油田注水參數采集監測系統設計

李響　司珈銘　劉慧超

摘 要：油田的數字化建設中，注水系統對于提高產量來說非常重要，而注水井數量巨大，參數眾多，使得對注水井系統參數的監控、分析成為注水系統的重點。油田注水參數采集系統可以替代工作人員在戶外監視，減輕工作人員的工作負擔。本文基于AVR內核的ATmega16作為主控制器，采用SIM900A作為無線傳輸模塊，用戶在手機上可以實時監測注水參數的變化趨勢，并能查詢并打印歷史數據。

關鍵詞：油田；注水；參數采集；監測

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

1.背景意義

為了保持油層壓力，獲得較高的采收率，需要對油田進行注水。而注水井的分布范圍廣、數量多，使得對注水井系統參數的監控、分析成為注水系統的重點。目前由于我國油田生產中的重要注水站一直由工作人員在戶外監視其狀態，部分油井裝備了注水參數采集系統，但由于沒有實現無線傳感，數據采集工作必須由工作人員攜帶手持設備到現場，工作量大，而且極易出錯，數據存儲及查詢系統多為客戶端和服務器端架構，使得對參數的監控無法遠距離準確傳輸，在實際生產監控中存在滯后現象。因此設計一種油田注水參數采集監測系統對于油田提高工作效率、保障生產安全有著十分重要的意義。

2.系統設計思路

系統利用流量傳感器和壓力傳感器作為監測設備，利用無線通信模塊進行與主控制器之間的數據傳輸。

用戶可通過WEB的方式瀏覽當前實時數據曲線，并可查詢指定時間段內的數據曲線，也可以導出需要的相關數據，并打印數據報表。系統云服務器數據處理顯示系統如圖1所示。

3.系統硬件設計

本文以基于AVR內核的ATmega16控制器，并結合GPRS無線網絡實現對油田注水系統流量、壓力工況參數無線的實時監測。系統以GPRS為數據傳輸載體，以互聯網瀏覽器和服務器的模式架構為前端系統。形成網絡化在線監測，實時顯示流量、壓力曲線，所有從監控終端發送的數據均存儲于數據庫中。能夠在線實時對油田注水站機組的流量、壓力進行監測分析，且能查詢其歷史數據并打印，若系統拓展后還可實現故障記錄、為機組的狀態維護提供信息等功能。

3.1 單片機硬件電路

ATmega16片內包含經過標定的RC振蕩器，共有1.0MHz、2.0MHz、4.0MHz或8.0MHz4個時鐘頻率。將其作為系統時鐘時只需要按照數據手冊對熔絲位CKSEL進行編程即可。因此，當選擇片內RC振蕩器時，無須外部晶振電路，系統也可正常工作。為了更好地抑制噪聲，應在AREF引腳上連接一個0.1uF的電容進行解耦。因為連接導線和引腳的組合電容的影響，在進行ADC采樣時會使輸入的電壓值產生一定幅度的下降，而提高ADC輸入端的電容量就可以使壓降減輕，因此在ADC的輸入引腳端并接一個470pF的電容。并且又額外增加一個430Ω的外部輸入電阻，組成的RC網絡具有濾波功能，能夠濾除高頻噪音。當RESET為低電平時，可以通過串行SPI總線對Flash及EEPROM進行編程。串行接口包括SCK、MOSI（輸入）及MISO（輸出）。因此引出如表所示的相關引腳供Flash及EEPROM編程時使用。SPI串行編程映射見表1。

3.2 SIM900A硬件設計

SIM900A GSM/GPRS模塊使用單電源供電，其供電范圍在3.2V～4.8V之間，硬件設計手冊上推薦電壓為4.0V，由于模塊在進行突發射頻發射時會使電壓跌落，此時的峰值電流最高會達到2A以上，所以要求電源的供電能力要盡量達到2A，并在電源引腳處根據供電IC的輸出能力并接大電容。因此，電源部分的設計會影響模塊整體的工作穩定性，如設計不好會導致開機幾秒鐘之后就關機、在進行大數據量傳輸或信號不好時模塊關機或重啟。

4.程序設計總體流程

本設計采用了ATmega16單片機片內的模數轉換器采集傳感器發出的信號，因此需要對相關的寄存器進行初始化配置。其中ADMUX為ADC多工選擇寄存器，主要配置了ADC的參考電壓源和ADC轉換結果的左對齊。ADCSRA為ADC控制和狀態寄存器A，主要使用了ADC和配置了ADC預分頻器。

在進行單次采集之前，需要在ADMUX寄存器寫入選擇的ADC通道，之后通過ADCSRA寄存器啟動ADC，并循環讀取ADIF標志位等待ADC轉換結束。由于ATmega16單片機片內的模數轉換器為10位精度，分別存儲在ADCH和ADCL寄存器內，當ADC轉換結果左對齊時，直接在ADC轉換結束后讀取ADCH寄存器即可得到8位精度的轉換結果。

結語

本文對自動采集和無線傳輸進行了初步研究和設計，如果需要真正在工業生產環境中使用該系統還有很多的地方需要改進和完善，例如提升數據采集部分的數據精度，在惡劣的環境下使系統保持長時間穩定的運行狀態等。尤其是在人機交互頁面部分，如何更好地滿足工業生產中的需求，提高用戶的操作效率和管理效率，如增加用戶權限管理系統，使管理者能夠指定用戶查看的數據范圍等，都是在之后需要進一步拓展的功能

參考文獻

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