专利名称：槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统，应用Zigbee无线通讯技术和超声波探测技术，在油田压裂施工过程中，实时自动监测车载槽罐内压裂助剂的液位变化情况，监测加液过程，统计压裂助剂运输工作量，获得的数据成为生产决策参考依据，属于石油开采技术领域。
背景技术：
在油田压裂作业过程中，由若干辆槽罐车将压裂助剂自配液站运抵井口压裂作业位，由打压设备将压裂助剂注入到地下油田岩石间。为了掌握压裂助剂注入量，为生产管理和压裂施工决策提供参考数据，由看罐工人站在罐顶查看槽罐内压裂助剂液位变化情况。 这种人工监测方式问题很多，如数据不准确，监测数据受人为因素干扰，伴有压裂助剂的浪费；另外，看罐工人劳动强度大，在盛夏季节还常常发生看罐工人因中暑从罐顶跌落事故。Zigbee无线通讯网络由若干个节点构成，一个是主控设备(Master)及若干个从属设备(Slave)各自位于一个节点上。主控设备、从属设备均配备Zigbee无线通讯模块， 由它们组建无线通讯网络，实现主控设备与从属设备之间以及各从属设备之间的短距离通讯。Zigbee无线通讯网络在工作模式下，设备以传输速率传输数据，由于数据传输量很小，信号的收发时间短，设备工作时间因此也非常短，因而设备的功耗低；在非工作模式下， ZigBee节点处于休眠状态，然而，休眠设备的休眠激活时延仅为15ms，活动设备的信道接入时延仅为15ms，设备搜索时延一般为30ms。由于收发信息功耗较低、工作时间较短且非工作则休眠，使得Zigbee无线通讯网络非常省电。Zigbee无线通讯网络的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制，在这种完全确认的数据传输机制下， 当有数据传送需求时，则发送方传送、发送的每个数据包都立刻等待接收方的确认信息，接收方回复确认信息，若发送方没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将传送、发送一次，因此，Zigbee无线通讯网络其信息传输可靠性高。另外，Zigbee无线通讯网络还具有网络容量大、安全性高、与现有的控制网络标准无缝集成、运行成本低以及对硬件要求低等特点ο
发明内容
为了实现在油田压裂施工过程中，实时自动监测车载槽罐内压裂助剂液位变化情况，获取压裂助剂注入量的准确数据，现场指挥和协调多台槽罐车作业，严格生产管理，减少浪费，降低劳动强度，我们发明了本发明之车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统。本发明是一个Zigbee无线通讯网络，其特征在于，一个监控主机位于Zigbee无线通讯网络主节点上，主节点设在指挥车上；若干个监控分机位于Zigbee无线通讯网络若干个从节点上，每个从节点位于一台槽罐车上；超声波液位探测器为监控分机的组成部分，安装在车载槽罐后部顶 端。
本发明其技术效果在于，参与压裂作业的若干台槽罐车编号为n，第η台槽罐车进入压裂作业位后，安装在车载槽罐后部顶端的超声波液位探测器实时探测槽罐内压裂助剂液面高度h，并将包括初始液面高度值Ii1及作业后终了液面高度值Iitl在内的压裂助剂液面高度h变化值由监控分机中的无线通讯模块通过Zigbee无线通讯网络传输给监控主机， 收到终了液面高度值h后，监控主机通过其中的无线通信模块通知下一台槽罐车进入作业位，安装在该槽罐车车载槽罐后部顶端的超声波液位探测器同样实时探测槽罐内压裂助剂液面高度h，如此逐台进行压裂作业。在上述过程中，由安装在车载槽罐后部顶端的超声波液位探测器取代人工完成槽罐内压裂助剂液位的实时监测，相比之下，本发明实现了车载槽罐内压裂助剂液位变化情况的实时自动监测，获取压裂助剂注入量的准确数据，在降低操作人员劳动强度的同时，减少浪费，使得压裂作业管理更为严格。压裂作业的特点与 Zigbee无线通讯网络的各项特点相适应，如指挥车以及各台槽罐车都分布在Zigbee无线通讯网络的通讯距离内；压裂作业数据主要就是车载槽罐内压裂助剂液面高度变化值，因此，需要传输的数据量小，这与Zigbee无线通讯网络的小数据传输量通讯特点一致；由于 Zigbee无线通讯网络的各个节点设备均位于车辆上，Zigbee无线通讯网络低能耗的特点得到凸显；另外，Zigbee无线通讯网络的可靠性以及网络容量大、安全性高、与现有的控制网络标准无缝集成、运行成本低以及对硬件要求低等特点均在本发明之方案中得以发挥。
图1是监控主机结构框图，该图兼作为摘要附图。 图2是监控分机结构框图。
图3是监控主机工作程序框图。 图4是监控分机工作程序框图。
