基于C8051F930的管道溫度壓力遠程監(jiān)測系統(tǒng)

張亞南，劉潤華，游永智

（中國石油大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，山東 東營257061）

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(shè)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(luò)[1]，并使用GPRS（通用無線分組業(yè)務(wù)）進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量高，永遠在線和按流量計費等優(yōu)點[2]。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(shè)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(gòu)成的下位機子系統(tǒng)和由中控室PC機構(gòu)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(yīng)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(luò)。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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure digram of system

本系統(tǒng)中，溫度壓力傳感器輸出信號通過電橋轉(zhuǎn)化為差壓信號，經(jīng)調(diào)理送入C8051F930處理器進行A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成[3]。C8051F930帶有2個UART串口、4 352字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64 KB的Flash程序存儲器[4]。該單片機內(nèi)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[5]。C8051F930內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器，外部23路A/D轉(zhuǎn)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(shù)），可增加的A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)部使用金屬應(yīng)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(yīng)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(diào)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(diào)整。放大倍數(shù)設(shè)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433 MHz的基于CC1100的SM41B型微功率無線通信模塊，該模塊在休眠狀態(tài)時電流小于25 μA，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[6]。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路原理圖Fig.2 Principle diagram of data acquisition circuit

為更大程度地降低功耗，現(xiàn)場儀表使用可關(guān)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(guān)閉。因此休眠時直接關(guān)閉MAX619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(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場儀表硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of field instrument hardware design

2.2 遠程終端RTU的硬件設(shè)計

遠程終端RTU位于計量站中，協(xié)調(diào)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(zhuǎn)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(wù)，設(shè)備可采用互聯(lián)網(wǎng)Internet標準方式與互聯(lián)網(wǎng)上的服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換[7]，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 遠程終端RTU硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of RTU hardware design

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 現(xiàn)場儀表的軟件設(shè)計

本設(shè)計采用低功耗軟件設(shè)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(guān)閉SM41B的方式來最大限度降低功耗[8]。現(xiàn)場儀表的軟件流程如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場儀表軟件流程圖Fig.5 Flow chart of field instrument software

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(jié)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(nèi)得到RTU應(yīng)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(jié)束得到RTU應(yīng)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(zhuǎn)換器，則采用過采樣技術(shù)，將每4次采集的數(shù)據(jù)進行疊加，產(chǎn)生與12位A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換采集數(shù)據(jù)取其平均。

3.2 遠程終端RTU的軟件設(shè)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(zhuǎn)發(fā)。在接到現(xiàn)場儀表的請求后判斷請求類型并做響應(yīng)，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(yīng)其請求并接收其采集數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)打包轉(zhuǎn)發(fā)到上位機。遠程終端RTU的程序流程如圖6所示。

圖6 遠程終端RTU軟件流程Fig.6 Flow chart of RTU software

3.3 上位機的軟件設(shè)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(luò)端口連接，在Delphi7環(huán)境中，通過SocketClient控件實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jié)果在DBGrid控件中顯示?？蓪⒉樵兘Y(jié)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。

圖7 上位機軟件流程Fig.7 Flow chart of host computer software

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。

表1 A/D轉(zhuǎn)換器增益電阻選型測試（996 Ω）Tab.1 ADC gain resistor selection test（996Ω）

表2 A/D轉(zhuǎn)換器增益電阻選型測試（2.541 kΩ）Tab.2 ADC gain resistor selection test（2.541kΩ）

4.2 通信可靠性測試

本系統(tǒng)設(shè)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(jié)果如表3所示。

表3 通信系統(tǒng)可靠性測試Tab.3 Reliability test of communication system

經(jīng)實際測試，433 MHz無線網(wǎng)絡(luò)隔墻通信24 h之內(nèi)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(shè)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50 μA，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(shè)計要求。

5 結(jié)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(shù)使10位A/D轉(zhuǎn)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(shè)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(luò)相結(jié)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(luò)，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(shù)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(yīng)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(luò)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(yù)、使用壽命長，可廣泛應(yīng)用于各大油田計量站的監(jiān)測。

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