应用于石油数据采集的监控设备论文和设计-朱波

全文摘要

本实用新型公开了一种应用于石油数据采集的监控设备，涉及石油监控领域，包括设备壳体，在所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元、用于采集石油数据的数据采集单元、用于与外部监控终端通信的数据通信单元及用于存储数据参数的存储器，数据采集单元能够实现对重要监控参数的无线自组网匹配传输，组网迅速，可靠性高，省去了在油井中大量的布线成本和接口设置成本，方便实现石油数据的远程采集和石油数据向服务器的远程传输，便于服务器端的专家对石油数据进行远程监控，远程管理和故障诊断。

主设计要求

1.一种应用于石油数据采集的监控设备，包括设备壳体，其特征在于，所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元、用于采集石油数据的数据采集单元、用于与外部监控终端通信的数据通信单元及用于存储数据参数的存储器；所述数据采集单元与所述控制器单元电性连接；所述数据通信单元与所述控制器单元电性连接；所述存储器与所述控制器单元电性连接；所述数据采集单元包括无线参数采集单元，所述无线参数采集单元包括至少一种用于设置于油井中的无线采集器和至少一种设置于所述设备壳体中的无线自组网单元；所述无线采集器与所述无线自组网单元建立无线通信连接；所述无线自组网单元与所述控制器单元电性连接；所述数据通信单元，将所述数据采集单元采集到的石油监控参数向外部监控终端传输。

设计方案

1.一种应用于石油数据采集的监控设备，包括设备壳体，其特征在于，所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元、用于采集石油数据的数据采集单元、用于与外部监控终端通信的数据通信单元及用于存储数据参数的存储器；

所述数据采集单元与所述控制器单元电性连接；所述数据通信单元与所述控制器单元电性连接；所述存储器与所述控制器单元电性连接；

所述数据采集单元包括无线参数采集单元，所述无线参数采集单元包括至少一种用于设置于油井中的无线采集器和至少一种设置于所述设备壳体中的无线自组网单元；所述无线采集器与所述无线自组网单元建立无线通信连接；所述无线自组网单元与所述控制器单元电性连接；

所述数据通信单元，将所述数据采集单元采集到的石油监控参数向外部监控终端传输。

2.如权利要求1所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述设备壳体中还设置有负载驱动单元，所述负载驱动单元与所述控制器单元电性连接。

3.如权利要求1所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述数据采集单元还包括电参数采集单元和\/或开关量采集单元。

4.如权利要求1所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述数据通信单元包括无线通信单元和\/或有线通信单元和\/或无线加密通信单元。

5.如权利要求1所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所设备壳体表面设置有显示单元；所述显示单元包括运行灯和\/或通信状态灯和\/或无线通信灯和\/或遥控指示灯；所述显示单元与所述控制器单元电性连接。

6.如权利要求1所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述无线采集器上设置有第一ZigBee RF通信单元和\/或第一Lora通信单元；所述无线自组网单元中设置有第二ZigBee RF通信单元和\/或第二Lora通信单元；所述第一ZigBee RF通信单元与所述第二ZigBee RF通信单元通信连接；所述第一Lora通信单元与所述第二Lora通信单元通信连接。

7.如权利要求4所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述无线通信单元包括4G通信单元；所述有线通信单元包括多路RS485接口单元；所述无线加密通讯单元包括RJ45接口单元、加密单元及4G DTU单元。

8.如权利要求3所述的应用于石油数据采集的监控设备，其特征在于，所述电参数采集单元包括电压采集单元和\/或电流采集单元和\/或电功率采集单元。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于石油监控领域，具体地说，涉及一种应用于石油数据采集的监控设备。

