井口RTU测控系统的研制

月目录长江大学毕业设计(论文)任务书........................................... 错误！未定义书签。

毕业设计(论文)开题报告....................................................... 错误！未定义书签。

长江大学毕业论文(设计)指导教师评审意见. (VIII)长江大学毕业论文(设计)评阅教师评语............................................................... I X 长江大学毕业论文(设计)答辩记录及成绩评定. (X)前言 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

绪论 ......................................................................................... 错误！未定义书签。

第1章井口参数检测方法研究 (3)1.1 抽油机示功图原理及其测试方法 (3)1.2 抽油机平衡度测试原理及其测试方法 (9)第2章井口RTU测控系统总体方案设计 (13)2.1 井口RTU测控系统总体结构 (13)2.2 ATmega16单片机简介 (13)2.3 基于ATmega16单片微机的井口测控装置方案设计 (14)2.4MODBUS通讯协议标准 (14)2.5串行链路上Modus协议的实现 (16)2.6 MODBUS协议在TCP/IP上的实现 (18)第3章井口RTU测控系统硬件电路设计 (21)3.1数据检测部分 (21)3.2 井口控制部分 (27)3.3数据显示部分 (28)3.4数据传输部分的硬件电路设计 (30)第4章井口RTU测控系统软件设计 (34)4.1井口RTU测控软件设计 (34)4.2人机交互界面设计 (46)第5章井口RTU测控系统的调试及结论 (50)5.1系统硬件调试 (50)5.2系统软件调试 (50)5.3 调试结论 (51)第6章总结与展望 (52)参考文献 (54)学2.毕业设计（论文）起止时间：2011年12月20日～2012年6月10日3.毕业设计(论文)所需资料及原始数据（指导教师选定部分）QuartusII和NiosII IDE应用软件、网络传输相关的资料；FPGA、SOPC相关的书籍；FPGA开发板（DE2）相关的中英文资料。

4．毕业设计(论文)应完成的主要内容在QuartusII软件中的SOPC Builder下合理定制一个包含以太网接口设备的硬件系统，然后基于该系统在NiosII IDE软件环境下编写网络传输应用程序，设定网络传输所需的相关地址，调用相应的数据发送、传输、接收等函数以实现FPGA开发板与PC机之间的网络数据传输。

5．毕业设计(论文)的目标及具体要求在有限的时间内完成SOPC系统的合理定制，能基于该系统在NiosII IDE软件环境下撰写网络传输的应用程序，并进行测试验证且获得正确的结果。

本设计要求学生熟悉如何构建一个简单的SOPC系统，熟悉网络控制器接口的工作原理及LWIP协议栈中的相关函数，熟悉系统中软硬件的相互关系、网络传输的过程以及应用程序的编写方法，会自己用C语言编写网络传输的应用程序。

还要求学生了解µC/OSII操作系统，熟悉IQuartusII软件和NiosII IDE软件的使用及调试方法。

6、完成毕业设计(论文)所需的条件及上机时数要求连接网络并安装了QuartusII软件和NiosII IDE软件的计算机一台FPGA实验箱或开发板一套。

约240小时的上机时间任务书批准日期年月日教研室(系)主任(签字) 任务书下达日期年月日指导教师(签字) 完成任务日期年月日学生（签名）II____辅导教师_______________________________开题报告日期______________________________2014年3月15日井口RTU测控系统的研制学1 题目来源根据社会需求结合学生学习实际并本着提高学生动手能力、鼓励学生多涉课外书籍的目的而由教师命题。

2 研究目的和意义油田中油井大多都分布得较为分散,油井工作状况的监测和控制,一直是采油场一项重要和困难的工作。

其大体上有三个方面的任务: (1) 井口设备的日常管理，这部分工作主要是由油井巡视员或维修工定期对油井的产量、井口压力等数据进行记录,并对井口设备的异常情况进行处理; (2) 井口设备技术数据的检测(包括抽油机平衡度、抽油机示功图等) 及油井工作状况的诊断,这部分工作主要由工程技术人员来完成;(3) 井口设备的数据管理,它主要完成的是生产经营报表III及井口设备管理的工作,一般由管理人员完成。

现有的井口RTU 主要实现的是对井口设备的日常管理,即上述第一项任务,它取代的是原先由人工抄写的部分。

而对油井采油工艺的选择有重要依据的技术数据,如抽油机的示功图、抽油机平衡度等却未作较多的涉猎,而实时、在线地获取这些数据对油井状况的分析以及指导采油作业等则具有更高的实用价值。

在抽油机示功图位移检测方面，由于目前位移传感器不但价格高而且由于油井工作时的恶劣环境导致其故障频发，为此我们提出了根据抽油杆上下行程的周期（T）及抽油机的机械几何关系，经查表后间接得到每隔Δt抽油杆的位移的方法；在抽油机机械平衡度的检测中，提出了通过检测电动机上下冲程所做的功而间接得到抽油机的上下行程的机械功率的方法。

