專利名稱：槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)，應用Zigbee無線通訊技術和超聲波探測技術，在油田壓裂施工過程中，實時自動監(jiān)測車載槽罐內壓裂助劑的液位變化情況，監(jiān)測加液過程，統(tǒng)計壓裂助劑運輸工作量，獲得的數(shù)據(jù)成為生產(chǎn)決策參考依據(jù)，屬于石油開采技術領域。
背景技術：
在油田壓裂作業(yè)過程中，由若干輛槽罐車將壓裂助劑自配液站運抵井口壓裂作業(yè)位，由打壓設備將壓裂助劑注入到地下油田巖石間。為了掌握壓裂助劑注入量，為生產(chǎn)管理和壓裂施工決策提供參考數(shù)據(jù)，由看罐工人站在罐頂查看槽罐內壓裂助劑液位變化情況。 這種人工監(jiān)測方式問題很多，如數(shù)據(jù)不準確，監(jiān)測數(shù)據(jù)受人為因素干擾，伴有壓裂助劑的浪費；另外，看罐工人勞動強度大，在盛夏季節(jié)還常常發(fā)生看罐工人因中暑從罐頂?shù)涫鹿?。Zigbee無線通訊網(wǎng)絡由若干個節(jié)點構成，一個是主控設備(Master)及若干個從屬設備(Slave)各自位于一個節(jié)點上。主控設備、從屬設備均配備Zigbee無線通訊模塊， 由它們組建無線通訊網(wǎng)絡，實現(xiàn)主控設備與從屬設備之間以及各從屬設備之間的短距離通訊。Zigbee無線通訊網(wǎng)絡在工作模式下，設備以傳輸速率傳輸數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)傳輸量很小，信號的收發(fā)時間短，設備工作時間因此也非常短，因而設備的功耗低；在非工作模式下， ZigBee節(jié)點處于休眠狀態(tài)，然而，休眠設備的休眠激活時延僅為15ms，活動設備的信道接入時延僅為15ms，設備搜索時延一般為30ms。由于收發(fā)信息功耗較低、工作時間較短且非工作則休眠，使得Zigbee無線通訊網(wǎng)絡非常省電。Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的媒體接入控制層(MAC層)采用talk-when-ready的碰撞避免機制，在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下， 當有數(shù)據(jù)傳送需求時，則發(fā)送方傳送、發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都立刻等待接收方的確認信息，接收方回復確認信息，若發(fā)送方?jīng)]有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將傳送、發(fā)送一次，因此，Zigbee無線通訊網(wǎng)絡其信息傳輸可靠性高。另外，Zigbee無線通訊網(wǎng)絡還具有網(wǎng)絡容量大、安全性高、與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成、運行成本低以及對硬件要求低等特點ο

發(fā)明內容
為了實現(xiàn)在油田壓裂施工過程中，實時自動監(jiān)測車載槽罐內壓裂助劑液位變化情況，獲取壓裂助劑注入量的準確數(shù)據(jù)，現(xiàn)場指揮和協(xié)調多臺槽罐車作業(yè)，嚴格生產(chǎn)管理，減少浪費，降低勞動強度，我們發(fā)明了本發(fā)明之車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明是一個Zigbee無線通訊網(wǎng)絡，其特征在于，一個監(jiān)控主機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡主節(jié)點上，主節(jié)點設在指揮車上；若干個監(jiān)控分機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡若干個從節(jié)點上，每個從節(jié)點位于一臺槽罐車上；超聲波液位探測器為監(jiān)控分機的組成部分，安裝在車載槽罐后部頂 端。
本發(fā)明其技術效果在于，參與壓裂作業(yè)的若干臺槽罐車編號為n，第η臺槽罐車進入壓裂作業(yè)位后，安裝在車載槽罐后部頂端的超聲波液位探測器實時探測槽罐內壓裂助劑液面高度h，并將包括初始液面高度值Ii1及作業(yè)后終了液面高度值Iitl在內的壓裂助劑液面高度h變化值由監(jiān)控分機中的無線通訊模塊通過Zigbee無線通訊網(wǎng)絡傳輸給監(jiān)控主機， 收到終了液面高度值h后，監(jiān)控主機通過其中的無線通信模塊通知下一臺槽罐車進入作業(yè)位，安裝在該槽罐車車載槽罐后部頂端的超聲波液位探測器同樣實時探測槽罐內壓裂助劑液面高度h，如此逐臺進行壓裂作業(yè)。