dāng)交流供電丟失時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)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(shí)間。（5）具備一定的功能擴(kuò)展能力。本課題中以分布式油田采油現(xiàn)場的儲(chǔ)油罐為對象，實(shí)現(xiàn)原油的計(jì)量和防盜，整個(gè)系統(tǒng)可以稍加修改應(yīng)用到其它設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控上，另外遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件設(shè)計(jì)也為系統(tǒng)的功能擴(kuò)展留有余地，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對采油現(xiàn)場抽油機(jī)等設(shè)備的監(jiān)控。 計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件功能分析根據(jù)項(xiàng)目需求，計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心軟件應(yīng)具備通信、數(shù)據(jù)庫管理及數(shù)據(jù)處理、各種顯示、報(bào)表打印和參數(shù)設(shè)置等功能，計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心軟件的功能分述如下：（1）通信功能。計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心通過固定的 IP 地址接入 Int