在油田生產(chǎn)運輸過程中，溫度與壓力是兩個重要參數(shù),。在油品管道傳輸過程中由于溫度異常造成的油品凝固,、丟油漏油造成的壓力異常等情況需進行及時處理，以免造成重大經(jīng)濟損失和環(huán)境污染,。
傳統(tǒng)溫度壓力監(jiān)測主要使用模擬儀表,，依賴人工抄表的方式進行，具有嚴重的滯后性,，并需要人工巡視和抄表,，工作量大、效率低下,、精確度低,。
本文設計了一種輸油管道溫度壓力參數(shù)無線采集系統(tǒng)，通過微功率無線通信方式組成小規(guī)模星形短距離通信網(wǎng)絡,，并使用GPRS(通用無線分組業(yè)務)進行數(shù)據(jù)遠程傳輸,。利用GPRS網(wǎng)絡遠程傳送數(shù)據(jù)，不受時間,、地點,、距離的限制，可以解決分散數(shù)據(jù)集中處理的問題,，且具有覆蓋范圍廣,，數(shù)據(jù)傳輸快，通信質量高,，永遠在線和按流量計費等優(yōu)點,。在PC上位機中進行數(shù)據(jù)存儲與圖形界面顯示，方便對輸油管道溫度壓力參數(shù)實時監(jiān)控,，節(jié)省人工成本,，可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測方式的種種弊端。
1 系統(tǒng)總體設計及工作原理
本系統(tǒng)包含由現(xiàn)場儀表和計量站遠程終端RTU構成的下位機子系統(tǒng)和由中控室PC機構成的上位機子系統(tǒng),。下位機子系統(tǒng)每個遠程終端RTU對應多塊現(xiàn)場儀表,，通過433 MHz微功率無線通信方式組成星形通信網(wǎng)絡。上位機子系統(tǒng)通過GPRS與下位機子系統(tǒng)進行通信,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸,、分類存儲、實時顯示,、異常報警,。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。
本系統(tǒng)中，溫度壓力傳感器輸出信號通過電橋轉化為差壓信號,，經(jīng)調理送入C8051F930處理器進行A／D轉換,，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到微功率無線通信模塊與RTU進行通信。RTU將接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS直接轉發(fā)到上位機,，并在上位機中進行數(shù)據(jù)存儲和實時顯示,。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 現(xiàn)場儀表
現(xiàn)場儀表主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的定時采集、初步處理,，并及時向RTU無線發(fā)送采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場儀表安裝在計量站入口輸油管道中，由于不方便安裝供電裝置,，因此必須采用電池供電,。為保證電池使用壽命，減少更換次數(shù),，節(jié)省人工和成本,，提高運行效率，必須對整個現(xiàn)場儀表進行全面低功耗設計,，所選器件均必須滿足低功耗要求,。整個現(xiàn)場儀表大部分時間應該處于低功耗休眠狀態(tài)，僅在定時喚醒后完成數(shù)據(jù)采集和相關指令操作,，之后再次進入休眠,，保證其長時間穩(wěn)定運行。
C8051F系列單片機是Silicon Labs公司生產(chǎn)的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU,，精簡指令集結構，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內完成,。C8051F930帶有2個UART串口,、4 352字節(jié)的內部數(shù)據(jù)RAM和64KB的Flash程序存儲器。該單片機內置20 MHz低功耗振蕩器,，僅需很小偏置電流,；典型休眠電流小于50 nA，休眠喚醒時間小于2 μs,，較MSP430系列單片機功耗更低,。C8051F930內置10位A／D轉換器，外部23路A／D轉換器輸入且具有突發(fā)方式的16位自動平均累加器(過采樣技術),，可增加的A／D轉換器分辨率同時保證在突發(fā)喚醒后迅速正確地采集數(shù)據(jù),，A／D轉換器允許輸入的最大電壓為2．43 V。故選擇C8051F930作為控制核心,。
