基于LonWorks技術(shù)的油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)

基于LonWorks技術(shù)的油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)
Oil Field Measurement Station Monitoring and Management System
Based on LonWorks Technique
西安長度油田公司   馮海鵬 康海藩 馬麗濤 康樂
摘要：針對(duì)油田計(jì)量站特殊現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計(jì)了一套基于LonWorks技術(shù)的油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)具有可監(jiān)控性能好，可靠性高，成本低，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；LonWorks；數(shù)據(jù)采集；節(jié)點(diǎn)
本文2005年4月12日收到。
引言
油田計(jì)量站在原油開采的過程中起著十分重要的作用。為了獲得原油開采過程中的各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、采集設(shè)備的工況信息、以及地下油、氣、水的變化信息，一般由計(jì)量站的工控機(jī)完成計(jì)量站下屬的采油井和注水井等現(xiàn)場信號(hào)的采集，或者通過專門的RTU完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制，然后傳送到計(jì)量站。生產(chǎn)管理部門通過計(jì)量站來獲得整個(gè)原油開采的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及設(shè)備工作狀態(tài)等信息，然后進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。因此計(jì)量站是油田生產(chǎn)不可缺少的環(huán)節(jié)之一。
早期的油田計(jì)量站大多數(shù)還靠人工巡檢抄表方式來獲得所需要的各類信息。由于所要獲取的信息較多，油田生產(chǎn)環(huán)境比較艱苦，采油工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度非常高，工作時(shí)間也十分長，此外人工抄表還存在監(jiān)控實(shí)時(shí)性差、容易出錯(cuò)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)困難等問題。本著降低油田工作人員的工作強(qiáng)度，節(jié)約勞動(dòng)力，方便生產(chǎn)管理，提高生產(chǎn)效率的目的，本文提出了一種基于LonWorks技術(shù)的油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)?？紤]到油田計(jì)量站的特殊現(xiàn)場環(huán)境，系統(tǒng)采用了自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)分散自治，以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實(shí)現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合，具有較好的實(shí)時(shí)性、可靠性和本征安全性，而且上位機(jī)軟件采用圖形化界面操作簡單易學(xué)，安裝維護(hù)十分方便。
LonWorks技術(shù)自90年代ECHELON公司推出以來已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)控制、智能建筑、交通運(yùn)輸、能源、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。LonWorks網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在控制系統(tǒng)中引入了網(wǎng)絡(luò)的概念，在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，可以方便的實(shí)現(xiàn)分布式的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。并使得系統(tǒng)更高效、更靈活、更易于維護(hù)和擴(kuò)展。
LonWorks技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控可以降低工程造價(jià)，提高綜合效益，對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展、現(xiàn)場設(shè)備的更新?lián)Q代和降低系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用、提高現(xiàn)場監(jiān)控的可靠性創(chuàng)造了很好的條件。

