樊 恒，劉 萌，陳 佳，郭穎娜

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

0 引言

固井分為下套管和注水泥兩個階段，在套管下入井中之后，把水泥漿泵入套管內(nèi)，再用鉆井液把水泥漿頂替到管外環(huán)空內(nèi)設(shè)計的位置。水泥漿是水、干灰和外加劑混合的漿體。在固井施工過程中，水泥漿密度值過高或過低都會直接影響固井的質(zhì)量和施工安全。因此，水泥漿密度的監(jiān)測就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的水泥漿監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線連接，施工難度大、易發(fā)生意外、維護耗時耗力，嚴(yán)重影響固井施工的進度和質(zhì)量。

隨著信息技術(shù)、智能控制和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線監(jiān)測已成為未來監(jiān)測的重要技術(shù)。基于ARM 的嵌入式開發(fā)已廣泛應(yīng)用于智能家居、環(huán)境監(jiān)測、艦船、農(nóng)業(yè)等各個領(lǐng)域中。但是在實際固井施工中微控制器多采用單片機，不能快速處理大排量固井水泥漿密度的數(shù)據(jù)。本文提出一種基于嵌入式ARM 平臺的固井水泥漿密度監(jiān)測系統(tǒng)，包含數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)的無線傳輸、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)顯示等功能，用戶可在瀏覽器實時查看密度值和歷史數(shù)據(jù)，也可通過人機交互界面查看數(shù)據(jù)值和其他信息。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ARM 的固井水泥漿密度監(jiān)測系統(tǒng)主要包括上位機和下位機兩部分。上位機為監(jiān)測中心，負責(zé)監(jiān)測水泥漿密度變化、設(shè)備狀態(tài)和串口的配置信息。下位機由ARM 和一些外圍電路組成，負責(zé)對采集的數(shù)據(jù)進行處理。通過RS 485 接口連接采集傳感器進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸采用ModBus 總線，微控制器ARM 對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，再利用WiFi 網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，數(shù)據(jù)的存儲、顯示及查看、歷史數(shù)據(jù)和錯誤信息進行日志輸出和打印在上位機實現(xiàn)。監(jiān)測系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計框架

1.1 微控制器的選擇

固井施工過程中密度變化速度快，處理器要進行數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送等任務(wù)，一般的單片機無法滿足這樣的需求。系統(tǒng)的微處理器選擇三星發(fā)布的Exynos4412 四核處理器，采用ARM Cortex?a9 架構(gòu)，主頻可達1.4～1.6 GHz。該芯片體積小、功耗低、處理數(shù)據(jù)能力快，保證了整個監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和功能性。

1.2 傳感器的選擇

目前，油田開采多采用放射性密度計來測量水泥漿的密度，測量精度不高，采集的信號為模擬信號，需要轉(zhuǎn)換成數(shù)信號，且在水泥車大幅震動的情況下易滑脫。因此，本次設(shè)計采用美國霍尼威爾公司推出的PPTR 系列智能精密壓力傳感器，這些傳感器集多種電路于一身，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，測量精度高達±0.05，有數(shù)字和模擬兩種測量方式，傳輸距離長達幾千米，體型小、方便安裝，具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。PPTR 壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 PPTR 壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3 WiFi模塊的選擇

考慮到固井施工現(xiàn)場布線繁瑣的問題，通過WiFi模塊實現(xiàn)主控制器和后臺PC 機的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)水泥漿密度的實時監(jiān)測。WiFi 模塊選用ESP8266 模塊，支持無線IEEE 802.11b/g，內(nèi)置TCP/IP 協(xié)議，支持STA/AP/STA+AP 三種工作模式，工作電壓為3.3 V。

微控制器通過串口與ESP8266 連接，設(shè)置工作模式為STA，通過路由器連接互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)PC 機與控制器的無線信號傳輸。

2 軟件設(shè)計

固井水泥漿密度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計是基于Linux操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)相對于Windows 操作系統(tǒng)具有免費開源、模塊化程度高、安全穩(wěn)定、良好的可移植性等優(yōu)點。本文采用C 語言編程。

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件主要實現(xiàn)PC 機與微控制器之間的通信。主程序開始后，提前創(chuàng)建多個線程保存到線程池，當(dāng)有消息來臨時，從池中取出閑置的線程去執(zhí)行任務(wù)，結(jié)束任務(wù)后返回池中繼續(xù)等待被再次喚醒。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，包括主控模塊、串口模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、人機交互模塊和日志模塊。軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)框架

主控模塊：對所有模塊初始化，管理所有模塊通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

串口模塊：從傳感器設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)（支持輪詢上報模式和主從模式），可以向設(shè)備發(fā)送控制命令。

數(shù)據(jù)存儲模塊：通過數(shù)據(jù)庫存儲采集的數(shù)據(jù)，對歷史的數(shù)據(jù)進行查詢。

網(wǎng)絡(luò)模塊：包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置和Web 服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)信息和串口信息通過網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置模塊進行配置。

Web 服務(wù)器工作方式為TCP Server，可接入多個客戶端，可對RS 485 設(shè)備采集信息（主從模式、輪詢上報模式），可控制設(shè)備。

人機交互模塊：顯示串口的工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)、設(shè)備工作狀態(tài)和實時密度。