背景技术

目前，石油采集作业的系统、设备结构线路较为复杂，石油油井采集时井内的压力、温度等参数，很难采取人工测量的方式进行监控，一方面监控可靠性较差、另一方面安全性较低，为石油参数的实时采集工作提出了很大的挑战。如若忽略对石油采集的参数的远程监控，将影响石油采集任务的优化布局，对石油采集的效益也会产生重大影响。对于关键监控参数，若不实现实时有效地采集和维护，在采集过程中，针对潜藏的安全隐患缺乏预判性，一旦发生故障，将会危害采集过程涉及的设备、人员安全，甚至导致重大事故的发生。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型提供一种应用于石油数据采集的监控设备，以实现对油井重要指标的远程无线采集和远程实时传输，克服空间的局限性，以便于专家能够在远程终端对石油采集过程实时地作出监控和处理，来保障石油采集过程的安全性和效率。

为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案为：

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，包括设备壳体，所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元、用于采集石油数据的数据采集单元、用于与外部监控终端通信的数据通信单元及用于存储数据参数的存储器；

所述数据采集单元与所述控制器单元电性连接；所述数据通信单元与所述控制器单元电性连接；所述存储器与所述控制器单元电性连接；

所述数据通信单元，将所述数据采集单元采集到的石油监控参数向外部监控终端传输。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述设备壳体中还设置有负载驱动单元，所述负载驱动单元与所述控制器单元电性连接。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述数据采集单元还包括电参数采集单元和\/或开关量采集单元。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述数据通信单元包括无线通信单元和\/或有线通信单元和\/或无线加密通信单元。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所设备壳体上设置有显示单元；所述显示单元包括运行灯和\/或通信状态灯和\/或无线通信灯和\/或遥控指示灯；所述显示单元与所述控制器单元电性连接。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述无线采集器上设置有第一ZigBee RF通信单元和\/或第一Lora通信单元；所述无线自组网单元中设置有第二ZigBee RF通信单元和\/或第二Lora通信单元；所述第一ZigBee RF通信单元与所述第二ZigBee RF通信单元通信连接；所述第一Lora通信单元与所述第二Lora通信单元通信连接。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所无线通信单元包括4G通信单元；所述有线通信单元包括多路RS485接口单元；所述无线加密通讯单元包括RJ45接口单元、加密单元及4G DTU单元。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述电参数采集单元包括电压采集单元和\/或电流采集单元和\/或电功率采集单元。

上述技术方案具有如下优点或者有益效果：

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，包括设备壳体，在所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元、用于采集石油数据的数据采集单元、用于与外部监控终端通信的数据通信单元及用于存储数据参数的存储器，数据采集单元能够实现对重要监控参数的无线自组网匹配传输，组网迅速，可靠性高，省去了在油井中大量布线的成本和接口设置成本，方便实现石油数据的远程采集和石油数据向服务器的远程传输，便于服务器端的专家对石油数据进行远程监控，远程管理和故障诊断。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。

图1是本实用新型实施例1提供的应用于石油数据采集的监控设备的电性连接结构简要示意图。

具体实施方式

下面结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的说明，显然所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对附图中提供的本实用新型实施例中的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。

实施例1：

石油采集的关键数据例如压力、温度直接关系到对油田的合理开发和部署，油井中装置的动作无法全部由人工监测，一来强度大，实时性差，同时可靠性较低，难以真实反映石油情况，人工无法实现高效可靠监测，操作安全性难以保障。为了对石油采集过程的关键参数进行实时远程采集并传送，本实用新型实施例1提供一种应用于石油数据采集的监控设备，包括设备壳体，参照图1，所述设备壳体中设置有用于石油数据采集控制的控制器单元1、用于采集石油数据的数据采集单元2、用于与外部监控终端通信的数据通信单元3及用于存储数据参数的存储器4；

所述数据采集单元2与所述控制器单元1电性连接；所述数据通信单元3与所述控制器单元1电性连接；所述存储器4与所述控制器单元1电性连接；

所述数据采集单元2包括无线参数采集单元21，所述无线参数采集单元21包括至少一种用于设置于油井中的无线采集器211和至少一种设置于所述设备壳体中的无线自组网单元212；所述无线采集器211与所述无线自组网单元212建立无线通信连接；所述无线自组网单元212与所述控制器单元1电性连接；

