微波原油含水率檢測(cè)儀與油田PCS通信的ZigBee實(shí)現(xiàn)

劉曉軍 秦紅杰 方浩 孟敏

1. 中石化河南油田分公司采油一廠，河南南陽(yáng) 474780；2. 江蘇麥赫物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇無(wú)錫 214603

0 前言

油田信息化管理是把生產(chǎn)監(jiān)控作為重要手段，以完成數(shù)據(jù)采集、動(dòng)態(tài)分析和自動(dòng)化控制為目的，全面實(shí)現(xiàn)油田可視化、數(shù)字化、智能化的一種管理模式[1]。井口壓力、溫度、功圖、位移、含水率和現(xiàn)場(chǎng)圖像等數(shù)據(jù)采集是實(shí)現(xiàn)信息化的重要基礎(chǔ)。

一般井口各設(shè)備數(shù)據(jù)上傳過(guò)程：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備將數(shù)據(jù)送至RTU（Remote Terminal Unit）模塊，RTU負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)服務(wù)器，并將后臺(tái)服務(wù)器發(fā)出的指令送到相應(yīng)設(shè)備。目前井口各設(shè)備與RTU之間的連接主要分有線和無(wú)線2種方式：有線方式主要使用RS485總線；無(wú)線方式則是利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)。本文介紹微波原油含水率檢測(cè)儀的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)方法。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是采用IEEE802.15.4的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)[2]，是一種適用于短距離和低速率下小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù)，有低功耗、低成本、低復(fù)雜度和容納節(jié)點(diǎn)多（一個(gè)網(wǎng)絡(luò)理論上可支持65,536個(gè)）等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。缺點(diǎn)主要有：無(wú)線頻率容易受到干擾；各個(gè)ZigBee廠商協(xié)議棧太多或版本不兼容，造成各種ZigBee模塊不能互相通信。

針對(duì)油井來(lái)說(shuō)，采集的數(shù)據(jù)基本在20 m范圍之內(nèi)，并且空曠，部分功耗小的設(shè)備可用電池供電，適合采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

2 微波原油含水率檢測(cè)儀

本文介紹的原油含水率檢測(cè)儀能夠測(cè)量原油中0%～100%含水率。其主要特點(diǎn)是采用微波在線測(cè)量方式，根據(jù)原油與水介電常數(shù)的巨大差異，對(duì)比微波速度變化測(cè)算出原油含水率[5]。

3 PCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖1為PCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。中心控制室與現(xiàn)場(chǎng)各種儀表設(shè)備的通信通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)器和現(xiàn)場(chǎng)RTU配合工作，達(dá)到操作員與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)透明傳輸、實(shí)時(shí)控制的功能。歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于服務(wù)器上，供用戶(hù)隨時(shí)調(diào)閱查詢(xún)。圖1中的通信模塊用于連接到2G/4G通信基站。

4 硬件設(shè)計(jì)情況

微波原油含水率檢測(cè)儀中實(shí)現(xiàn)信號(hào)上傳的主要硬件為MCU（Micro controller Unit）和ZigBee模塊。其中，MCU選用意法半導(dǎo)體STM32F103C8T6芯片，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，性能強(qiáng)大；ZigBee模塊采用廈門(mén)四信通信科技有限公司的F8913D，其遵循中石化四化標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議規(guī)范SZ9-GRM V3.01，具備中繼路由和終端設(shè)備功能，最長(zhǎng)報(bào)文可達(dá)300 Bytes。MCU和F8913D的接線連接如圖2所示。

F8913D和MCU有3個(gè)引腳相連：RST是模塊復(fù)位腳，為防止F8913D死機(jī)，需要在程序中檢測(cè)通信回應(yīng)報(bào)文，當(dāng)檢測(cè)到3次無(wú)應(yīng)答報(bào)文時(shí)，則控制此信號(hào)進(jìn)行模塊復(fù)位；RX是通信接收，TTL電平，連接到UART1_TX；TX是通信發(fā)送，TTL電平，連接到UART1_RX。串口通信波特率設(shè)置為9600，起始位1，數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗(yàn)位無(wú)。

5 通信實(shí)現(xiàn)