具体实施例方式本发明是一个Zigbee无线通讯网络。一个监控主机位于Zigbee无线通讯网络主节点上，主节点设在指挥车上。监控主机由工控机及Zigbee无线通讯模块组成，见图1所示，工控机采用微型计算机，微型计算机与Zigbee无线通讯模块通过串口如RS232连接， 实现二者之间的数据相互传输；在微型计算机与Zigbee无线通讯模块中间加入电平转换电路，以解决电平匹配的问题。若干个监控分机位于Zigbee无线通讯网络若干个从节点上，每个从节点位于一台槽罐车上。超声波液位探测器为监控分机的组成部分，安装在车载槽罐后部顶端，量程0 5m，自带6位LED量程显示。监控分机其组成部分包括主控芯片、Zigbee无线通讯模块以及超声波液位探测器，见图2所示；主控芯片采用微控制器，如 C8051F340，微控制器与Zigbee无线通讯模块通过串口连接，实现二者之间的数据相互传输；微控制器采用UART模式控制Zigbee无线通讯模块的数据收发，速率为115200BPS ；微控制器与超声波液位探测器电连接，超声波液位探测器将液位电信号传输给微控制器。另夕卜，监控分机还有报警灯，当超声波液位探测器探测到的液位值与预设终了液面高度值相等时，微处理器控制报警灯闪烁报警，操作人员停止该槽罐车的压裂作业。监控主机作为本发明之车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统的中枢，通过Zigbee无线通讯模块组建Zigbee无线通讯网络，各个监控分机自动加入该网络。监控主机的工作程序如下，见图3所示，监控主机的系统软件把加入该网络的各个监控分机的机号η显示在微型计算机显示屏幕上；记录作业现场各个车载槽罐内压裂助剂初始液面高度值Ii1 ；监听数据传输；当收到第η台槽罐车进入压裂作业位的作业信号后，通过Zigbee 无线通讯网络实时监测位于该槽罐车上的监控分机传输过来的槽罐内压裂助剂液面高度h 信息，包括作业阶段和作业完毕时的液面高度h信息，并实时与设定的终了液面高度值Iitl 比较，当h < Iltl时，指令监控分机控制该槽罐车停止作业、控制报警灯闪烁报警；监控主机记录该槽罐车作业量；通知第n+1台槽罐车进入压裂作业位，重复上述过程，直到完成该井压裂作业。 各监控分机上电后先进行压裂作业复位，自动寻找网络组网，如果存在网络，则自动登录，组网成功，网络灯闪烁。如果在规定的时间内没有发现网络，则根据实际情况，确定是否继续寻找网络还是无网运行。当监控分机组网成功后，就可以向监控主机发送开始作业信号，并测量槽罐内压裂助剂液面高度h，同时向监控主机上传数据；当h < b时，接收来自监控主机的命令，控制该槽罐车停止作业、控制报警灯闪烁报警。本发明之车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统无线通讯距离最大1000 米，工作温度-40 50°C，通信频率2. 4GHz，备电DC12V，工控机支持最少20台槽罐同时作业，误报率低于1%。由于车载槽罐内的液位变化比较缓慢，每秒采样一次即可满足监控的要求，因此，每个监控分机每秒产生的数据量不会超过100字节，其中还包括槽罐车的编号，那么， 假如作业现场有20台槽罐车的情况下，每秒传输的数据也只是2000字节，转化为串行数据20000位，包括8位数据、1位停止位、1位起始位，考虑数据的双向传输，简化为一个半双工的串行通讯过程，下行的命令和数据量要远远小于上行的数据量，按上行的一半即 10000BPS计算，两者相加，所需带宽为30000BPS，而Zigbee无线通讯模块工作在2. 4GHz频率，其有效的传输速率是250KBPS，完全满足本发明之无线数据传输的要求。
权利要求
1.一种车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统，是一个Zigbee无线通讯网络， 其特征在于，一个监控主机位于Zigbee无线通讯网络主节点上，主节点设在指挥车上；若干个监控分机位于Zigbee无线通讯网络若干个从节点上，每个从节点位于一台槽罐车上； 超声波液位探测器为监控分机的组成部分，安装在车载槽罐后部顶端。
2.根据权利要求1所述的超声波液位监测系统，其特征在于，监控主机由工控机及 Zigbee无线通讯模块组成，工控机采用微型计算机，微型计算机与Zigbee无线通讯模块通过串口连接；在微型计算机与Zigbee无线通讯模块中间加入电平转换电路。
3.根据权利要求1所述的超声波液位监测系统，其特征在于，监控分机其组成部分包括主控芯片、Zigbee无线通讯模块以及超声波液位探测器；主控芯片采用微控制器，微控制器与Zigbee无线通讯模块通过串口连接；微控制器与超声波液位探测器电连接，超声波液位探测器将液位电信号传输给微控制器。
全文摘要
车载槽罐内油田压裂助剂超声波液位监测系统属于石油开采技术领域。现有技术由看罐工人站在罐顶查看槽罐内压裂助剂液位变化情况。这种人工监测方式数据不准确，监测数据受人为因素干扰，伴有压裂助剂的浪费；另外，看罐工人劳动强度大，在盛夏季节还常常发生看罐工人因中暑从罐顶跌落事故。本发明是一个Zigbee无线通讯网络，一个监控主机位于Zigbee无线通讯网络主节点上，主节点设在指挥车上；若干个监控分机位于Zigbee无线通讯网络若干个从节点上，每个从节点位于一台槽罐车上；超声波液位探测器为监控分机的组成部分，安装在车载槽罐后部顶端。本发明用于油井压裂作业，实现自动、智能作业。
文档编号G08C17/02GK102155970SQ20111006561
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者冷庆国, 张祥 申请人:松原市环鼎科贸有限公司