溫度測量選擇了溫壓一體式傳感器SCB3111,。該傳感器使用了濺射薄膜壓力敏感元件，內部使用金屬應變電橋和溫度敏感電阻測量壓力和溫度數(shù)據(jù)，該傳感器響應速度快,、測量精度高,，有利于休眠喚醒后及時采集到正確數(shù)據(jù)，減少工作時間,，降低功耗,。
傳感器的輸出信號采用高速度高性能的儀用放大器AD623進行信號調理放大，該運放采用差分輸入,，特別適用于電橋輸出電路,，并且僅通過一個外接電阻即可實現(xiàn)1～1 000的增益調整。放大倍數(shù)設定為40倍,，故放大系數(shù)電阻選擇2．55 kΩ高精度電阻,，則傳感器最大輸出后放大的信號可接近2．43 V。數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖2所示,。
在油田現(xiàn)場,，遠程終端RTU與現(xiàn)場儀表的距離較近，可使用433 MHz或2．4 GHz的近距離無線通信系統(tǒng),。相對于2.4 GHz的載波頻率,，433 MHz無線通信系統(tǒng)的載波波長更長，因此傳輸距離更遠,，并且具有一定穿越墻體等障礙的能力,，適用范圍廣。選用433MHz的基于CC1100的SM41 B型微功率無線通信模塊,，該模塊在休眠狀態(tài)時電流小于25μA,，在3 V電壓條件下最大發(fā)送電流小于25 mA，滿足低功耗的要求,。
為更大程度地降低功耗,，現(xiàn)場儀表使用可關閉電源器件MAX619供電。該器件輸入電壓為2～3．6 V,，輸出為5 V,，且輸出可關閉。因此休眠時直接關閉NAX619電壓輸出,，切斷電橋和運放電源,，將功耗降到最低。現(xiàn)場儀表的硬件設計結構如圖3所示,。
2．2 遠程終端RTU的硬件設計
遠程終端RTU位于計量站中,，協(xié)調多個現(xiàn)場儀表的工作，收集現(xiàn)場儀表所采集的數(shù)據(jù)轉發(fā)到中控室上位機系統(tǒng),，同時接收上位機指令并回傳給現(xiàn)場儀表,。RTU與現(xiàn)場儀表進行一對多通信,，并隨時準備接收上位機指令，不可進行休眠操作,，故選擇計量站中電源供電,。RTU與上位機通信使用Q2406A型號GPRS模塊，利用GPRS服務,，設備可采用互聯(lián)網(wǎng)Internet標準方式與互聯(lián)網(wǎng)上的服務器進行數(shù)據(jù)交換,，結構圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 現(xiàn)場儀表的軟件設計
本設計采用低功耗軟件設計方法,，優(yōu)化系統(tǒng)時鐘,，外部接32 768 Hz晶振作為MCU休眠輔助時鐘；優(yōu)化工作時序,，由于無線通信模塊SM41B待機時功耗遠大于C8051F930正常工作功耗,，所以采用非通信狀態(tài)下隨時關閉SM41B的方式來最大限度降低功耗。現(xiàn)場儀表的軟件流程如圖5所示,。
現(xiàn)場儀表在上電之后對系統(tǒng)進行初始化,，并檢測是否第1次使用，若為第1次使用,，便請求遠程終端RTU分配地址,，待地址分配結束之后進入正常工作流程。在儀表定時喚醒后,，檢查信道是否繁忙,，若繁忙則休眠一個隨機時間，若不繁忙,，則通知RTU準備接收數(shù)據(jù),。在一定時間內得到RTU應答信號后開始采集數(shù)據(jù)，經(jīng)打包處理后發(fā)送給RTU,，發(fā)送結束得到RTU應答后進入休眠狀態(tài),，等待定時喚醒。由于MCU僅帶有10位A／D轉換器,，則采用過采樣技術，將每4次采集的數(shù)據(jù)進行疊加,，產(chǎn)生與12位A／D轉換器數(shù)據(jù)采集相同效果,。為防止休眠喚醒時電壓不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)采集誤差，連續(xù)100次A／D轉換采集數(shù)據(jù)取其平均,。
3．2 遠程終端RTU的軟件設計
遠程終端RTU程序開始運行后首先進行系統(tǒng)的初始化,，之后等待接收上位機指令和現(xiàn)場儀表的請求。在接收到上位機指令后,，對指令類型進行判斷并向現(xiàn)場節(jié)點轉發(fā),。在接到現(xiàn)場儀表的請求后判斷請求類型并做響應,，現(xiàn)場儀表第1次使用時為其分配地址；現(xiàn)場儀表請求發(fā)送數(shù)據(jù)時響應其請求并接收其采集數(shù)據(jù),，之后將數(shù)據(jù)打包轉發(fā)到上位機,。遠程終端RTU的程序流程如圖6所示。
