基于LonWorks技術(shù)的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)

基于LonWorks技術(shù)的油田計量站監(jiān)測管理系統(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：針對油田計量站特殊現(xiàn)場環(huán)境，設(shè)計了一套基于LonWorks技術(shù)的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有可監(jiān)控性能好，可靠性高，成本低，易于擴展等特點。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線；LonWorks；數(shù)據(jù)采集；節(jié)點
本文2005年4月12日收到。
引言
油田計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，一般由計量站的工控機完成計量站下屬的采油井和注水井等現(xiàn)場信號的采集，或者通過專門的RTU完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集和控制，然后傳送到計量站。生產(chǎn)管理部門通過計量站來獲得整個原油開采的生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及設(shè)備工作狀態(tài)等信息，然后進行協(xié)調(diào)管理。因此計量站是油田生產(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強度非常高，工作時間也十分長，此外人工抄表還存在監(jiān)控實時性差、容易出錯，生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計困難等問題。本著降低油田工作人員的工作強度，節(jié)約勞動力，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)的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)?？紤]到油田計量站的特殊現(xiàn)場環(huán)境，系統(tǒng)采用了自由拓撲結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場節(jié)點分散自治，以網(wǎng)絡(luò)通信的方式實現(xiàn)分散基礎(chǔ)上的融合，具有較好的實時性、可靠性和本征安全性，而且上位機軟件采用圖形化界面操作簡單易學(xué)，安裝維護十分方便。
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、交通運輸、能源、環(huán)境檢測等領(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、更易于維護和擴展。
LonWorks技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控可以降低工程造價，提高綜合效益，對系統(tǒng)擴展、現(xiàn)場設(shè)備的更新?lián)Q代和降低系統(tǒng)的維護費用、提高現(xiàn)場監(jiān)控的可靠性創(chuàng)造了很好的條件。

LonWorks油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能
針對油田計量站現(xiàn)場的具體情況：需要對現(xiàn)場采油井進行監(jiān)控，對計量站內(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、壓力等進行定時的采集，此外還需要提供一些安全報警信息，如鍋爐壓力過大，消防水罐液位偏高等。通過對現(xiàn)場實際情況的考察和分析發(fā)現(xiàn)遠端采油現(xiàn)場監(jiān)控點分布十分分散，單個監(jiān)控點信息量不大，有著完善的供電設(shè)施；計量站內(nèi)部則監(jiān)控點多，信息量大，安全性能要求十分嚴(yán)格。因此，系統(tǒng)總體設(shè)計上采用多級通信網(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；計量站內(nèi)部使用78K bps雙絞線信道；計量站與各生產(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)拓撲結(jié)構(gòu)為自由拓撲。整個系統(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油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個多級通信的網(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)控層實現(xiàn)的具體功能有：
（1） 計量站下屬油井工況信息的記錄和傳輸：包括井內(nèi)油壓、油溫以及抽油機的工作狀態(tài)等。
（2） 進、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)測報警。
（4） 油罐、消防水罐液位的監(jiān)測報警。
（5） 站內(nèi)可燃氣體濃度報警，防盜。
監(jiān)控計算機通過PCNSS LonTalk網(wǎng)卡連接到LON網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)場總線測控節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，通過Internet與上級管理部門進行通信。
管理層監(jiān)控計算機的主要功能有：
（1） 與現(xiàn)場監(jiān)控層各節(jié)點應(yīng)用程序相配合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量、記錄和控制功能。
（2） 各個測量回路的參數(shù)，采樣周期，警戒線的設(shè)定等。
（3） 接收監(jiān)控報警信號進行多媒體聲、光報警提示。
（4） 對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，顯示實時統(tǒng)計曲線或歷史統(tǒng)計曲線，打印相關(guān)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表。
（5） 與上級生產(chǎn)管理部門進行數(shù)據(jù)交換。

