CN204178536U - 石油钻井传感器无线通信控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种石油钻井传感器无线通信控制系统，它包括至少一个前端采集单元、主控中心和监视终端，所述的前端采集单元包括路由子节点和至少一个传感器，各传感器分别通过航空插头与路由子节点有线连接，各路由子节点分别通过无线网络与主控中心连接，主控中心通过无线网络与监视终端连接。本实用新型提供一种石油钻井传感器无线通信控制系统，路由子节点、主控中心和监控终端之间使用无线通信方式进行数据传输，减少了钻井现场使用电缆进行数据传输的电缆成本以及布线时间，解决了使用电缆进行数据传输在使用过程中电缆易出现破损、断线等不易检修故障的问题，在迁移过程中不必对传感器进行拆装，减少了工作人员的工作量。

Description

石油钻井传感器无线通信控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种控制系统，特别是一种石油钻井传感器无线通信控制系统。

背景技术

在以往的石油钻井过程中, 石油钻井控制设备与各传感器之间采用电缆进行数据传输，往往会存在系统安装布线过多，使用过程中电缆受损严重，检修故障点困难等诸多问题。因此，迫切需要一种新的方案来完成石油钻井过程中,石油钻井控制设备与各传感器之间高效的进行数据通信方案。随着无线通信技术的发展，在工控、通信、智能家电等各个领域越来越多的使用无线通信技术，无线通信的载体也有很多实现方式，比如，蓝牙、wifi、移动网络等。但是，由于石油钻井工作环境的特殊性，通常在荒无人烟的沙漠地区，而这些区域像诸如手机类的无线通信信号无法覆盖，因此，至今也没有一套很好的适合石油钻井现场使用的传感器与钻井控制设备之间的无线通信控制系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石油钻井传感器无线通信控制系统，路由子节点、主控中心和监控终端之间使用无线通信方式进行数据传输，减少钻井现场使用电缆进行数据传输的电缆成本以及布线时间，解决了使用电缆进行数据传输在使用过程中电缆易出现破损、断线等不易检修故障的问题，在迁移过程中不必对传感器进行拆装，减少工作人员的工作量，提高工作效率。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：石油钻井传感器无线通信控制系统，它包括至少一个前端采集单元、主控中心和监视终端，所述的前端采集单元包括路由子节点和至少一个传感器，各传感器分别通过航空接头与路由子节点连接，各路由子节点分别通过无线网络与主控中心连接，主控中心通过无线网络与监视终端连接；

所述的路由子节点包括机壳A和内部机芯电路A，所述的机壳A上设置有电源接口A、串行接口A、路由子节点工作状态指示灯、无线数据包发送状态指示灯A、无线数据处理收发单元工作状态指示灯A、系统信号强度指示灯A、航空接头和天线A，内部机芯电路A包括单片机数据处理控制单元A、无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A，所述的无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A分别与单片机数据处理控制单元A连接；

所述的主控中心包括机壳B和内部机芯电路B，所述的机壳B上设置有电源接口B、第一串行接口B、第二串行接口B、无线数据包接收状态指示灯B、无线数据包发送状态指示灯B、无线数据处理收发单元工作状态指示灯B、系统信号强度指示灯B和天线B，所述的内部机芯电路B 包括单片机数据处理控制单元B、无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B，所述的无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B分别与单片机数据处理控制单元B连接；

所述的监视终端包括机壳C和内部机芯电路C，所述的机壳C上设置有USB接口C、监视终端工作状态指示灯、无线数据包发送状态指示灯C、无线数据处理收发单元工作状态指示灯C、系统信号强度指示灯C和天线C，所述的内部机芯电路C包括单片机数据处理控制单元C、无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C，所述的无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C分别与单片机数据处理控制单元C连接。 