所述数据通信单元3，将所述数据采集单元2采集到的石油监控参数向外部监控终端传输。

将无线采集器布置于油井中，将无线自组网单元布置于监控设备的设备壳体中，无线采集器能够和无线自组网单元无线通信连接，在石油采集的过程中，能够对压力、温度等难以人工测量的参数实现无线实时采集，减小了有线采集可能存在的线路损耗对监测精度带来的影响，节约了接口线路成本，复用性强。存储器与控制器单元电性连接，当采集到石油数据时，能够实时存储于存储器中，以备向远程终端发送。数据通信单元3与控制器单元1电性连接，控制器单元能够控制将存储器中存储的参数和数据通过数据通信单元发送至远程终端，实现了石油数据的远程采集和远程监控，便于对过程实施实时的维护和诊断。

优选地，所述设备壳体中还设置有负载驱动单元6，所述负载驱动单元6与所述控制器单元1电性连接。通过设置负载驱动单元6，当控制器单元1通过数据通信单元3传送控制信号时，本实用新型实施例1提供的石油数据采集监控设备能够发出相应的驱动控制信号，停止油井中相关动作执行机构的动作，做到有效地风险防范。通过接收远程通信控制信号后，设备能够自动执行相关的动作来保障油井石油采集过程的安全性。具体地，本实用新型实施例1中，负载驱动单元6通过多路数字量输出的继电器驱动方式，带载能力为5A250VAC，该负载驱动单元能够根据远程控制指令输出开关信号，驱动电机开启或停止，以防止故障范围的扩大造成损失，利用继电器的小信号驱动大信号的负载驱动能力，能够有效防止电机启停控制带来的控制触点损坏，对于负载驱动单元电路结构的设计，是本领域技术人员能够理解的，在此不予赘述。

为了对石油采集过程作出全面监控，本实用新型实施例1中的石油数据采集监控设备中，所述数据采集单元2还包括电参数采集单元22和\/或开关量采集单元23。通过设置电参数采集单元22，能够同时对采集过程中的实时供电情况及能耗情况进行采集。具体地，所述电参数采集单元包括电压采集单元和\/或电流采集单元和\/或电功率采集单元。这样一来，能够全面地对电路参数、电路能耗进行监控，便于采集工作的优化开展。进一步地，设置开关量采集单元23，能够对油井采集系统中各动作机构的开关信号进行采集，将温度、压力、电参数、开关参数等信号均实时存储于存储器中，一方面便于实施对过程的监控，同时也能够作为宝贵的数据资源传输至远程终端作进一步控制。本实用新型实施例1中，电流的采集采用三相四线制接法，采用电流互感器采集方法获取小信号，电流采集范围为0～120A，电流互感器采用外置互感器设置于电流采集单元中；对于电压采集，也采用三相四线制接法，采用电压互感器隔离获取低压小信号，通过电流互感器、电压互感器，将原边高电压信号转变为与原边高电压成比例的副边低电压信号，将原边高电流将原边大电流信号转变为与原边大电流信号成比例的副边小电流信号，同时副边信号与原边信号的比例系数相对恒定，且与标称系数的误差小，具有较高的电流、电压采集数值精度，有利于保障电参数监控的精确性。在本实用新型实施例1中，电流互感器采用的是外置互感器，采集电流范围为0～120A，电压互感器内置于壳体中的控制器单元中，例如可以采用YDPT31C 2mA的精密电压变换器，对过程的电压进行高精度监控，防止电压波动对石油采集系统造成影响。

本实用新型实施例1提供的应用于石油数据采集的监控设备，优选地，所述数据通信单元3包括无线通信单元31和\/或有线通信单元32和\/或无线加密通信单元33。通过同时设置上述多种通信方式，方便根据现场环境选择合适的通信方式，例如，当无线通信质量较差时，为了能够确保传输的可靠性，可将存储器中的监控参数通过有线通信单元传输至本地上位机，以便于存储器继续实时采集数据；当无线通信质量强时，可与通过无线通信单元发送至远程服务器或本地应用系统。另外，由于石油数据难以获得，更需要严格密切关注其传输安全性和可靠性，防止数据传输的不安全性而导致重大的安全隐患，因此，本实用新型实施例1提供的石油数据采集监控设备上还设置有无线加密传输单元，以更好地保障信息传输的正确性和安全性，这对于远程终端进行大数据分析和建模是非常重要的。