LonWorks油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能
針對(duì)油田計(jì)量站現(xiàn)場的具體情況：需要對(duì)現(xiàn)場采油井進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)計(jì)量站內(nèi)輸油管道的流量，壓力，溫度，消防罐液位,鍋爐蒸汽壓力,換熱器的溫度、壓力等進(jìn)行定時(shí)的采集，此外還需要提供一些安全報(bào)警信息，如鍋爐壓力過大，消防水罐液位偏高等。通過對(duì)現(xiàn)場實(shí)際情況的考察和分析發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)端采油現(xiàn)場監(jiān)控點(diǎn)分布十分分散，單個(gè)監(jiān)控點(diǎn)信息量不大，有著完善的供電設(shè)施；計(jì)量站內(nèi)部則監(jiān)控點(diǎn)多，信息量大，安全性能要求十分嚴(yán)格。因此，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)上采用多級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，多種傳輸介質(zhì)相結(jié)合的通信方式。采油現(xiàn)場監(jiān)控采用5.4Kbps電力線載波通信；計(jì)量站內(nèi)部使用78K bps雙絞線信道；計(jì)量站與各生產(chǎn)管理部門之間采用10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)；為了簡化布線復(fù)雜度，便于現(xiàn)場施工，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為自由拓?fù)?。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
LonWorks油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)是一個(gè)多級(jí)通信的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，分為現(xiàn)場監(jiān)控層和管理層。
現(xiàn)場監(jiān)控層實(shí)現(xiàn)的具體功能有：
（1） 計(jì)量站下屬油井工況信息的記錄和傳輸：包括井內(nèi)油壓、油溫以及抽油機(jī)的工作狀態(tài)等。
（2） 進(jìn)、出站輸油管道油壓、油溫、流量的采集傳輸。
（3） 站內(nèi)鍋爐壓力、溫度，換熱器壓力溫度的監(jiān)測(cè)報(bào)警。
（4） 油罐、消防水罐液位的監(jiān)測(cè)報(bào)警。
（5） 站內(nèi)可燃?xì)怏w濃度報(bào)警，防盜。
監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過PCNSS LonTalk網(wǎng)卡連接到LON網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)場總線測(cè)控節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過Internet與上級(jí)管理部門進(jìn)行通信。
管理層監(jiān)控計(jì)算機(jī)的主要功能有：
（1） 與現(xiàn)場監(jiān)控層各節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序相配合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量、記錄和控制功能。
（2） 各個(gè)測(cè)量回路的參數(shù)，采樣周期，警戒線的設(shè)定等。
（3） 接收監(jiān)控報(bào)警信號(hào)進(jìn)行多媒體聲、光報(bào)警提示。
（4） 對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，顯示實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)曲線或歷史統(tǒng)計(jì)曲線，打印相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表。
（5） 與上級(jí)生產(chǎn)管理部門進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)場測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成
實(shí)現(xiàn)整個(gè)油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)的關(guān)鍵就是各種現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。LonWorks監(jiān)控節(jié)點(diǎn)一般有兩種設(shè)計(jì)思路：一種是基于ECHELON提供的控制模塊的設(shè)計(jì)方法，用戶只需要擴(kuò)展自己的外圍應(yīng)用電路，開發(fā)自己的應(yīng)用程序；另一種是基于神經(jīng)元芯片的設(shè)計(jì)方法，用戶自主完成由控制到應(yīng)用的所有軟硬件開發(fā)。由于ECHELON的控制模塊價(jià)格比較昂貴，為了降低系統(tǒng)成本，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)采用后一種方法進(jìn)行監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的開發(fā)。圖2是現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通用結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通用結(jié)構(gòu)框圖
監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要由核心控制器、存儲(chǔ)模塊、復(fù)位模塊、網(wǎng)絡(luò)通信電路、輸入信號(hào)調(diào)理電路、輸出信號(hào)調(diào)理電路組成。核心控制器采用ECHELON的神經(jīng)元芯片NEURON3150，該芯片是LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心，它內(nèi)部集成了3個(gè)CPU，固化了LonTalk網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，芯片固件自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信。芯片外擴(kuò)了32K的FLASH存儲(chǔ)器，時(shí)鐘頻率為10MHz。為了保證節(jié)點(diǎn)的正常工作，節(jié)點(diǎn)采用DS1233來監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電源，當(dāng)電源發(fā)生突變時(shí)保證節(jié)點(diǎn)正常復(fù)位。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的通信信道分為兩種不同的類型，遠(yuǎn)端采油現(xiàn)場采用PLT-22電力線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)電力線載波通信，計(jì)量站內(nèi)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用雙絞線收發(fā)器。
功能不同的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)其輸入輸出信號(hào)調(diào)理電路隨著現(xiàn)場的傳感器信號(hào)的不同有著相當(dāng)大的差別，現(xiàn)場傳感器信號(hào)主要有： 0-5V的電壓傳感信號(hào)； 0-20mA電流傳感；鉑熱電阻信號(hào)以及頻率脈沖信號(hào)。為了簡化節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，我們把以上幾種信號(hào)概括為：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩類，對(duì)模擬輸入信號(hào)和數(shù)字輸入信號(hào)的調(diào)理電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)[4]。
壓力傳感器輸出的是0-5V的電壓信號(hào)，液位傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的0-40mA電流信號(hào)，在節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì)250歐姆的精密電阻實(shí)現(xiàn)0-40mA電流信號(hào)到0-5V電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，電壓信號(hào)經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換，濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換然后進(jìn)入神經(jīng)元芯片。
多路選擇采用八選一的模擬多路通道AD7501，A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC1549，這種A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是10bit，能夠滿足一般的工業(yè)應(yīng)用，它的最大特點(diǎn)就是具有Neurowire同步串行接口，且整個(gè)芯片只有8個(gè)引腳，神經(jīng)元芯片NEURON3150通過簡單的編程定義即可配置其I/O口為同步串行接口，因而簡化了接口電路的設(shè)計(jì)和軟件編程。
對(duì)于溫度傳感器輸出的電阻信號(hào)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用三線電橋法進(jìn)行測(cè)量，調(diào)理過程包括電橋輸出信號(hào)的放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。
流量計(jì)輸出的脈沖頻率信號(hào)在進(jìn)行多路選擇后，經(jīng)過限幅、反向保護(hù)、整形調(diào)理，然后直接供神經(jīng)元芯片的I/O口采集。NEURON3150的I/O可以配置為34種不同的工作方式，其中有三種可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)的采集。以下分別給出這三種I/O對(duì)象的配置方式：
（1）周期輸入對(duì)象:可測(cè)量輸入信號(hào)兩個(gè)上升沿或兩個(gè)下降沿之間的時(shí)間間隔。當(dāng)FT3150采用10MHz晶振時(shí)周期輸入對(duì)象的分辨率是25.6us，
（2）脈沖計(jì)數(shù)輸入對(duì)象可通過技術(shù)0.8388608s時(shí)間內(nèi)的輸入邊沿，測(cè)量輸入信號(hào)的平均頻率。
（3）總數(shù)輸入對(duì)象通過定時(shí)計(jì)數(shù)器記錄輸入信號(hào)的上升沿或下降沿跳變總數(shù)，當(dāng)FT3150采用10MHz晶振時(shí)輸入信號(hào)的最大頻率是2.5MHz。
輸出信號(hào)的調(diào)理電路提供所需的模擬控制信號(hào)（經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，多路選通、放大電路進(jìn)行調(diào)理）或開關(guān)量控制信號(hào)（光電隔離、繼電器輸出），以達(dá)到遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場設(shè)備的目的，如：采油井抽油泵，注水泵的開關(guān)控制等。
遠(yuǎn)端電力線載波監(jiān)控節(jié)點(diǎn)掛接在220V照明用電纜上進(jìn)行通信，不需要外加供電設(shè)施，節(jié)點(diǎn)將220V交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)镹EURON3150的直流+5工作電壓和PLT-22電力線收發(fā)器的直流+12V工作電壓。計(jì)量站內(nèi)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)采用+5V模塊電源供電。為保證生產(chǎn)安全，所有工作在現(xiàn)場的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)都安置在防爆盒內(nèi)，設(shè)計(jì)上杜絕電火花的出現(xiàn)。
不同的傳感器通道設(shè)計(jì)了不同的采樣率，對(duì)于蒸汽壓力傳感器采集率是60次/分，而對(duì)于一般的數(shù)據(jù)，采集率為10次/分。

