基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的石油輸油泵遠(yuǎn)程測(cè)量與控制系統(tǒng)

田夾心+周良馳+朱昭+鄭峰+楊盛泉

摘要： 為了改變石油輸油泵目前采用人工本地儀器儀表控制中出現(xiàn)的效率低下、故障處理不及時(shí)等缺點(diǎn)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究并設(shè)計(jì)輸油泵遠(yuǎn)程測(cè)量與控制系統(tǒng)。文中首先設(shè)計(jì)出包括傳感器層、協(xié)調(diào)器層、本地應(yīng)用層與遠(yuǎn)程控制層等四層輸油泵物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，然后詳細(xì)地討論了物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件模塊設(shè)計(jì)，最后介紹了包括節(jié)點(diǎn)底層程序、本地控制中心應(yīng)用層軟件以及遠(yuǎn)程控制層移動(dòng)APP軟件等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

Abstract： In order to change the disadvantages of low efficiency and failure to deal with the faults in time and other shortcomings in current oil pump control used by the local manual instruments， a remote measure and control system based on the Internet of things technology is proposed. Firstly the paper describes the overall architecture of oil pump IOT system， and four architecture layers including the sensor layer， the coordinator layer， the local application layer and the remote control layer are designed in detail. Secondly it discusses in detail the internet of things hardware module design of the sensor node and coordinator node. Finally the article also introduces the design and contents of the nodes bottom program， local control center application layer software and remote control layer mobile APP.

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；油田輸油泵；傳感器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)

Key words： Internet of Things Technology；oilfield oil pump；sensor node；coordinator node

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）17-0114-03

0 引言

石油輸油泵是油田公司非常重要的原油輸送動(dòng)力設(shè)備，它一般用于從油井抽出原油后，通過(guò)輸油泵過(guò)濾、增壓、分離后將原油經(jīng)過(guò)管線輸送出去。輸油泵傳統(tǒng)的控制方式是通過(guò)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝本地測(cè)量與控制的儀器儀表，同時(shí)需要人工定期現(xiàn)場(chǎng)檢查與巡視，由于輸油泵大多分布在荒無(wú)人煙的地帶并且數(shù)量眾多，這就造成設(shè)備發(fā)生故障后，時(shí)常無(wú)法得到及時(shí)處理，從而導(dǎo)致油田企業(yè)輸油管理工作效率低下。

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是萬(wàn)物相連的網(wǎng)絡(luò)，它指通過(guò)傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)分析與處理技術(shù)等能夠完成遠(yuǎn)程智能化采集、自動(dòng)控制的一種多學(xué)科融合交叉發(fā)展的新興技術(shù)[1]。本文研究將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到輸油泵遠(yuǎn)程測(cè)量與控制中，其目的是實(shí)現(xiàn)油泵設(shè)備全面感知、可靠信息傳遞、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制處理的重要目標(biāo)。

1 輸油泵設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油田公司的輸油泵運(yùn)行過(guò)程中，一般需要采集運(yùn)行的入口與出口壓力、輸油流量、油泵溫度、燃?xì)鉂舛鹊葏?shù)，然后根據(jù)輸油工藝要求，設(shè)定油泵的運(yùn)行的時(shí)間與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的頻率以及運(yùn)行的安全壓力與流量。根據(jù)油田輸油泵工藝以及油田企業(yè)設(shè)備安全與提高工作效率的需要，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)測(cè)控技術(shù)，采用自頂向下、逐步細(xì)化的原則設(shè)計(jì)了如圖1所示本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，一共為4層，從下而上分別為傳感器層、協(xié)調(diào)器層、本地應(yīng)用層與遠(yuǎn)程控制層[1]。

1.1 傳感器層

傳感器層的主要功能是采集輸油泵的泵體溫度、原油壓力、出口流量、油泵頻率、油泵狀態(tài)等現(xiàn)場(chǎng)物理傳感器信息，并根據(jù)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行的指令來(lái)控制油泵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作出符合安全輸油的動(dòng)作。傳感器層主要包含的節(jié)點(diǎn)有：溫度傳感節(jié)點(diǎn)、故障處理節(jié)點(diǎn)、壓力傳感節(jié)點(diǎn)、變頻控制節(jié)點(diǎn)、流量傳感節(jié)點(diǎn)、閥門控制節(jié)點(diǎn)、狀態(tài)傳感節(jié)點(diǎn)、開(kāi)關(guān)控制節(jié)點(diǎn)等。

