總線式原油盤庫(kù)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

周 鵬，王冠亞，宋清新，紀(jì)洪波

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東） 山東 青島 266580; 2.勝利油田濱南采油廠 山東 濱州 256600）

在采油廠聯(lián)合站中對(duì)原油的液位、油水界面、密度、含水、庫(kù)存量等各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)量過程就是盤庫(kù)。盤庫(kù)是原油生產(chǎn)過程中的一項(xiàng)重要工作，只有精確掌握了各項(xiàng)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(xiàng)關(guān)系到企業(yè)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)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(dòng)盤庫(kù)系統(tǒng)是非常必要的[1-2]。濱南采油廠是勝利油田位于山東省濱州市的一個(gè)重要采油廠，但受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)與資金等方面的因素，該廠現(xiàn)在使用的盤庫(kù)系統(tǒng)自動(dòng)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(fèi)時(shí)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(shí)際應(yīng)用盤庫(kù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，參考了國(guó)內(nèi)外一些油田聯(lián)合站的盤庫(kù)方案，設(shè)計(jì)開發(fā)了[3]一套基于RS-485總線[4-5]和主從單片機(jī)結(jié)構(gòu)[6]的原油自動(dòng)化盤庫(kù)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(kù)系統(tǒng)是以基于瀏覽器和客戶端軟件的方式進(jìn)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(cè)量?jī)x表或其他計(jì)量工具測(cè)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(kù)，之后計(jì)劃科工作人員用客戶端軟件對(duì)原油生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(duì)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(jì)部分，計(jì)劃科工作人員每天通過客戶端軟件對(duì)各單位上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(bào)表輸出和系統(tǒng)維護(hù)部分，供計(jì)劃科人員使用，以客戶端軟件的形式實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有系統(tǒng)到目前為止已建成十余年，一直運(yùn)行穩(wěn)定。但其整體自動(dòng)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(shí)現(xiàn)源頭數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和傳輸，即可完成現(xiàn)有盤庫(kù)系統(tǒng)中第一部分（即：生產(chǎn)數(shù)據(jù)錄入部分）的升級(jí)代替，并能與現(xiàn)有盤庫(kù)系統(tǒng)中的其余部分實(shí)現(xiàn)良好銜接，從而可將濱南采油廠原油盤庫(kù)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平提高到較高水平。

2 需求分析及測(cè)量方法

針對(duì)濱南采油廠現(xiàn)在實(shí)際運(yùn)行的盤庫(kù)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(jìn)：利用傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)源頭數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，提高數(shù)據(jù)采樣頻率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)、顯示與上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

為實(shí)現(xiàn)盤庫(kù)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，經(jīng)多方比較，針對(duì)不同類型油罐采用了如下測(cè)量方法。

2.1 針對(duì)沉降罐的測(cè)量方法

沉降罐的特點(diǎn)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(cè)量出不同高度處的含水率并進(jìn)行平均[7]。為此，先用超聲波液位變送器測(cè)量出油水混合物的液位，然后使用智能采集裝置測(cè)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(dāng)油水混合物的含水率變化時(shí)，其對(duì)能量的吸收也會(huì)相應(yīng)變化，這種表現(xiàn)會(huì)被接收裝置記錄下來并轉(zhuǎn)換成適宜單片機(jī)接收的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。

具體工作過程是讓移動(dòng)探頭先運(yùn)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(cè)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。

圖1 沉降罐測(cè)量方案示意圖Fig. 1 Diagram of measurement scheme for setting tank

根據(jù)上述測(cè)量原理，沉降罐中原油儲(chǔ)量的計(jì)算公式為：

其中，G為罐中原油總質(zhì)量，D為罐的直徑，hb為油水界面高度，hb為液位高度，k為修正系數(shù)，ρ為油層的平均密度，Cω為原油質(zhì)量含水率。

上式中，Cω和ρ是兩個(gè)相關(guān)的參數(shù)，它們的關(guān)系為[8]：

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(duì)凈油罐的測(cè)量方法

凈油罐中原油的特點(diǎn)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(dá)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(cè)出油水界面的高度和液位就可以計(jì)算出油罐中的儲(chǔ)油量了。計(jì)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(duì)外輸管道的測(cè)量方法

通過安裝高精度的含水分析儀、在線密度計(jì)和流量變送器可實(shí)現(xiàn)計(jì)量。具體計(jì)算公式為：

其中，Vt為流量計(jì)測(cè)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(jì)