5.1 通信參數(shù)設(shè)置

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信中有3個(gè)重要參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)號(hào)、信道號(hào)和地址。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有唯一的標(biāo)識(shí)符PAN ID（網(wǎng)絡(luò)號(hào)），因此，F(xiàn)8913D必須與RTU的協(xié)調(diào)器信道號(hào)一致。首先確定網(wǎng)絡(luò)號(hào)和信道號(hào)，根據(jù)中石化四化標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議SZ9-GRM V3.01規(guī)定確認(rèn)這2個(gè)參數(shù)：將油井名稱(chēng)做CRC16校驗(yàn)，以校驗(yàn)碼為網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)，信道號(hào)為ID號(hào)對(duì)16取余再加11。網(wǎng)絡(luò)號(hào)和信道號(hào)設(shè)置到RTU協(xié)調(diào)器和檢測(cè)儀中保存，地址按RTU規(guī)定設(shè)置。

5.2 數(shù)據(jù)通信

RTU和原油含水率檢測(cè)儀之間的數(shù)據(jù)通信過(guò)程如圖3所示。

RTU接收到常規(guī)數(shù)據(jù)后，發(fā)送常規(guī)應(yīng)答，結(jié)束本次通信，儀表進(jìn)入休眠。休眠時(shí)間在應(yīng)答數(shù)據(jù)中體現(xiàn)，若RTU沒(méi)有應(yīng)答，儀表不做重發(fā)處理。本含水儀不休眠，按RTU給的休眠時(shí)間定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

5.3 ZigBee模塊命令設(shè)置

MCU對(duì)F8913D的命令設(shè)置是通過(guò)AT命令實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和通信協(xié)議確定使用表1所示命令。

其中，1至10號(hào)命令是在使用模塊前由USB-TTL線通過(guò)串口設(shè)置到ZigBee模塊中，11、12號(hào)命令在儀表啟動(dòng)后根據(jù)存儲(chǔ)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置[6]。

表1 AT命令使用表

5.4 ZigBee通信程序?qū)崿F(xiàn)步驟

（1）初始化程序。程序啟動(dòng)時(shí)按參數(shù)中網(wǎng)絡(luò)號(hào)和信道號(hào)對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行設(shè)置；

（2）檢測(cè)和處理主程序。在主程序中一旦檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)號(hào)或信道號(hào)參數(shù)改變，需要重新對(duì)ZigBee模塊進(jìn)行設(shè)置。圖4顯示了信道號(hào)改變處理流程，網(wǎng)絡(luò)號(hào)處理與此類(lèi)似；

圖中AT命令操作部分流程邏輯采用不同標(biāo)記狀態(tài)來(lái)控制，減少等待時(shí)間占用MCU。串口接收發(fā)送用中斷，使用定時(shí)器返回判斷等待時(shí)間，在主程序大循環(huán)中，根據(jù)標(biāo)記來(lái)查看串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，確定本次AT命令是否返回正確；

（3）定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文程序。MCU按休眠時(shí)間間隔周期，通過(guò)F8913D模塊向RTU發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。

5.5 報(bào)文實(shí)例和解析

微波原油含水率檢測(cè)儀發(fā)送報(bào)文：

00 01 A0 12 30 12 00 01 00 00 0014 00 FF 00 FE 00 FD 00 FF 01 00 03 EC 04 EE 03 EC 04 EE

斜體部分為幀頭數(shù)據(jù)報(bào)文，后面為數(shù)據(jù)內(nèi)容，解析方式如表2和表3所示。

用戶(hù)實(shí)際使用分鐘含水率，每次發(fā)送報(bào)文后收到“OK”回復(fù)；若3次接收不到，則認(rèn)為ZigBee模塊死機(jī)，重新啟動(dòng)模塊。

6 結(jié)束語(yǔ)

軟件使用Keil MDK5編制，成功實(shí)現(xiàn)微波原油含水率檢測(cè)儀與RTU通信，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，并在油田PCS系統(tǒng)顯示。目前設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)正常運(yùn)行超過(guò)2年，充分驗(yàn)證了本方案的實(shí)用性和可靠性。先進(jìn)的原油含水率測(cè)量方法與低成本、高可靠的數(shù)據(jù)通訊方式有機(jī)結(jié)合，為油田無(wú)人化監(jiān)測(cè)提供了成功且有益的嘗試，為今后各類(lèi)石油儀表傳感器智能化探索了道路。

表3 數(shù)據(jù)內(nèi)容報(bào)文解釋