現(xiàn)場測控節(jié)點的硬件構(gòu)成
實現(xiàn)整個油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)的關(guān)鍵就是各種現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點的設(shè)計。LonWorks監(jiān)控節(jié)點一般有兩種設(shè)計思路：一種是基于ECHELON提供的控制模塊的設(shè)計方法，用戶只需要擴展自己的外圍應(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的控制模塊價格比較昂貴，為了降低系統(tǒng)成本，節(jié)點設(shè)計采用后一種方法進行監(jiān)控節(jié)點的開發(fā)。圖2是現(xiàn)場監(jiān)控節(jié)點的通用結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 監(jiān)控節(jié)點通用結(jié)構(gòu)框圖
監(jiān)控節(jié)點主要由核心控制器、存儲模塊、復(fù)位模塊、網(wǎng)絡(luò)通信電路、輸入信號調(diào)理電路、輸出信號調(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CPU，固化了LonTalk網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，芯片固件自動完成網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)通信。芯片外擴了32K的FLASH存儲器，時鐘頻率為10MHz。為了保證節(jié)點的正常工作，節(jié)點采用DS1233來監(jiān)測節(jié)點電源，當(dāng)電源發(fā)生突變時保證節(jié)點正常復(fù)位。監(jiān)控節(jié)點的通信信道分為兩種不同的類型，遠端采油現(xiàn)場采用PLT-22電力線收發(fā)器實現(xiàn)電力線載波通信，計量站內(nèi)監(jiān)控節(jié)點采用雙絞線收發(fā)器。
功能不同的監(jiān)控節(jié)點其輸入輸出信號調(diào)理電路隨著現(xiàn)場的傳感器信號的不同有著相當(dāng)大的差別，現(xiàn)場傳感器信號主要有： 0-5V的電壓傳感信號； 0-20mA電流傳感；鉑熱電阻信號以及頻率脈沖信號。為了簡化節(jié)點硬件設(shè)計的復(fù)雜度，我們把以上幾種信號概括為：模擬信號和數(shù)字信號兩類，對模擬輸入信號和數(shù)字輸入信號的調(diào)理電路分別進行設(shè)計[4]。
壓力傳感器輸出的是0-5V的電壓信號，液位傳感器輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的0-40mA電流信號，在節(jié)點上設(shè)計250歐姆的精密電阻實現(xiàn)0-40mA電流信號到0-5V電壓信號的轉(zhuǎn)換，電壓信號經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換，濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換然后進入神經(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，它的最大特點就是具有Neurowire同步串行接口，且整個芯片只有8個引腳，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)計和軟件編程。
對于溫度傳感器輸出的電阻信號，監(jiān)控節(jié)點采用三線電橋法進行測量，調(diào)理過程包括電橋輸出信號的放大、濾波以及模數(shù)轉(zhuǎn)換。
流量計輸出的脈沖頻率信號在進行多路選擇后，經(jīng)過限幅、反向保護、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現(xiàn)對頻率信號的采集。以下分別給出這三種I/O對象的配置方式：
（1）周期輸入對象:可測量輸入信號兩個上升沿或兩個下降沿之間的時間間隔。當(dāng)FT3150采用10MHz晶振時周期輸入對象的分辨率是25.6us，
（2）脈沖計數(shù)輸入對象可通過技術(shù)0.8388608s時間內(nèi)的輸入邊沿，測量輸入信號的平均頻率。
（3）總數(shù)輸入對象通過定時計數(shù)器記錄輸入信號的上升沿或下降沿跳變總數(shù)，當(dāng)FT3150采用10MHz晶振時輸入信號的最大頻率是2.5MHz。
輸出信號的調(diào)理電路提供所需的模擬控制信號（經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，多路選通、放大電路進行調(diào)理）或開關(guān)量控制信號（光電隔離、繼電器輸出），以達到遠程控制現(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。
遠端電力線載波監(jiān)控節(jié)點掛接在220V照明用電纜上進行通信，不需要外加供電設(shè)施，節(jié)點將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。計量站內(nèi)的監(jiān)控節(jié)點采用+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)點都安置在防爆盒內(nèi)，設(shè)計上杜絕電火花的出現(xiàn)。
不同的傳感器通道設(shè)計了不同的采樣率，對于蒸汽壓力傳感器采集率是60次/分，而對于一般的數(shù)據(jù)，采集率為10次/分。

系統(tǒng)軟件
監(jiān)控節(jié)點的應(yīng)用程序采用NEURON C語言編寫，并使用LONBUILDER 開發(fā)工具進行調(diào)試。應(yīng)用程序中設(shè)定了采樣周期定時器，實現(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)工具進行網(wǎng)絡(luò)變量綁定后，就可以通過網(wǎng)絡(luò)變量來實現(xiàn)監(jiān)控信息在LON網(wǎng)絡(luò)上傳遞。定時器的設(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，定時器就設(shè)置較小的值。而溫度采集節(jié)點就相應(yīng)的設(shè)置為較大的值。流量采集節(jié)點定時器的設(shè)置應(yīng)根據(jù)實際的計算得出。
上位機監(jiān)控管理軟件采用Visual Basic 高級編程語言進行開發(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)計和數(shù)據(jù)報表的打印等功能。程序不但可以實時顯示生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計曲線，還可以提供多媒體聲光報警。

結(jié)語
本文針對油田計量站生產(chǎn)管理的具體需要，設(shè)計和實現(xiàn)了基于LonWorks現(xiàn)場總線技術(shù)的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)，自行開發(fā)了基于神經(jīng)元芯片的監(jiān)控節(jié)點，通過監(jiān)控計算機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、存儲、統(tǒng)計、報表打印以及多媒體報警等功能。該系統(tǒng)以應(yīng)用于長慶油田某計量站，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅節(jié)約了勞動力，降低了油田工作人員的工作強度，提高了生產(chǎn)效率，還為整個生產(chǎn)管理提供了很大的方便。

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