对于无线通信单元31、有线通信单元32及无线加密通讯单元33，只要能够实现上述应用场景，不限于具体的通信方式，这是本领域技术人员能够理解的。作为一种优选的实施方式，本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备中，无线通信单元包括4G通信单元；所述有线通信单元包括多路RS485接口单元；所述无线加密通讯单元包括RJ45接口单元、加密单元及4G DTU单元。在实施时，可与通过4G通信单元或者通过RJ45接口外接4G传输DTU两种方式，实现4G全网通以及短信和数据传输功能，与外部服务器通讯采用ModBus TCP协议或DNP3协议。通过多路RS485有线通信接口，例如设置3路RS485通讯接口，在实施时，2路可预留给硬件接口，1路实现软件功能，波特率设置1200，4800，9600，19200几种，默认为9600bps，通讯协议采用modbusrtu协议。对于加密单元可与采用硬件加密或软件加密的方式，例如RJ45网络接口，可作为服务端给硬件加密提供数据接口，经硬件加密芯片加密后将数据发送给服务器，服务器将收到的数据经SDK接口解密得到明文数据，也可以采用软件加密算法例如AES128的加密标准保证石油数据传输的安全性和可靠性。

为了能够使本实施例1提供的石油数据采集监控设备具有显示工作状态的能力，便于石油采集现场的工作人员直观地读取监控设备的工作状态，所述设备壳体上设置有显示单元5；所述显示单元5包括运行灯和\/或通信状态灯和\/或无线通信灯和\/或遥控指示灯；所述运行灯、所述通信状态灯、所述无线通信灯及所述遥控指示灯均与所述控制器单元电性连接。在实施时，可以采用3mm直径的LED灯，分别设置运行指示灯、4G通信状态灯、无线通信灯或遥控指示灯，其占用空间小，当运行灯正常时，运行灯闪烁；4G状态灯常亮时，4G通讯连接正常，4G状态灯闪烁时，4G通讯正在连接过程中；当4G状态灯不亮时，4G连接不在线，呈断开状态；对于无线通信灯或者遥控指示灯，有数据通信交互时，呈闪烁状态，便于随时观测监控设备的工作状态、传输模式以及故障。

本实用新型提供的应用于石油数据采集的监控设备，对于无线采集器与无线自组网单元的通信方式，不作出具体限定。作为一种优选的实施方式，在所述无线采集器上设置有第一ZigBee RF通信单元和\/或第一Lora通信单元；所述无线自组网单元中设置有第二ZigBee RF通信单元和\/或第二Lora通信单元；所述第一ZigBee RF通信单元与所述第二ZigBee RF通信单元通信连接；所述第一Lora通信单元与所述第二Lora通信单元通信连接。在实施时，RF无线射频通信采用ZigBee单元与无线采集器通讯，接收无线采集器上报的数据，由于ZigBee的避免碰撞机制，且同时为通信业务的固定带宽预留了专用的时间空隙，使得在数据传输时不会发生竞争和冲突；可自组网的功能让其每个节点单元之间都能建立起联系，接收到的信息可通过每个节点单元间的线路进行传输，使得ZigBee传输信息的可靠性大大提高，几乎可以认为是不会掉线的。ZigBee的组网能力超群，建立的网络每个有60，000个节点。ZigBee提供了一套基于128位AES算法的安全类和软件，并集成了IEEE802.15.4的安全元素。组网迅速，低功耗低成本，具有安全性，而且其通讯格式符合《A11-GRM中石油油气生产物联网无线仪表通讯协议》的规定，通信时的波特率可以设置1200、4800、9600、19200几种，系统默认波特率为9600bps，以满足不同传输速率的数据传输要求。本实用新型实施例1中Zigbee RF无线单元可选取F8913D ZigBee单元，作为一种物联网无线数据终端，采用微型封装，最低功耗小于1uA，支持多级休眠和唤醒模式，采用高性能工业级ZigBee芯片，具有低功耗设计，上电即可进入数据传输状态，使用方便灵活，可以进行串口软件升级及远程维护，兼容性和功能强大。同样地，对于Lora单元，在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍，也支持AES128加密，因此采用ZigBee RF通信单元或Lora通信，均能使得可靠传输的同时，具有较低的能耗，使得设备具有较长的寿命。