所述的前端采集单元包括一个路由子节点和三个传感器，三个传感器分别通过航空接头与路由子节点连接。 

本实用新型的有益效果是：（1）本实用新型提供了一种石油钻井传感器无线通信控制系统，该系统中路由子节点、主控中心和监控终端之间使用无线通信方式进行数据传输，减少了钻井现场使用电缆进行数据传输的电缆成本以及布线时间，解决了使用电缆进行数据传输在使用过程中电缆易出现破损、断线等不易检修故障的问题，同时去除了使用过程中由电缆引入的噪声干扰造成的数据不稳定因素。在井队频繁的迁移过程中，不需要考虑拆装电缆以及再次安装时电缆接线出现错误的问题，在迁移时分布在钻井现场的各种采用了无线数据通信的路由子节点不需要重新拆装，让路由子节点随着井架或者存储罐体拆装就行。这样大大的减少了井队工作人员不必要的工作量，同时也避免了人为造成的错误甚至设备的损坏，提高了井队在石油钻井过程中的工作效率，在一定程度上也节约了设备的投入成本；（2）本实用新型采用路由子节点分组管理传感器，减轻了主控中心的管理压力，同时缩短了异常时找出异常传感器的时间，减少了损失，且通信更稳定可靠；（3）路由子节点、主控中心和监视终端均设置有多个指示灯，能够指示各装置的工作状态和数据收发状态，路由子节点的串串行接口A、主控中心的第一串行接口B和监视终端的串行接口C能够连接RS232串口设备进行设备程序的在线升级，主控中心的第二串行接口设备B实现了主控中心与石油钻井控制设备PLC控制单元间的数据通信。 

附图说明

图1为石油钻井传感器无线通信控制系统图；

图2为路由子节点结构图；

图3为路由子节点背面图；

图4为路由子节点内部机芯电路图；

图5为主控中心结构图；

图6为主控中心内部机芯电路图；

图7为监视终端结构图；

图8为监视终端内部机芯电路图；

图中，1-机壳A；2-电源接口A；3-串行接口A；4-路由子节点工作状态指示灯；5-无线数据包发送状态指示灯A；6-无线数据处理收发单元工作状态指示灯A；7-系统信号强度指示灯A；8-天线A；9-机壳B；10-电源接口B；11-第一串行接口B；12- 第二串行接口B；13-无线数据处理收发单元工作状态指示灯B；14-系统信号强度指示灯B；15-无线数据包接收状态指示灯B；16-无线数据包发送状态指示灯B；17-天线B；18-机壳C；19-USB接口C；20-监视终端工作状态指示灯；21-无线数据包发送状态指示灯C；22-无线数据处理收发单元工作状态指示灯C；23-系统信号强度指示灯C；24-天线C；25-航空接头。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，石油钻井传感器无线通信控制系统，它包括至少一个前端采集单元、主控中心和监视终端，所述的前端采集单元包括路由子节点和至少一个传感器，各传感器分别通过航空接头与路由子节点连接，各路由子节点分别通过无线网络与主控中心连接，主控中心通过无线网络与监视终端连接；所述的前端采集单元包括一个路由子节点和三个传感器，三个传感器分别通过航空接头与路由子节点连接。

如图2和图3所示，所述的路由子节点包括机壳A1和内部机芯电路A，所述的机壳A1上设置有电源接口A2、串行接口A3、路由子节点工作状态指示灯4、无线数据包发送状态指示灯A5、无线数据处理收发单元工作状态指示灯A6、系统信号强度指示灯A7、航空接头25和天线A8，如图4所示，内部机芯电路A包括单片机数据处理控制单元A、无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A，所述的无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A分别与单片机数据处理控制单元A连接。路由子节点是本实用新型的“触角”单元，它可以包含1到65535个不同预设地址的路由子节点，它的通信地址不需要人为的设置，它能在系统上电和主控中心系统进行组网的时候自动分配。路由子节点负责将所有与之连接的现场传感器的数据进行采集、分析并打包上传给主控中心系统。

路由子节点的单片机数据处理控制单元A主要完成对模拟量数据采集单元A采集到的数据进行分析和处理，包括对不同端口传感器的数据进行分组列队，对数据的合法性进行判断，按照约定报文协议对数据进行打包等数据处理功能；另外，该单元将自身内部的一部分掉电不丢失数据存储单元开辟出来存储路由子节点的配置信息，该信息是主控中心对路由子节点的判断依据，其主要内容包括当前路由子节点接入的传感器的数量和传感器所属的队列序号等信息。

路由子节点的无线数据处理收发单元A主要完成数据的接收和发送功能，在系统上电时，该功能单元自动寻找主控中心创建的网络节点，并加入形成一个无线通信网络。在数据接收方面，接收主控中心发送过来的心跳数据包，在数据发送方面，主要是将打包后的数据包传输给主控中心，数据包自带收发状态信息，当发送不成功时，会自动重发，而且自动重发的次数可以人为的预设。