該系統(tǒng)由3層結(jié)構(gòu)組成，最底層是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集層，負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)理與轉(zhuǎn)換；中間層是數(shù)據(jù)傳輸層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)與傳輸；最上層是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與界面層，負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并實(shí)現(xiàn)與工作人員的人機(jī)對(duì)話，可顯示即時(shí)及歷史數(shù)據(jù)、繪制統(tǒng)計(jì)圖、輸出報(bào)表及打印、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、執(zhí)行遠(yuǎn)程手動(dòng)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(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳送到安裝在油罐附近的現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)即從單片機(jī)上，然后利用RS-485總線通過串口傳送到主單片機(jī)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(jī)，在上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算、存儲(chǔ)與顯示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the designed system

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要由主/從單片機(jī)最小系統(tǒng)、串口復(fù)用電路、RS-485通信電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of the system’s hardware

為節(jié)約成本，本系統(tǒng)中使用的單片機(jī)均為51單片機(jī)。所使用的時(shí)鐘均為內(nèi)部方式，即在XTAL1和XTAL2兩端外接石英晶體作定時(shí)元件，內(nèi)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(fù)位方式采用手動(dòng)復(fù)位。

51單片機(jī)僅有一個(gè)串口，而主單片機(jī)與上位機(jī)和與從單片機(jī)的通信均是通過串口進(jìn)行，因此涉及到串口復(fù)用。文中串口復(fù)用電路就是實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，具體是使用兩片多路模擬開關(guān)4051分別實(shí)現(xiàn)單片機(jī)讀寫數(shù)據(jù)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(jī)之間的通信是基于RS-485總線來實(shí)現(xiàn)的，總線拓?fù)浣Y(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120 Ω。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(jī)，各從機(jī)有唯一編號(hào)，且從機(jī)間不能相互通信。

由于要在現(xiàn)場(chǎng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，防止總線故障時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，因此要在從單片機(jī)電路上擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。經(jīng)容量測(cè)算，選用6264靜態(tài)RAM進(jìn)行了擴(kuò)展，并用一片74LS373進(jìn)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(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(jī)上計(jì)算得出。12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度可達(dá)0.2‰，完全可滿足需要。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)。單片機(jī)程序使用C語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為Keil μVision4。上位機(jī)程序使用VB6.0進(jìn)行開發(fā)[9]。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主單片機(jī)程序設(shè)計(jì)、從單片機(jī)程序設(shè)計(jì)以及上位機(jī)程序設(shè)計(jì)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：

圖4 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure diagram of the system’s software

串行通信模塊用來實(shí)現(xiàn)主從單片機(jī)間的通信以及主單片機(jī)與上位機(jī)間的通信；定時(shí)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(shí)和字節(jié)定時(shí)；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。上位機(jī)程序中的數(shù)據(jù)處理與顯示模塊用于對(duì)主單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示并將結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

主單片機(jī)和從單片機(jī)主程序的流程圖分別如圖5和圖6所示。

圖5 主單片機(jī)主程序的流程圖Fig. 5 Flow chart of the master MCU’s main program

上位機(jī)的主要功能是定時(shí)喚醒主單片機(jī)，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(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)。其主程序的流程圖如圖7所示。

6 仿真實(shí)現(xiàn)

本文中主、從單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集與通信部分均通過Proteus軟件進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件與Proteus軟件之間通過虛擬串口進(jìn)行相互通信。圖8給出了主單片機(jī)上LCD的顯示結(jié)果，對(duì)應(yīng)當(dāng)前采集過程中3個(gè)油罐的液位和油水界面高度。圖9為上位機(jī)上的顯示結(jié)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(shù)據(jù)等信息。

7 結(jié) 論

文中為實(shí)現(xiàn)濱南采油廠各聯(lián)合站生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)與顯示，設(shè)計(jì)了一套原油盤庫(kù)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)采用主、從單片機(jī)結(jié)構(gòu)，利用RS-485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并最終上傳到聯(lián)合站主控室上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖6 從單片機(jī)主程序的流程圖Fig. 6 Flow chart of the slave MCU’s main program

圖7 上位機(jī)主程序流程圖Fig. 7 Flow chart of host computer’s main program

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

圖8 主單片機(jī)LCD的仿真結(jié)果Fig. 8 Simulation result displayed on main MCU’s LCD

圖9 上位機(jī)界面的仿真結(jié)果Fig. 9 Simulation result displayed on host computer

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