在上述過程中，由安裝在車載槽罐后部頂端的超聲波液位探測器取代人工完成槽罐內壓裂助劑液位的實時監(jiān)測，相比之下，本發(fā)明實現(xiàn)了車載槽罐內壓裂助劑液位變化情況的實時自動監(jiān)測，獲取壓裂助劑注入量的準確數(shù)據(jù)，在降低操作人員勞動強度的同時，減少浪費，使得壓裂作業(yè)管理更為嚴格。壓裂作業(yè)的特點與 Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的各項特點相適應，如指揮車以及各臺槽罐車都分布在Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的通訊距離內；壓裂作業(yè)數(shù)據(jù)主要就是車載槽罐內壓裂助劑液面高度變化值，因此，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，這與Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的小數(shù)據(jù)傳輸量通訊特點一致；由于 Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的各個節(jié)點設備均位于車輛上，Zigbee無線通訊網(wǎng)絡低能耗的特點得到凸顯；另外，Zigbee無線通訊網(wǎng)絡的可靠性以及網(wǎng)絡容量大、安全性高、與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成、運行成本低以及對硬件要求低等特點均在本發(fā)明之方案中得以發(fā)揮。


圖1是監(jiān)控主機結構框圖，該圖兼作為摘要附圖。 圖2是監(jiān)控分機結構框圖。
圖3是監(jiān)控主機工作程序框圖。 圖4是監(jiān)控分機工作程序框圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一個Zigbee無線通訊網(wǎng)絡。一個監(jiān)控主機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡主節(jié)點上，主節(jié)點設在指揮車上。監(jiān)控主機由工控機及Zigbee無線通訊模塊組成，見圖1所示，工控機采用微型計算機，微型計算機與Zigbee無線通訊模塊通過串口如RS232連接， 實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)相互傳輸；在微型計算機與Zigbee無線通訊模塊中間加入電平轉換電路，以解決電平匹配的問題。若干個監(jiān)控分機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡若干個從節(jié)點上，每個從節(jié)點位于一臺槽罐車上。超聲波液位探測器為監(jiān)控分機的組成部分，安裝在車載槽罐后部頂端，量程0 5m，自帶6位LED量程顯示。監(jiān)控分機其組成部分包括主控芯片、Zigbee無線通訊模塊以及超聲波液位探測器，見圖2所示；主控芯片采用微控制器，如 C8051F340，微控制器與Zigbee無線通訊模塊通過串口連接，實現(xiàn)二者之間的數(shù)據(jù)相互傳輸；微控制器采用UART模式控制Zigbee無線通訊模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，速率為115200BPS ；微控制器與超聲波液位探測器電連接，超聲波液位探測器將液位電信號傳輸給微控制器。另夕卜，監(jiān)控分機還有報警燈，當超聲波液位探測器探測到的液位值與預設終了液面高度值相等時，微處理器控制報警燈閃爍報警，操作人員停止該槽罐車的壓裂作業(yè)。監(jiān)控主機作為本發(fā)明之車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)的中樞，通過Zigbee無線通訊模塊組建Zigbee無線通訊網(wǎng)絡，各個監(jiān)控分機自動加入該網(wǎng)絡。監(jiān)控主機的工作程序如下，見圖3所示，監(jiān)控主機的系統(tǒng)軟件把加入該網(wǎng)絡的各個監(jiān)控分機的機號η顯示在微型計算機顯示屏幕上；記錄作業(yè)現(xiàn)場各個車載槽罐內壓裂助劑初始液面高度值Ii1 ；監(jiān)聽數(shù)據(jù)傳輸；當收到第η臺槽罐車進入壓裂作業(yè)位的作業(yè)信號后，通過Zigbee 無線通訊網(wǎng)絡實時監(jiān)測位于該槽罐車上的監(jiān)控分機傳輸過來的槽罐內壓裂助劑液面高度h 信息，包括作業(yè)階段和作業(yè)完畢時的液面高度h信息，并實時與設定的終了液面高度值Iitl 比較，當h < Iltl時，指令監(jiān)控分機控制該槽罐車停止作業(yè)、控制報警燈閃爍報警；監(jiān)控主機記錄該槽罐車作業(yè)量；通知第n+1臺槽罐車進入壓裂作業(yè)位，重復上述過程，直到完成該井壓裂作業(yè)。 各監(jiān)控分機上電后先進行壓裂作業(yè)復位，自動尋找網(wǎng)絡組網(wǎng)，如果存在網(wǎng)絡，則自動登錄，組網(wǎng)成功，網(wǎng)絡燈閃爍。