路由子节点的电源供电单元A将24V直流电源进行降压处理，产生5V和3.3V的直流电源，其中3.3V的电源直接供电路使用；同时还将5V的直流电通过高精度的稳压集成芯片处理后输出一路精度高、纹波小的3.3V直流电源，供模拟量数据采集单元A作为ADC采样的参考电压。

路由子节点的模拟量数据采集单元A完成对每个通道的传感器的4-20mA的电流信号进行AD采样变换，并将采样到的ADC值分组存在单片机数据处理控制单元A的数据缓存区内。其硬件组成包含一个150欧姆的高精度电阻、一个双通道16位转换精度的ADC芯片以及一个多通道12位转换精度的ADC芯片。150欧姆的高精度电阻为采样电阻将4-20mA的电流转换成600mV-3000mV的电压信号，然后通过ADC芯片对电压信号进行AD采样。ADC芯片的采样频率是10MHz，对采集到的ADC值采用DMA方式直接存储在单片机数据处理控制单元A的数据缓存区内。同时模拟量数据采集单元A还根据采集到的值判断传感器的当前工作状态。正常情况下，传感器的电流信号是4-20mA，当采集到的值为0时，可以判断该通道的传感器已经断线，当采集到的值，大于对应20mA的ADC值时，判断该通道的传感器短路。

路由子节点的检修调试数据采集单元A以RS232串口通信为载体，实时输出系统的故障信息以及接入的传感器的状态信息。在系统上电10秒内，通过该单元与RS232串口设备连接可以实现应用程序的在线升级。还可以通过它与电脑的串口连接对路由子节点中的配置信息进行管理，在进行后期维护更换设备时，只需要对其进行简单的配置就能完成器件的更换。

路由子节点的功能状态指示单元A主要由四个发光二极管及其外围电路组成，4个发光二级管分别是红色、绿色、黄色、蓝色。红色发光二极管为路由子节点工作状态指示灯A4，当系统正常运行时该灯常亮，系统故障时该灯熄灭；绿色发光二极管为无线数据包发送状态指示灯A5，每发送一帧数据包，就闪烁一次；黄色发光二极管为无线数据处理收发单元工作状态指示灯A6，在系统上电组网的时候，黄色发光二极管以0.5秒的频率闪烁，当该路由子节点加入主控中心网络后，该灯常亮；蓝色发光二极管为系统信号强度指示灯A7，主要是指示路由子节点的通信信号的强度，其亮度随着信号的强度变化，信号越强，亮度越亮。

如图5所示，所述的主控中心包括机壳B9和内部机芯电路B，所述的机壳B9上设置有电源接口B10、第一串行接口B11、第二串行接口B12、无线数据包接收状态指示灯B15、无线数据包发送状态指示灯B16、无线数据处理收发单元工作状态指示灯B13、系统信号强度指示灯B14和天线B17。如图6所示，内部机芯电路B 包括单片机数据处理控制单元B、无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B，所述的无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B分别与单片机数据处理控制单元B连接。

主控中心的单片机数据处理控制单元B主要将无线数据处理收发单元B实时接收到的数据包进行合法性判断，判断数据合法性的依据是主控中心与路由子节点之间的通信报文协议。该报文中约定了数据包的帧头、ID地址编号、数据结构内容、帧尾以及CRC校验码等重要信息。单片机数据处理控制单元B判断数据包中的帧头、帧尾以及CRC校验码是否正确，判断正确后，将数据包中的数据内容，按编号重新整合打包成一个与石油钻井控制设备PLC约定的报文协议的数据包。单片机数据处理控制单元B还要对主控中心的工作状态作监测，实时处理，当主控中心遇到可能导致系统紊乱的问题时，单片机数据处理控制单元B让主控中心在短时间内复位重启，确保主控中心不会出现死机等故障。

