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现场命令主机基于单片机的井场仪表参数无线传输系统设计

目前,全国油田钻井现场基本都是有线数据传输。有线传输有很多缺点,现场布线复杂而且存在安全隐患,钻井是流动作业,每钻一口井就要重新布一次线,这样既费时又费力,有时还会由于布线走向的问题导致线路被碰断。一般说来,数据线都是空中架设,风吹日晒使数据线老化的较快,这样就带来直接的经济损失。钻井现场有很多公司在作业,有些参数各公司是共用的,同一个参数每个公司都要读取一次,就需要在同一个测量点上安装两台甚至更多的变送器,这样既造成了浪费又使得现场变送器安装位置紧张。

  本系统采用无线通信技术,一点发射多点接收,可以实现信息共享,避免了布线的麻烦,而且流动作业时可以方便地安装和拆卸,很好地提高了工作效率。

  2系统硬件设计

  如图1所示,本系统主要分为控制室主机和现场从机,且所有元件均选用符合工业级要求的产品,大大提高了系统的可靠性、耐高温性和抗震性。

工作原理

  2.1控制室主机

  控制室主机分为控制主机和旁听主机,这是因为钻井现场有多个单位共同作业,都需要现场的数据。对于只需要现场数据的单位可安装旁听主机,只接收现场的各种数据;对于同时需要对现场电机进行控制的单位可安装控制主机。工作原理如图1所示。

  主机由计算机、单片机和无线通信模块FC211等部分组成。主要功能是:访问分布在现场各种仪表处的从机,采集他们的各项数据,并向从机发送控制命令控制电机的启/停。

  2.2现场从机

  现场从机由单片机部分、电源供电部分、数据采集部分、无线通信部分组成。本系统无线通信部分采用FC211无线通信模块。该模块数据接口为全双工串行接口,无线传输距离为800m(空旷地),完全满足现场使用条件,而且此模块性能稳定,使得整个系统在多机通信肘能够稳定运行,实现了对现场数据的准确管理。

  3系统软件设计

  如图2所示,该系统的工作原理是:现场从机分布在钻井现场的各个位置,将附近的仪表数据采集到单片机内的存储单元,等待控制室主机查询。控制室主机以点名的方式查询现场从机,将数据采集到主机内,并送到上位机进行处理。当控制室主机查询从机时,分布在现场的各个单位的旁听主机也会收到现场从机的数据,这样就实现了现场数据的实时更新。当控制室需要对现场电机控制时,就可以向控制电机的从机发控制命令,从机接到命令将电机歼启或停止,并将所检测的电机状态发回主机。

系统的工作原理

  通信协议设计如下:

  现场每个从机都有一个固定的8位地址(通过拨码开关设定),所以整个网络能容纳256个从机。现场从机一直处于侦听状态,等待主机点名。点名命令是一个4B的命令包,分为两种,查询命令和控制命令,格式如下:

通信协议设计

命令包头:一个命令包的开始,并说明是哪种命令。0xAA:查询命令;0xBB:控制命令。
从机地址:被点名的从机地址,地址范围是0~255。
命令数据:当为控制命令时,该字节的后四位表示4路开关量的状态。
命令包尾:数据包的结束标志,也是从机判断命令是否正确接收的标志。

  当从机收到点名命令时,首先判断命令包中的从机地址与自己的地址是否相符,如果不是则等待下一次点名,如果是再判断是哪种命令。如果是查询命令则首先将自己地址发送给主机作为点名确认信息,随后再将数据包发送出去,数据包为一个13B数据包,具体格式如下:

字节1:从机地址;
字节2:主机用来判断是否是更新数据的标志字节,此字节为1;
字节3:开关量输入输出,高4位为开关量输入,低4位为开关量输出;
字节4:脉冲计数;
字节5~宁节12:4路十位A/D转换数据;
字节13:数据包结束字节。

  如果是控制命令则首先返回自己的地址作为点名确认信息,主机收到后,将发送5次命令数据,从机收到后,将这5次收到的数据与开始收到的控制命令里的命令数据比较,如果一致则将命令输出到I/O口,控制继电器,0.5s后再采集一次数据,将开关量数据传回到主机来显示电机的工作状态,这样就完成控制室主机控制现场电机的过程。当控制室主机访问现场从机时,那些旁听主机也收到了现场传来的数据,从而不断更新数据。

  4结语

  日前此系统已经应用到钻井现场。经过实践,本系统运行稳定,实时性能良好.可以满足现场的要求。而且本系统采用的无线通信模块是基于FSK的调制方式,采用高效信道编码技术,具有抗突发干扰和随机干扰的能力。


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