系統(tǒng)軟件
監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用NEURON C語言編寫，并使用LONBUILDER 開發(fā)工具進(jìn)行調(diào)試。應(yīng)用程序中設(shè)定了采樣周期定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)周期性采樣和周期性輸出網(wǎng)絡(luò)變量的更新。使用LONBUILDER開發(fā)工具進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)變量綁定后，就可以通過網(wǎng)絡(luò)變量來實(shí)現(xiàn)監(jiān)控信息在LON網(wǎng)絡(luò)上傳遞。定時(shí)器的設(shè)置隨傳感器的不同而略有變化，主要根據(jù)事先的分析做出調(diào)整，如蒸汽壓力采集節(jié)點(diǎn)，定時(shí)器就設(shè)置較小的值。而溫度采集節(jié)點(diǎn)就相應(yīng)的設(shè)置為較大的值。流量采集節(jié)點(diǎn)定時(shí)器的設(shè)置應(yīng)根據(jù)實(shí)際的計(jì)算得出。
上位機(jī)監(jiān)控管理軟件采用Visual Basic 高級(jí)編程語言進(jìn)行開發(fā)，具有友好的圖形用戶界面和完整的使用幫助文檔，用戶學(xué)習(xí)使用十分方便。與Excel數(shù)據(jù)庫的結(jié)合使得用戶可以方便的完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)報(bào)表的打印等功能。程序不但可以實(shí)時(shí)顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)曲線，還可以提供多媒體聲光報(bào)警。

結(jié)語
本文針對(duì)油田計(jì)量站生產(chǎn)管理的具體需要，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的油田計(jì)量站監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)，自行開發(fā)了基于神經(jīng)元芯片的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，通過監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印以及多媒體報(bào)警等功能。該系統(tǒng)以應(yīng)用于長慶油田某計(jì)量站，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅節(jié)約了勞動(dòng)力，降低了油田工作人員的工作強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，還為整個(gè)生產(chǎn)管理提供了很大的方便。

參考文獻(xiàn)：
1.  湯同奎，隔離多通道LonWorks數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J]，化工自動(dòng)化及儀表，1999.2