本实用新型实施例1提供的应用于石油数据采集的监控设备中，电源7的供电方式为：将220V外部市电接入电源单元，电源单元设置于设备壳体中，采用电源单元将220VAC转化为5V和24VDC输出，分别为内部装置及RS485单元进行供电使用，同时提供24V电源提供给数字量输入单元。

对于本实用新型实施例1中提供的应用于石油数据采集的监控设备，控制器单元1的系统CPU可采用STM32F103VC，存储器包括外扩32MB的SPI FLASH作为数据存储器，支持文件系统读写操作，来存储电参数例如电压、电流、功率以及无线采集器上传的数据例如温度、压力等，存储器存储满上传至远程服务器读取，存储满后直接覆盖，方便对数据作下一轮存储。存储器还包括专门的参数存储器，大小为16KB的EEPROM，可通过施加高于普通电压的作用实现擦除和重新编程，不需从计算机中取出即可修改，实现频繁地反复编程，且掉电后数据不会丢失，便于对采集到的石油监控数据进行可靠存储和周期发送。可以对电参数采集的周期进行设置，例如10～60分钟为采样周期。系统能够对各个无线传感器的地址、参数上报的时间间隔进行设置，本实用新型提供的实施例1中，可通过无线通信单元以远程4G方式进行程序升级，采用http方式向后台服务器请求升级数据，更新新的版本。同时，当无线通信方式质量不稳定时，设备还可以通过有线通信单元-RS485串口升级程序，来实现监控算法的及时更新，利用本地上位机对本实用新型实施例1提供的石油数据采集监控设备进行程序升级，确保具有更佳的监控性能。石油数据采集监控设备还提供两路24V，0.5A的对外电源，可以给外接设备供电，设置定时唤醒，采集电参数，并向无线采集器发送数据采集命令，无线采集器接收命令并唤醒开始采集数据，采集完数据后向控制器发送，采集发送完数据后进入休眠状态。控制器将电参数和无线采集器上传的数据一并打包上传至远程服务器，上传完后自动进入低功耗模式，这样可以使得设备能够拥有较长的使用周期。远程监控主机上还设置有校时接口，通过ntp服务实现开发板的联网自动校对时间。采用外部RTC时钟RX8025T，独立电池供电，电池供电采用CR2302纽扣电池。采用外部硬件看门狗，防止程序跑飞。

本实用新型实施例1提供的应用于石油数据采集的监控设备，支持短信测试、告警与查询功能：通过主站或本地维护软件发送短信测试命令到终端，终端主动发送带有终端名称的测试短信到设定手机号码。当被监测对象有故障发生时，终端能自动发送告警短信到指定的手机号码。短信告警功能可以随时打开与关闭，可根据需要选择打开与关闭。终端还具有通过短信查询运行状态的功能，通过发送特定的查询短信，可实时终端监控范围内各种被监测数据，功能丰富。

对于本实用新型说明书中述及的通信连接可以通过有线或无线方式进行数据传输或信号传输，所述的电性连接可以采用集成电路、电线等多种方式，且省去了一定的关于驱动电路、放大电路等功能性电路的描述，对于本实用新型说明书中述及的实施方法，可以基于公开的思路实现电路设计或程序化控制，对于所属领域技术人员来说是能够理解的，并不影响本领域技术人员依据本实用新型公开的产品或系统架构及得到具体层面的技术方案，这是本领域技术人员清楚和理解的。

本领域技术人员应该理解，本领域技术人员结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不予赘述。这样的变化例并不影响本实用新型的实质内容，在此不予赘述。

以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

设计图

应用于石油数据采集的监控设备论文和设计

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设计说明书

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