利用GSM移動通訊網絡短信息服務快捷的性能和想對低廉的收費，研制開發(fā)了一種用于分布式井群生產的監(jiān)控系統(tǒng)，可直接應用于油井地比較分散的采油生產企業(yè)，滿足了油田生產監(jiān)控網絡所要求的高可靠性、高實時性和維護方便性。
1、 系統(tǒng)組成及其功能
該系統(tǒng)采用由單臺監(jiān)控服務器和多監(jiān)控終端并行運行方案，每口油井作為一個終端單元，實時采集下接的(儀表負荷傳感器、電流互感器、電壓互感器、功率因數變換器)信息，自主運行。監(jiān)控終端可以選用有線或無線兩種通信方式與監(jiān)控服務器交換數據，在油井現場用筆記本電腦RS232C直接電纜連接進行參數修改和數據傳載，此時筆記本電腦充當監(jiān)控服務器，使系統(tǒng)方便的運行；對于中心控制室，監(jiān)控終端可以通過GSMmodem和監(jiān)控服務器進行數據交換，但是通信費用比較高而不可取，當然也可以通過無線數傳電臺進行數據交換，通過實際應用的數據交換量的比較，有效的油井數據量一般不超過一條段信息的容量，經過試驗檢測我們知道作為最大的數據交換——示功圖也不過160個字符（測量周期100ms，沖程周期6——7s），因此選GSM短信息方式進行必要的數據交換完全滿足。監(jiān)控終端根據設定的需要把油井抽油機工作狀況以短信息的方式發(fā)送到監(jiān)控服務器，監(jiān)控服務器對數據進行分類保存、統(tǒng)計供管理人員查詢、分析。工作人員可以在監(jiān)控服務器根據需要以短信息的方式向終端發(fā)送控制命令，控制抽油機的運行和獲取抽油機的工作狀況。
整個系統(tǒng)由單井數控單元、中心控制室和GSM網絡組成。系統(tǒng)框圖如1所示。
其中單口油井監(jiān)控單元包括：RTU、信號處理模塊和G100A短信模塊。
1.1 RTU設計
RTU作為監(jiān)控單元功能實現終端，選用ZWORLD公司生產的RCM2300核心模塊，RCM2300模塊包括：工作在22.1MHz上的微處理器Rabbit200;128K SPAM和256K Flash；29個1／O線，17個可設置的l／Ｏ、8個固定輸入、4個固定輸出；3個通用串口；5個8位定時器和1個帶2個匹配寄存的10位定時器（5個定時器成對級聯(lián)）。根據需要我們擴展輸入輸出通道為：4路繼電器輸出，4路數字量輸出，8路塊數字輸入，4路12位分辨率4～20mA電流模擬量輸入，4路12位分辯率0～5V模擬量輸入，2路12位的分辨率0～4V模擬量輸出，1個RS485端口，2個3線的RS232或者一個5線的RS232端口。相應的在開發(fā)平臺Dynamic C上用單根接口電纜把PC串行口和基于Rabbit2000的目標系統(tǒng)連接起來就可實現軟件的開發(fā),系統(tǒng)集編輯、編譯、鏈接、調試、下載于一體，可快速的進行目標系統(tǒng)軟件的開發(fā)。
監(jiān)控終端的功能是根據檢測的抽油機工作狀態(tài)，判斷抽油機的工效，適時的對抽油機進行起停操作，保障油機的機械及其電氣設備的安全的同時，提高單口油井的產效。
1.2 信號處理模塊
對于不同的油井可能需要配備不同的一次儀表。還有企業(yè)原來遺留的一些不同信號的儀表，特別是油機必備的負荷傳感器，其輸出信號一般是0～10mV，但是隨著使用時間的遞增負荷零點會有變化，將直接影響到控制功能的實現，所以我們專門針對負荷傳感器設計了調理模塊， 除完成將0～10mV電壓信號轉換成4～20mA電流信號外，還要負責處理好隨溫度和時間變化的影響。
1.3 G100A短信模塊
北京捷麥公司的G100A短信模塊集成了使用西門子TC35的GSM信道單元、信令轉換單元、串口電平轉換單元。其信令格式及應用開發(fā)極其簡便。在應用中監(jiān)控終端和監(jiān)控服務器通過RS232接口連接TC35T來發(fā)送和接收GSM短和、消息，完成數據交換功能。
2 終端控制軟件設計
監(jiān)控終端RTU系統(tǒng)軟件不僅要實時采集抽油機數據，實時控制抽油機的運行，還 要對各種信息進行處理，抽油機本身負荷功圖、電流圖、功率因數圖等都是大數據量的處理，所以系統(tǒng)軟件的設計必須是一個多任務系統(tǒng)。ZWORLD公司軟件開發(fā)平臺Dynamic C是一個開放C語言開發(fā)環(huán)境，提供有豐富的庫函數，可以開發(fā)出多任務系統(tǒng)。
終端控制軟件功能設計采用模塊化設計，主要包括三個方面：數據采集與處理功能模塊、邏輯處理功能模塊、I/O驅動模塊、通信模塊。設計流程如下圖2
圖2 終端控制軟件流程圖
1） 據采集與處理功能模塊：需要采集的模擬數據有光桿負荷、電機電流、電機電壓，電機功率因數和其它的油井管道壓力等數據，數字量信息包括電機狀態(tài)（運行和停止）、系統(tǒng)運行方式（手動/自動），位置開關狀態(tài)等。對模擬數據進行量化處理為相應的可視化圖形并按一定的時間規(guī)律間隙存儲，對數字量信息需要進行抗干擾處理，防止假錯信息進入。
2）邏輯處理功能模塊：控制系統(tǒng)的目的是要控制的一系列動作，根據采集的信息識別當前抽油機的工作狀態(tài)，按照抽油機的工作原理和油井的變化規(guī)律，控制和預測抽油機的動作。抽油機的控制功能主要包括：空抽控制、時間定點控制、連噴帶抽控制，根據用戶的實際應用設定需要的控制功能的同時，記錄出現的所有運行故障。
3）I/O驅動模塊：這一部分主要是針對輸入、輸出耗損時間較多的緣故，把所有輸入輸出放在一個任務里面集中處理，有利于提高系統(tǒng)的實時性。控制實現聲音和燈光閃爍的報警功能。
4）通信模塊：通信功能我們實現了兩種方式，在工作現場通過RS232接口通信的Modbus協(xié)議和基于GSM短信息的無線傳遞方式。Modbus協(xié)議實現已經有很多文章介紹過，這里我主要說說GSM短信息的無線傳遞的實現。
a、 連接與數據格式
G100A型GSM數傳模塊采用的是三線制串口，即TX,RX,GND三條線，沒有其他任何握手和數據流控制線。其傳輸數據格式為：1個起始位、8個數據位、1個停止位。無校驗（即51系列單片機串型通訊的方式1）。串口速率為固定的9600Bps.