如果在規(guī)定的時間內沒有發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡，則根據(jù)實際情況，確定是否繼續(xù)尋找網(wǎng)絡還是無網(wǎng)運行。當監(jiān)控分機組網(wǎng)成功后，就可以向監(jiān)控主機發(fā)送開始作業(yè)信號，并測量槽罐內壓裂助劑液面高度h，同時向監(jiān)控主機上傳數(shù)據(jù)；當h < b時，接收來自監(jiān)控主機的命令，控制該槽罐車停止作業(yè)、控制報警燈閃爍報警。本發(fā)明之車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)無線通訊距離最大1000 米，工作溫度-40 50°C，通信頻率2. 4GHz，備電DC12V，工控機支持最少20臺槽罐同時作業(yè)，誤報率低于1%。由于車載槽罐內的液位變化比較緩慢，每秒采樣一次即可滿足監(jiān)控的要求，因此，每個監(jiān)控分機每秒產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量不會超過100字節(jié)，其中還包括槽罐車的編號，那么， 假如作業(yè)現(xiàn)場有20臺槽罐車的情況下，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也只是2000字節(jié)，轉化為串行數(shù)據(jù)20000位，包括8位數(shù)據(jù)、1位停止位、1位起始位，考慮數(shù)據(jù)的雙向傳輸，簡化為一個半雙工的串行通訊過程，下行的命令和數(shù)據(jù)量要遠遠小于上行的數(shù)據(jù)量，按上行的一半即 10000BPS計算，兩者相加，所需帶寬為30000BPS，而Zigbee無線通訊模塊工作在2. 4GHz頻率，其有效的傳輸速率是250KBPS，完全滿足本發(fā)明之無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br> 權利要求
1.一種車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)，是一個Zigbee無線通訊網(wǎng)絡， 其特征在于，一個監(jiān)控主機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡主節(jié)點上，主節(jié)點設在指揮車上；若干個監(jiān)控分機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡若干個從節(jié)點上，每個從節(jié)點位于一臺槽罐車上； 超聲波液位探測器為監(jiān)控分機的組成部分，安裝在車載槽罐后部頂端。
2.根據(jù)權利要求1所述的超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)控主機由工控機及 Zigbee無線通訊模塊組成，工控機采用微型計算機，微型計算機與Zigbee無線通訊模塊通過串口連接；在微型計算機與Zigbee無線通訊模塊中間加入電平轉換電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，監(jiān)控分機其組成部分包括主控芯片、Zigbee無線通訊模塊以及超聲波液位探測器；主控芯片采用微控制器，微控制器與Zigbee無線通訊模塊通過串口連接；微控制器與超聲波液位探測器電連接，超聲波液位探測器將液位電信號傳輸給微控制器。
全文摘要
車載槽罐內油田壓裂助劑超聲波液位監(jiān)測系統(tǒng)屬于石油開采技術領域。現(xiàn)有技術由看罐工人站在罐頂查看槽罐內壓裂助劑液位變化情況。這種人工監(jiān)測方式數(shù)據(jù)不準確，監(jiān)測數(shù)據(jù)受人為因素干擾，伴有壓裂助劑的浪費；另外，看罐工人勞動強度大，在盛夏季節(jié)還常常發(fā)生看罐工人因中暑從罐頂?shù)涫鹿?。本發(fā)明是一個Zigbee無線通訊網(wǎng)絡，一個監(jiān)控主機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡主節(jié)點上，主節(jié)點設在指揮車上；若干個監(jiān)控分機位于Zigbee無線通訊網(wǎng)絡若干個從節(jié)點上，每個從節(jié)點位于一臺槽罐車上；超聲波液位探測器為監(jiān)控分機的組成部分，安裝在車載槽罐后部頂端。本發(fā)明用于油井壓裂作業(yè)，實現(xiàn)自動、智能作業(yè)。
文檔編號G08C17/02GK102155970SQ20111006561
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月18日 優(yōu)先權日2011年3月18日
發(fā)明者冷慶國, 張祥 申請人:松原市環(huán)鼎科貿(mào)有限公司