日志模塊：完成所有模塊及工作狀態(tài)的打印，實現(xiàn)日志文件的保存。

2.1 串口模塊

串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)異步串行半雙工RS 485 通信接口，通信協(xié)議采用ModBus。設(shè)置通信的幀格式為：一位起始位，八位數(shù)據(jù)位、無奇偶校驗位，一位停止位，波特率為115200 b/s。協(xié)議由主機或從機地址、功能碼、數(shù)據(jù)、差錯校驗四部分組成。地址用來識別設(shè)備，每臺可通信設(shè)備都有唯一的地址。功能碼即本條數(shù)據(jù)包所執(zhí)行的操作類型。數(shù)據(jù)則是所要發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容，它由一系列的字節(jié)組成。差錯校驗用于檢測數(shù)據(jù)是否正確，采用CRC16 循環(huán)冗余碼檢驗，占2 個字節(jié)。由上位機發(fā)送命令，當(dāng)下位機監(jiān)測到首個地址碼時，判斷是否為設(shè)備地址，若是則啟動接受中斷，同時將數(shù)據(jù)放到緩存區(qū)中；若不是，設(shè)備繼續(xù)等待。串口接收數(shù)據(jù)流程如圖4 所示。

圖4 串口接收數(shù)據(jù)流程

2.2 網(wǎng)絡(luò)模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊包含網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置和Web 服務(wù)器的搭建。

網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置是基于HTML 語言編寫網(wǎng)頁。用戶可登錄瀏覽器進行本機參數(shù)配置和RS 485 串口參數(shù)配置，如圖5 和圖6 所示。

圖5 本機配置信息界面

圖6 串口配置信息界面圖

Web 服務(wù)器是基于B/S 模型、通過HTTP 協(xié)議、使用多線程（epoll）實現(xiàn)并發(fā)訪問，用戶可通過訪問瀏覽器查看泥漿密度數(shù)據(jù)。Web 服務(wù)器子程序首先創(chuàng)建socket套接字，三次握手建立連接，通過HTTP 協(xié)議發(fā)送請求報文和響應(yīng)報文進行數(shù)據(jù)的傳輸，最后釋放連接。Web服務(wù)器流程如圖7 所示。

圖7 Web 服務(wù)器流程

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

考慮到固井施工周期長、采集水泥漿密度數(shù)據(jù)量大等特點，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫存儲和查詢數(shù)據(jù)。MySQL數(shù)據(jù)庫為大中型數(shù)據(jù)庫，免費開放、服務(wù)穩(wěn)定、體積小、安裝方便、易于維護。

根據(jù)對固井水泥漿密度監(jiān)測系統(tǒng)的功能需求分析，數(shù)據(jù)庫主要有密度信息表和本機配置信息表，具體如下：

1）密度信息表，主要包括序號、時間、密度值。

2）本機配置信息表，主要包括序號、時間、本機IP、本機地址類型、物理地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān)地址。

用戶可輸入關(guān)鍵字對兩個表進行查詢。

2.4 人機交互模塊

基于Visual Basic 6.0 搭建可視化界面，主要對下位機采集數(shù)據(jù)進行顯示，包括密度值、網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)、串口配置參數(shù)和設(shè)備工作狀態(tài)。人機交互界面如圖8所示。

圖8 人機交互界面

3 實驗測試

在實驗室模擬固井水泥漿密度監(jiān)測環(huán)境。打開本機網(wǎng)絡(luò)下計算機的瀏覽器，配置規(guī)定的網(wǎng)關(guān)本機信息和串口信息，串口波特率設(shè)置為115200 b/s，采用輪詢模式，數(shù)據(jù)幀格式設(shè)置為：1 位起始位，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗位，2 s 采集一次數(shù)據(jù)，60 s 存儲及顯示一次數(shù)據(jù)?？偣策M行3 次實驗，0～60 s 進行第一次監(jiān)測，設(shè)定密度為1.85 g/cm，30 s 之后，水泥漿密度值在1.85 g/cm上下范圍5%內(nèi)波動；60～120 s 進行第二次監(jiān)測，將水泥漿的密度上調(diào)到2.45 g/cm，在80 s 之后，水泥漿密度值在2.45 g/cm上下范圍5%內(nèi)波動；120～180 s進行第三次監(jiān)測，將水泥漿密度下調(diào)到1.45 g/cm，在160 s 之后，水泥漿密度值在1.45 g/cm上下范圍5%內(nèi)波動，驗證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果如表1 所示。實驗的測試結(jié)果曲線如圖9 所示。

表1 固井水泥漿密度測試結(jié)果 g/cm3

圖9 固井水泥漿密度監(jiān)測測試結(jié)果

4 結(jié) 語

1）本文采用嵌入式ARM 微控制器、Linux 系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過軟硬件結(jié)合的方法設(shè)計了基于ARM 的水泥漿密度監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了泥漿密度的實時監(jiān)測，為后續(xù)調(diào)節(jié)泥漿密度值提供了便利。

2）通過實驗測試，驗證了本次設(shè)計的可行性。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)精度高、功耗低、可靠性高等特點，對工業(yè)領(lǐng)域的監(jiān)測具有一定的實用價值。

3）由于固井過程中環(huán)境比較復(fù)雜，水泥車振動幅度大、現(xiàn)場信號復(fù)雜，容易造成網(wǎng)絡(luò)信號不穩(wěn)定，偶爾會出現(xiàn)掉線的情況，還需要對網(wǎng)絡(luò)功能模塊進行進一步的改進。