主控中心的无线数据处理收发单元B主要完成数据的接收和发送。在系统上电时，该功能单元自动创建一个预设的无线通信的中心控制网络节点，该节点允许各路由子节点的无线数据处理收发单元A的加入，使之自动组成一个无线的网络。在数据接收方面，接收各路由子节点传输过来的数据包，在数据发送方面，主要包含了两大部分的功能，第一，将主控中心需要发送给监视终端的数据包，按约定的数据帧的结构发送给指定的监视终端；第二，以广播的形式发送一帧心跳数据包，该数据包查询本实用新型所述各装置的工作状态，以确定路由子节点和监视终端能够正常处理心跳数据包。当各装置无法正常返回心跳数据包解析内容时，路由子节点和监视终端自动重启各自的无线数据处理收发单元，以确保无线数据处理收发单元能够实时的工作在正常工作条件下。

主控中心的电源供电单元B主要完成对主控中心各功能单元的供电需求。它提供两路独立的3.3V 的电源供电，一路给无线数据处理收发单元B，因为，无线数据处理收发单元B在进行数据收发的瞬间功率变化范围比较大，提供独立的电源方能避免该单元对其它功能单元造成影响，另一路给其它功能单元供电，使之能正常工作。

主控中心的PLC串口通信单元主要完成与石油钻井控制设备PLC控制单元进行数据通信。由单片机数据处理控制单元B将各个路由子节点的数据包按照约定协议打包发送给石油钻井控制设备PLC的通信单元；同时接收由石油钻井控制设备PLC通信单元发出的数据及控制指令。

主控中心的检修调试数据采集单元主要实时输出主控中心的工作状态信息。其工作原理是将单片机数据处理控制单元的数据拿来分析，并翻译成中文信息，以串口数据流的形式输出。在该功能单元的输出接口上，可以查看当前系统的故障信息、各路由子节点的数据包的信息等。这些信息在系统正常工作是时候同步输出，这就能实现在不影响系统正常工作的前提下，对设备故障进行检查。

主控中心的功能状态指示单元B主要由四个发光二极管及其外围电路组成。四个发光二级管分别是红色、绿色、黄色、蓝色。红色发光二极管为无线数据包接收状态指示灯B15，每接收一帧数据包，就闪烁一次；绿色发光二极管为无线数据包发送状态指示灯B16，每发送一帧数据包，就闪烁一次；黄色发光二极管为无线数据处理收发单元工作状态指示灯B13，在系统上电组网的时候，黄色发光二极管一直常亮，当有路由子节点加入网络后，该灯闪烁，网络断开后，又恢复常亮；蓝色发光二极管为系统信号强度指示灯B14，主要指示系统的通信信号的强度，其亮度随着信号的强度变化，信号越强，亮度越亮。

如图7所示，所述的监视终端包括机壳C18和内部机芯电路C，所述的机壳C18上设置有USB接口C19、监视终端工作状态指示灯20、无线数据包发送状态指示灯C21、无线数据处理收发单元工作状态指示灯C22、系统信号强度指示灯C23和天线C24。如图8所示，内部机芯电路C包括单片机数据处理控制单元C、无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C，所述的无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C分别与单片机数据处理控制单元C连接。 

监视终端的单片机数据处理控制单元C主要对无线数据处理接收单元C接收到的主控中心的数据包进行合法性验证和解析，将解析到的数据内容按照帧号从1到3的顺序重新打包。并在打包的最后一个字节加上和校验的最低字节信息，作为和上位机通信数据合法性判断依据。

监视终端的无线数据处理接收单元C对主控中心传来的数据进行接收，并将接收到的数据存放在单片机数据处理控制单元C的数据缓存区。

监视终端的上位机数据处理发送单元主要是将数据包通过RS232串口通信模式发送到上位机接收处理软件。

监视终端的检修调试数据采集单元C以RS232串口通信为载体，实时输出系统的故障信息以及接入的传感器的状态信息。在系统上电10秒内，通过该单元与RS232串口设备连接可以实现应用程序的在线升级。在进行后期维护更换设备时，只需要对其进行简单的配置就能完成器件的更换。

监视终端的功能状态指示单元C主要由四个发光二极管及其外围电路组成。四个发光二级管分别是红色、绿色、黄色、蓝色。红色发光二极管为监视终端工作状态指示灯20，当监视终端正常运行时该灯常亮，监视终端故障时该灯熄灭；绿色发光二极管为无线数据包发送状态指示灯C21，指示无线数据包的接收状态，接收到编号为1的数据帧时，该灯快速闪烁一次，接收到编号为2的数据帧时，该灯快速闪烁两次，接收到编号为3的数据帧时，该灯快速闪烁三次；黄色发光二极管为无线数据处理收发单元工作状态指示灯C22，指示无线数据处理收发单元的工作状态，在系统在上电组网的时候，黄色发光二极管以0.5秒的频率闪烁，当该路由子节点加入主控中心网络后，该灯常亮；蓝色发光二极管为系统信号强度指示灯C23，主要指示系统的通信信号的强度，其亮度随着信号的强度变化，信号越强，亮度越亮。