3．3 上位機的軟件設計
上位機軟件開發(fā)使用Delphi7環(huán)境,。上位機與GPRS模塊通過網(wǎng)絡端口連接,，在Delphi7環(huán)境中，通過SocketClient控件實現(xiàn)網(wǎng)絡訪問和數(shù)據(jù)傳輸,。在接收到GPRS中數(shù)據(jù)之后,，對數(shù)據(jù)格式進行校驗，若有誤碼則將數(shù)據(jù)包丟棄,；校驗正確后判斷所采集數(shù)據(jù)是否異常,，出現(xiàn)異常則報警處理，之后存儲至SQLServer2000數(shù)據(jù)庫中并在圖形界面中繪圖顯示,。在歷史數(shù)據(jù)查詢過程中,，首先選擇查詢方式(按時間查詢、按現(xiàn)場儀表地址查詢或組合查詢)和查詢條件,，在數(shù)據(jù)庫中篩選出符合條件的結果在DBGrid控件中顯示,。可將查詢結果以Excel文件形式保存或者繪制歷史曲線,。上位機軟件流程如圖7所示,。
4 系統(tǒng)性能測試
4．1 AD623增益電阻選型測試
當AD623增益電阻選擇996 Ω時，理論放大倍數(shù)為101．4,，測試數(shù)據(jù)如表1所示,。當AD623增益電阻選擇2．541 kΩ時，理論放大倍數(shù)為40．35,，測試數(shù)據(jù)如表2所示,。
由測試數(shù)據(jù)可見，放大倍數(shù)越大,，實際放大倍數(shù)與理論放大倍數(shù)差距越大,，穩(wěn)定性也不好，因此綜合考慮采用2．55 kΩ電阻,，放大40倍,，以達到最佳放大效果。
4．2 通信可靠性測試
本系統(tǒng)設定每分鐘采集一次數(shù)據(jù),，測試時間為24 h,，測試對象為5塊儀表，測試電源為3．6 V／1 200 mAh小型高能電池,，具體測試結果如表3所示,。
經(jīng)實際測試,，433 MHz無線網(wǎng)絡隔墻通信24 h之內漏碼率不足1％，且漏收數(shù)據(jù)時間不連續(xù),，基本可反映現(xiàn)場實時情況,，滿足可靠性和實時性要求。
4．3 功耗測試
整塊現(xiàn)場儀表在正常工作時,，電流小于25 mA,。設定每分鐘采集一次數(shù)據(jù)，每次工作時間小于300 ms,；休眠時整機電流小于50μA,，休眠時間為59．7 s。若采用1 200 mAh小型高能電池,，理論工作時間可達6 867 h,。經(jīng)實際測試，正常工作時間超過5個月,，滿足低功耗設計要求,。
5 結束語
本系統(tǒng)首先采用了C8051F930超低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，利用過采樣技術使10位A／D轉換器達到12位的采樣精度,。對現(xiàn)場儀表進行全面低功耗設計,，采用各種低功耗芯片和低功耗供電模式，使電池在儀表中能工作更長時間,，減少更換次數(shù),。采用433 MHz無線通信系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡相結合的無線通信方式，最大限度降低通信成本,；優(yōu)化組網(wǎng)方案,，可方便地將現(xiàn)場儀表和遠程終端RTU接入數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡，方便統(tǒng)一管理,，減少人力成本?，F(xiàn)場儀表在休眠期間無法接收上位機指令，上位機指令可暫存于遠程終端RTU中,，待現(xiàn)場儀表定時喚醒后即可給其傳輸上位機指令,，造成上位機指令執(zhí)行有所延遲，但并不影響整體數(shù)據(jù)采集,，在后續(xù)的工作中將致力于解決此問題,。本系統(tǒng)使用的過采樣技術對提高數(shù)據(jù)采集精度有一定的參考價值；組網(wǎng)方案對于小規(guī)模的無線通信系統(tǒng)組網(wǎng)具有一定的應用價值,。
基于C8051F930的超低功耗輸油管道溫度壓力無線監(jiān)測系統(tǒng),，以低功耗單片機C8051F930為控制核心,，以433 MHz無線通信系統(tǒng)和GPRS網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸方式,，實現(xiàn)了對輸油管道溫度壓力參數(shù)的遠程采集,、無線傳輸、實時監(jiān)控等功能,。本系統(tǒng)價格低廉,、組網(wǎng)方便、無需人工干預,、使用壽命長,，可廣泛應用于各大油田計量站的監(jiān)測。