麗娜 呼倫貝爾學院物電學院

油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

麗娜 呼倫貝爾學院物電學院

將Zigbee技術(shù)、FPGA技術(shù)應用于油井參數(shù)檢測系統(tǒng)中，設計了一種基于FPGA的油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓力、溫度、位移等參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集。該系統(tǒng)中主要包括油溫、油壓、電流/電壓以及位移等多路傳感器電路，多路ADC電路、FPGA及其外圍電路、射頻模塊電路以及電源電路等。由于FPGA具有并行處理的優(yōu)勢及可編程性強的特點使得處理系統(tǒng)設計具有較強的靈活性，可針對不同系統(tǒng)需求，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)軟件的各種功能，滿足不同系統(tǒng)處理需求。

無線通信；油氣田；數(shù)據(jù)采集；油壓；單片機

隨著科技的進步以及自動化管理的應用，石油企業(yè)在數(shù)字化、智能化油氣田建設方面取得了巨大進步。其中無線傳感網(wǎng)絡Zigbee技術(shù)以其低成本、低功耗等優(yōu)勢，在油氣田數(shù)字化建設中得到了廣泛應用。

FPGA可以較方便地實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集與預處理，具有可編程性強的特點，適用于油氣田數(shù)字化、智能化系統(tǒng)的開發(fā)與應用[1]。將Zigbee技術(shù)、FPGA技術(shù)應用于油井參數(shù)檢測系統(tǒng)中，設計了一種基于FPGA的油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實現(xiàn)壓力、溫度、位移等參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集。采用Zigbee技術(shù)，減少了人力、物力的投入，極大地提高了工作效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)借助多個不同種類的傳感器實現(xiàn)非電量信號到電量信號的轉(zhuǎn)換，并通過多路ADC實現(xiàn)多通道電量信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送到FPGA中進行處理。

該系統(tǒng)中主要包括油溫、油壓、電流/電壓以及位移等多路傳感器電路，多路ADC電路、FPGA及其外圍電路、射頻模塊電路以及電源電路等。其中油溫、油壓傳感器安裝于井口，電流/電壓傳感器安裝于控制柜內(nèi)。

2 主要電路設計

2.1 各傳感器電路

（1）油溫傳感器電路。油溫傳感器采用了DALLAS公司數(shù)字溫度傳感器DS18B20[2]。傳感器DS18B20其溫度范圍在-55～+125℃之間，分辨率為0.062 5℃。該傳感器采用單線制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與控制，可通過FPGA的I/O口對其實現(xiàn)控制，其輸出數(shù)字信號送到FPGA中進行處理。該傳感器具有體積小、功耗低的特點，適合于各類主控CPU的連接。油溫傳感器電路設計如圖2所示。

圖2 油溫傳感器電路

（2）油壓傳感器電路。油壓傳感器是利用傳感器上的膜片感受壓力，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，實現(xiàn)壓力的轉(zhuǎn)換[3]。本設計中采用的油壓傳感器為PT500—500系列壓力變送器，該傳感器具有高精度的溫度補償和高穩(wěn)定性放大集成電路，最高壓力可達150 MPa；采用0～5 VDC、0～10 VDC、0.5～4.5 VDC等標準電信號；可將被測量介質(zhì)的壓力轉(zhuǎn)換成4～20 mA；可輸出RS485數(shù)字信號。

（3）電流/電壓傳感器電路。本設計中電流傳感器采用的是霍爾傳感器HS02—P，工作溫度范圍：-20～+75℃；測量范圍在0～70 A；帶寬DC～200 kHz；溫度漂移﹤±0.01%/℃。電壓傳感器采用了CHV—50P/1 200閉環(huán)霍爾電壓傳感器，額定電壓為1 200 V，精度為±0.8%。

（4）位移傳感器電路。位移傳感器又稱為線性傳感器，分為模擬式和數(shù)字式兩種。其中模擬式位移傳感器包括了電感式位移傳感器、電渦流式位移傳感器、霍爾式位移傳感器、電位器式位移傳感器等[4]。本設計中采用LP802系列位移傳感器，該位移傳感器溫度范圍：-65～+105℃；線性度：滿量程的±1%；增量靈敏度：0.001 27 mm；工作力：最大450 g。

2.2 多路ADC電路

為了實現(xiàn)多個傳感器的多通道數(shù)據(jù)采集，本系統(tǒng)設計中采用了TI公司的一款可以實現(xiàn)8路數(shù)據(jù)采集的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7959[5]。其芯片具有1MSPS的采樣速率，8 bit的分辨率，可實現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)采集；輸入信號采用單端輸入模式，具有串行接口，可以實現(xiàn)與FPGA的連接與控制。

2.3 射頻模塊電路

系統(tǒng)射頻模塊采用了Chipcon公司的CC2420射頻模塊，該模塊傳輸距離最大200 m，碼片速率達2 Mchip/s，數(shù)據(jù)速率達250 kbps；支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議；擁有4線串行外部接口SPI。本設計中利用FPGA實現(xiàn)對射頻模塊CC2420的配置。

3 結(jié)語

完成了一種油井多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計，該設計中采用了多路ADC實現(xiàn)了油溫、油壓、位移、電流/電壓等油井參數(shù)的多通道數(shù)據(jù)采集，利用FPGA實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的處理、射頻模塊等的控制。由于FPGA具有并行處理的優(yōu)勢，同時可編程性強的特點使得處理系統(tǒng)設計具有較強的靈活性，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)軟件功能設計，以滿足不同系統(tǒng)處理需求。利用了無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)了檢測點與系統(tǒng)終端的數(shù)據(jù)通信，該設計在油田建設與管理中具有廣泛的實用價值，為數(shù)字化、智能化油田建設發(fā)展提供了技術(shù)支持。

[1]楊涵夫．基于Spring技術(shù)的油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J]．油氣田地面工程，2012，31（1）：97-98.

[2]石崇東，李琪，張紹槐．智能油田和智能鉆采技術(shù)的應用與發(fā)展[J]．石油鉆采工藝，2005，27（6）：1-4．

[3]程璐．大慶油田抽油機自動監(jiān)控無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2004.

[4]劉元法．油田鉆井參數(shù)實時檢測系統(tǒng)[D]．濟南：山東科技大學，2004．

[5]劉先剛，姜建勝，顧文濱．油田遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用及展望[J]．小型油氣藏．2009（1）：58-61.

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.040