由于监视终端设置在井队队长办公室或中央监控操作室中，它的通信端口通过USB接口与上位机电脑的USB口进行连接。因此，在终端监视系统的供电方案中，采用了USB供电技术，即采用USB连接线，既将数据包传输到上位机监视器的应用程序中，同时，监视终端也通过USB连接线获取5V的直流电源给自身供电。通过USB接口获取的5V直流电经过LM1117集成电源芯片处理，产生3.3V的直流电给单片机数据处理控制单元和无线数据处理接收单元等功能单元使用。这样，在监视中终端就不需要增加额外的开关电源，可以大大的减小系统的硬件空间和成本投入。

本发明的主控中心可以向所有的路由子节点和监视终端发射数据，各路由子节点的安装位置对系统通信没有影响。例如，2号路由子节点的位置离主控中心较远，接收主控中心信号的强度不够，而1号路由子节点在主控中心与2号路由子节点之间，那么，2号路由子节点需要接收的信息可以由1号路由子节点经过数据转发后得到。即所有的路由子节点可以相互进行数据的转发保证系统信息传输的可靠性。

主控中心、路由子节点和监控终端上分别配置有各自的无线数据处理收发单元，该单元完成数据的实时无线传输。无线数据处理收发单元是一个基于2.4GHz的频率为载体的无线通信网络，数据以射频电波信号的模式在各功能系统之间传输。

Claims (2)

1.石油钻井传感器无线通信控制系统，其特征在于：它包括至少一个前端采集单元、主控中心和监视终端，所述的前端采集单元包括路由子节点和至少一个传感器，各传感器分别通过航空接头与路由子节点连接，各路由子节点分别通过无线网络与主控中心连接，主控中心通过无线网络与监视终端连接；

所述的路由子节点包括机壳A（1）和内部机芯电路A，所述的机壳A（1）上设置有电源接口A（2）、串行接口A（3）、路由子节点工作状态指示灯（4）、无线数据包发送状态指示灯A（5）、无线数据处理收发单元工作状态指示灯A（6）、系统信号强度指示灯A（7）、航空接头（25）和天线A（8），内部机芯电路A包括单片机数据处理控制单元A、无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A，所述的无线数据处理收发单元A、系统电源供电单元A、模拟量数据采集单元A、检修调试数据采集单元A以及功能状态指示单元A分别与单片机数据处理控制单元A连接；

所述的主控中心包括机壳B（9）和内部机芯电路B，所述的机壳B（9）上设置有电源接口B（10）、第一串行接口B（11）、第二串行接口B（12）、无线数据包接收状态指示灯B（15）、无线数据包发送状态指示灯B（16）、无线数据处理收发单元工作状态指示灯B（13）、系统信号强度指示灯B（14）和天线B（17），第二串行接口B（12）与石油钻井控制设备PLC控制单元连接，所述的内部机芯电路B 包括单片机数据处理控制单元B、无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B，所述的无线数据处理收发单元B、系统电源供电单元B、PLC串口通信单元、检修调试数据采集单元B以及功能状态指示单元B分别与单片机数据处理控制单元B连接；

所述的监视终端包括机壳C（18）和内部机芯电路C，所述的机壳C（18）上设置有USB接口C（19）、监视终端工作状态指示灯（20）、无线数据包发送状态指示灯C（21）、无线数据处理收发单元工作状态指示灯C（22）、系统信号强度指示灯C（23）和天线C（24），所述的内部机芯电路C包括单片机数据处理控制单元C、无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C，所述的无线数据处理接收单元C、系统电源供电单元C、上位机数据处理发送单元、检修调试数据采集单元C以及功能状态指示单元C分别与单片机数据处理控制单元C连接。

2.根据权利要求1所述的石油钻井传感器无线通信控制系统，其特征在于：所述的前端采集单元包括一个路由子节点和三个传感器，三个传感器分别通过航空接头与路由子节点连接。