1.2 協(xié)調(diào)器層

協(xié)調(diào)器層的主要功能是將跟其共同屬性的傳感器節(jié)點(diǎn)連接成一個(gè)個(gè)無(wú)線通信ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并定期輪詢采集各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)油泵運(yùn)行工藝對(duì)油泵的開(kāi)關(guān)、頻率、閥門作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)動(dòng)作。協(xié)調(diào)器層跟上層本地工控機(jī)進(jìn)行有線RS485通信，它把從傳感器收集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給本地人機(jī)界面進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示、分析利用等。系統(tǒng)包含的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要有：油泵溫度協(xié)調(diào)器、壓力控制協(xié)調(diào)器、流量控制協(xié)調(diào)器、邏輯控制協(xié)調(diào)器等。

1.3 本地應(yīng)用層

本地應(yīng)用層為現(xiàn)場(chǎng)站點(diǎn)油泵的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)人機(jī)界面，它為物聯(lián)網(wǎng)本地控制中心。考慮到油泵是關(guān)鍵性生產(chǎn)設(shè)備，整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性要求非常高，因此采用RS485串口通信連接到各個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。本地應(yīng)用層可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油泵所有的協(xié)調(diào)器進(jìn)行各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)串口通信采集存儲(chǔ)、油泵工藝畫面顯示、測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)趨勢(shì)曲線、油泵流程安全參數(shù)設(shè)置等功能。本地應(yīng)用層同時(shí)接入到企業(yè)局域網(wǎng)（LAN）為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制中心提供數(shù)據(jù)服務(wù)，另外在權(quán)限的許可下，可以接受遠(yuǎn)程的調(diào)控，并發(fā)給協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵的控制。

1.4 遠(yuǎn)程控制層

遠(yuǎn)程控制層為油田公司遠(yuǎn)程辦公實(shí)時(shí)控制油泵設(shè)計(jì)的人機(jī)界面。遠(yuǎn)程控制層通過(guò)企業(yè)的局域網(wǎng)可以實(shí)時(shí)地查看油泵運(yùn)行的各種參數(shù)、動(dòng)態(tài)曲線、記錄數(shù)據(jù)等信息。遠(yuǎn)程控制層的設(shè)備可以是公司辦公電腦、手機(jī)或者平板電腦等移動(dòng)終端。遠(yuǎn)程控制層與現(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)之間的通信采用TCP/IP協(xié)議[3]。

2 輸油泵設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)采用美國(guó)TI公司的CC2530 ZigBee無(wú)線通信芯片，由于它支持片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)使其應(yīng)用開(kāi)發(fā)難度很小。CC2530 芯片集成了2.4 GHz的射頻收發(fā)器以及一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)，它支持最大256KB 可編程FLASH ROM存儲(chǔ)器，內(nèi)部運(yùn)行具有8KB的RAM存儲(chǔ)器，同時(shí)具有USART、高精度ADC、通用的GPIO等豐富的外部接口[2]。本系統(tǒng)中無(wú)論傳感器節(jié)點(diǎn)還是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)其核心都是CC2530模塊。系統(tǒng)中每個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)都跟其對(duì)應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)形成一個(gè)個(gè)相對(duì)獨(dú)立有著不同通信信道的互不干擾的低功耗無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)的所有的傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行原理基本相同，通過(guò)不同的物理或者化學(xué)傳感器接口采集開(kāi)關(guān)量、電流、電壓等模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并經(jīng)過(guò)處理后暫存起來(lái)并可以通過(guò)前端RF傳輸出去；另外傳感動(dòng)作節(jié)點(diǎn)還要有D/A模塊或者I/O接口驅(qū)動(dòng)輸出控制閥門或者開(kāi)關(guān)啟停設(shè)備。結(jié)合所有輸油泵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)傳感器的共同特點(diǎn)及通用性，設(shè)計(jì)出的本系統(tǒng)的傳感器與控制節(jié)點(diǎn)硬件組成原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本系統(tǒng)的所有的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)基本等同于傳感器節(jié)點(diǎn)，其原理圖類似，但是它沒(méi)有傳感器芯片，并且多了一個(gè)與本地物聯(lián)網(wǎng)工控機(jī)進(jìn)行通信的RS485接口、本地顯示模塊、按鍵處理模塊。另外為了保證協(xié)調(diào)器持續(xù)工作，其供電采用持續(xù)直流外接電源，傳感器節(jié)點(diǎn)的電源采用干電池。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要組成模塊包括：TI CC2530 ZigBee模塊（8051）、持續(xù)Power管理模塊、USB調(diào)試接口、天線模塊以及RS485通信模塊、LCD顯示模塊、按鍵KEY處理模塊等。