b、電話號碼的表示
GSM短信模塊是用GSM模塊的短信息功能來傳輸數據的，所以在使用它傳輸數據的時候就要用到電話號碼。為了規(guī)范和方便，下面介紹數據包中電話號碼的表示方法。數據包中用6個8位二進制字節(jié)表示電話號碼，每個字節(jié)中高4位和低4位均用BCD碼表示1位十進制的電話號碼，這樣每個字節(jié)可表示兩位電話號碼，6個字節(jié)共可表示12位電話號碼，因現行的電話號碼均為11位，而6字節(jié)能表示12位十進制的BCD數，所以在傳輸數據表示電話號碼時要將電話號碼的前面補0以湊足12位。假設電話號碼是13501237654，轉換成6字節(jié)BCD碼后變?yōu)?1H,35H,01H,23H,76H,54H。
將電話號碼轉換成數據包中BCD碼的格式的步驟就是：1. 在電話號碼的左邊補一個“0” 2. 從左向右每兩位分成一組 3. 分別將各組轉換成BCD碼。如果要將數據包中的數據還原成電話號碼，步驟正好相反。
c、術語
信息：信息是指GSM模塊與上位機通信的內容。
數據：上位機通過串口，發(fā)送給模塊GSM模塊，通過GSM模塊的無線發(fā)送及GSM網絡傳輸傳送給另一GSM模塊的信息叫數據。由上位機通過串口發(fā)送給GSM模塊的數據叫發(fā)送數據。由GSM模塊收到短信后傳送給上位機的數據叫接收數據。數據的起始點是上位機，目的點是另一上位機。
命令：上位機通過串口，發(fā)送給GSM模塊讓模塊執(zhí)行一定的動做或GSM模塊傳送給上位機報送模塊內的一些參數或狀態(tài)的信息叫命令。若命令的起始點是上位機，目的點則是GSM模塊。
d、數據包格式
無論是數據還是命令都用下面的格式來表示
D7H│控制字節(jié)│信息
不管是命令還是數據，都有一個包頭D7H，接著就是一個控制字節(jié)。本模塊規(guī)定：當控制字節(jié)大于147時，數據包為命令，否則就為數據。比如命令D7H, FFH, 參數, D7H為包頭，FFH為控制字節(jié)，因FFH>147,故參數為命令字節(jié)。模塊就是靠數據包的第二個字節(jié)來識別您發(fā)給它的信息是命令信息還是數據信息的。
e、發(fā)送接收數據的格式
1． 發(fā)送用戶數據
語法：D7│控制字節(jié)=UDL│STA│UD
UDL：要發(fā)送的除包頭D7H以外總的數據長度。包括STA,UD和它本身的字節(jié)長度，因STA 和 UDL的字節(jié)長度一般是固定的，即固定為1+6=7個字節(jié)，所以其長度可由如下公式計算UDL數值=1+6+UD長度
STA：接受方的電話號碼，即目的地址。號碼需要進行格式轉換。
UD： 您需要發(fā)送的有效數據。其總長度小等于140個字節(jié)。因為短信息的數據長度不能超過140個字節(jié)。
例1：
假設您要發(fā)送00H,11H,22H,33H,44H,55H,共6個字節(jié)數據，接收方的電話號碼（目的地址）是13655436789，UDL=0DH(13個字節(jié)), STA=01H，36H，55H，43H，67H，89H，UD=00H,11H,22H,33H,44H,55H, 發(fā)送格式如下
D7H│0DH│01H│36H│55H│43H│67H│89H│00H│11H│22H│33H│44H│55H
2．收用戶數據
語法： D7H │ UDL │ SOA │ UD
SOA：發(fā)送方的電話號碼，即源地址。
例2：
假設您收到上面發(fā)送來的00H,11H,22H,33H,44H,55H,共6個字節(jié)數據，發(fā)送方的電話號碼（源地址）是139208557