为此我们提出了一个可实现的跨层次采集数据检测、采集和管理为一体的井口RTU 系统。

基于MODBUS总线的局域网的建立，将地理位置较近的井口RTU组成为一个MODBUS总线的局域网，一个局域网中只需一台与监控中心通讯的无线设备，这样大大减少了井口RTU设备的安装成本。

本文提出井口RTU（Remote Terminal Unit），即井口设备远程终端测控系统的研制。

通过安装在井口的数据采集及控制设备将井口设备工作时的各项参数通过无线方式传至监控中心，并对井口数据进行分析，以便管理人员及时了解井口设备工作状况，为采油工艺的选择提供重要依据。

本课题从解决采油工程的实际问题出发，对井口数据的检测（包括示功图、流量、压力、平衡度等）、数据的传输（包括MODBUS总线通讯、无线通讯）、数据的管理、抽油机节能控制等任务进行了较深入的研究，将采油工艺、数据采集及信号控制的原理应用到硬件及软件电路的设计中，较好的满足了油田采油工艺中急需解决的问题。

3 阅读的主要参考文献及资料名称[1] 王鸿勋,张琪．采油工艺原理．石油工业出版社，1982[2] 李颖川．采油工程．石油工业出版社，2002[3] 崔振华,余国安，安锦高．有杆抽油系统．石油工业出版社，1994[4] [美]K．E．布朗．升举法采油工艺（卷二上）．石油工业出版社，1987[5] [加]T．E．W．尼德．油井开采原理．石油工业出版社，1988[6] 毕淑娥．电工学．哈工大出版社，2000IV[7] [美]K．E．布朗．升举法采油工艺（卷四）．石油工业出版社，[美]K．E．布朗，1987[8] 张琪．采油工程原理及设计．石油大学出版社，2000[10] 阳宪急．工业数据通信与控制网络．清华大学出版社，2003[11] 邬宽明．现场总线技术应用选编．北京航空航天大学出版社，2003[12] 徐玮．AVR单片机快速入门．机械工业出版社,2012[13] 邓元生．基于单片机的MODBUS总线协议实现技术研究[D]．中南大学图书馆，2009[14] 刘建清．轻松玩转A VR单片机C语言．北京航空航天大学出版社，2011[15] 孙鸥．基于MODBUS协议的总线系统设计与研究[D]．重庆大学出版社，2005[16] 王化样 ,张淑英．传感器原理及应用．天津大学出版社，1989[17] 唐贤远．传感器原理及应用．电子科技大学出版社,2000[18] 刘驾仁 ,韩保君．传感器原理及应用技术．西安电子科技大学，2003[19]Jhnson．Process Control Instrumentation Technology．Pearson Education Curtis D． 2002[20] 康华光．电子技术基础（模拟部分）．华中理工大学，19994 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向国外对井口RTU数据采集及控制系统的研制起步较早，目前井口数据都已实现了自动采集,在短距离的局域内（范围不超过5Kｍ）采用现场总线结构，将各个油井结点相连接，在每个局域网里用一台带有卫星发射装置的设备对数据进行整理后,通过卫星发送至监控中心。

监控中心将对数据进行处理并生成各种报表（如产量报表，耗电情况报表等），并为技术人员对采油工艺进行分析提供详尽的数据资料。

国内井口RTU的研究起步较晚，目前大多数井口RTU主要实现的是对井口压力、温度、流量等相关的数据（即取代原先人工抄写的部分）的采集，而对油井采油工艺的选择有重要依据的数据（如抽油机的示功图、抽油机平衡度、电机参数等）却未作较多的涉猎，而实时在线获取这此数据对油井状况的分析以及指导采油作业等则具有更高的实用价值。

5 主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路V5.1主要研究内容本课题主要研究了以下三个方面的内容:1、井口测控装置：实现油井油压、温度、流量的检测，油井压力的超压、欠压等情况的自动报警；抽油机悬点载荷、悬点位移的检测（实现抽油机示功图检测）；抽油机的电机工作电压、电流、相位角检测（实现抽油机平衡度的检测）及利用变频器的对抽油机的电动机进行控制，达到节能增效的目的。

2、数据传输在较短距离（3Kｍ范围内）采用现场总线的形式将各个井口测控装置组成一个局域网，每个局域网中只安装一台无线通讯设备与监控中心进行数据传输。

数据监控管理系统数据监控管理系统主要完成各种数据报表的发布及打印；示功图的复现及分析；平衡度的检测；油井压力的超压、欠压等情况的自动报警的人机介面等。

5.2关键问题（1）熟悉抽油机平衡度测试原理及其方法（2）熟悉ATmega16芯片硬件知识并掌握如何编程。

（3）熟悉MODBUS总线的相关知识，以及局域网的建立。

（4）井口测控部分的数据采集单元的硬件电路设计。

（5）井口数据采集装置中单片微机的软件设计。

（6）抽油机电动机节能的原理及其实现方法。

（7）数据传输部分的硬件电路设计。

5.3解决思路通过网络和书籍查阅相关文献和资料了解ATmega16单片机的内部结构、管脚VI设计，从最小的ATmega16系统开始学起了解它的设计方法与原理，熟悉AVR单片机的编程方法。