3 輸油泵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輸油泵物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件包括傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)底層軟件設(shè)計(jì)、本地控制中心應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)以及遠(yuǎn)程控制層移動(dòng)APP程序設(shè)計(jì)。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)傳感器與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)都是基于TI公司CC2530協(xié)議棧與內(nèi)置8051單片機(jī)MCU編程，其內(nèi)部定義函數(shù)和調(diào)用有很多相似的地方[2]。底層軟件使用仿真器下載，首先要設(shè)置好模塊運(yùn)行的常規(guī)參數(shù)：如地址、信道號(hào)、網(wǎng)絡(luò)號(hào)等，然后下載協(xié)議棧單片機(jī)程序。

傳感器節(jié)點(diǎn)程序工作流程為：①節(jié)點(diǎn)上電后，加入所在ZigBee子網(wǎng)。②節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器讀寫信號(hào)時(shí)由睡眠轉(zhuǎn)入激活狀態(tài)，每隔一定的周期，采集數(shù)據(jù)然后A/D轉(zhuǎn)換，并且本地存儲(chǔ)。③節(jié)點(diǎn)每隔一定的周期，與協(xié)調(diào)器通信向其傳輸數(shù)據(jù)，若有必要并執(zhí)行控制輸出。④節(jié)點(diǎn)自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗的休眠狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序工作流程描述如下：①節(jié)點(diǎn)上電后初始化ZigBee子網(wǎng)，允許傳感器節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)。②周期性地喚醒傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)或根據(jù)油泵工藝發(fā)出控制指令。③LCD顯示屏顯示數(shù)據(jù)與動(dòng)態(tài)曲線。④Key參數(shù)設(shè)置和操控中斷響應(yīng)處理。⑤RS485中斷通信響應(yīng)處理。

3.2 本地中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

本地中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用層軟件采用面向?qū)ο蟮腄elphi XE 編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用Paradox 7。設(shè)計(jì)的模塊主要有：協(xié)調(diào)器RS485通信收發(fā)處理模塊、油泵數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理模塊、油泵工藝運(yùn)行顯示模塊、油泵動(dòng)態(tài)曲線顯示模塊、油泵故障參數(shù)設(shè)置模塊、遠(yuǎn)程TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信處理模塊等。系統(tǒng)運(yùn)行的主工藝畫面如圖3所示。

3.3 遠(yuǎn)程控制層移動(dòng)APP軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程終端APP軟件主要運(yùn)行在遠(yuǎn)程控制層手機(jī)終端與平板電腦終端或者辦公PC機(jī)，手機(jī)或者平板運(yùn)行的環(huán)境為Android 4.0以上，PC機(jī)軟件基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。遠(yuǎn)程系統(tǒng)的操作用戶有企業(yè)管理員、普通操作員、油泵設(shè)備安全員等，系統(tǒng)采用基于角色的訪問(wèn)機(jī)制，不同的用戶角色所見(jiàn)到的界面不一樣，所完成的任務(wù)也不同。系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)劃分跟本地中心計(jì)算機(jī)應(yīng)用層軟件類似，另外其跟應(yīng)用層采用TCP/IP協(xié)議創(chuàng)建Socket編程通信。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文論述的采用自頂而下分4層方式設(shè)計(jì)輸油泵物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，它將油田企業(yè)長(zhǎng)距離輸油泵設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量與控制變得安全可靠、效率更高，為類似的廠礦企業(yè)遠(yuǎn)程設(shè)備管理提供了較好的設(shè)計(jì)模型，具有非常高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊盛泉，劉海泉，劉白林.ZigBee與RS485混合網(wǎng)絡(luò)的糧情監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，36（9）：750-756.

[2]陳自剛.基于CC2530的煤礦氣體監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)[J].南陽(yáng)理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，8（6）：1-4.

[3]趙宏林，廉小親，郝寶智，等.基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的空調(diào)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2017，38（1）：265-270.