基于LonWorks技術的油田計量站監(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場環(huán)境，設計了一套基于LonWorks技術的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)。實驗結果表明系統(tǒng)具有可監(jiān)控性能好，可靠性高，成本低，易于擴展等特點。
關鍵詞：現場總線；LonWorks；數據采集；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數據、采集設備的工況信息、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場信號的采集，或者通過專門的RTU完成現場的數據采集和控制，然后傳送到計量站。生產管理部門通過計量站來獲得整個原油開采的生產數據以及設備工作狀態(tài)等信息，然后進行協(xié)調管理。因此計量站是油田生產不可缺少的環(huán)節(jié)之一。
早期的油田計量站大多數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，生產數據統(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，方便生產管理，提高生產效率的目的，本文提出了一種基于LonWorks技術的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)。考慮到油田計量站的特殊現場環(huán)境，系統(tǒng)采用了自由拓撲結構，現場節(jié)點分散自治，以網絡通信的方式實現分散基礎上的融合，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，安裝維護十分方便。
LonWorks技術自90年代ECHELON公司推出以來已經被廣泛的應用于工業(yè)控制、智能建筑、交通運輸、能源、環(huán)境檢測等領域。LonWorks網絡控制技術在控制系統(tǒng)中引入了網絡的概念，在該技術的基礎上，可以方便的實現分布式的網絡控制系統(tǒng)。并使得系統(tǒng)更高效、更靈活、更易于維護和擴展。
LonWorks技術應用于工業(yè)監(jiān)控可以降低工程造價，提高綜合效益，對系統(tǒng)擴展、現場設備的更新?lián)Q代和降低系統(tǒng)的維護費用、提高現場監(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)的結構和功能
針對油田計量站現場的具體情況：需要對現場采油井進行監(jiān)控，對計量站內輸油管道的流量，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。通過對現場實際情況的考察和分析發(fā)現遠端采油現場監(jiān)控點分布十分分散，單個監(jiān)控點信息量不大，有著完善的供電設施；計量站內部則監(jiān)控點多，信息量大，安全性能要求十分嚴格。因此，系統(tǒng)總體設計上采用多級通信網絡，多種傳輸介質相結合的通信方式。采油現場監(jiān)控采用5.4Kbps電力線載波通信；計量站內部使用78K bps雙絞線信道；計量站與各生產管理部門之間采用10M/100M自適應以太網；為了簡化布線復雜度，便于現場施工，系統(tǒng)的網絡拓撲結構為自由拓撲。整個系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構框圖
LonWorks油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個多級通信的網絡監(jiān)控系統(tǒng)，分為現場監(jiān)控層和管理層。
現場監(jiān)控層實現的具體功能有：
（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） 站內可燃氣體濃度報警，防盜。
監(jiān)控計算機通過PCNSS LonTalk網卡連接到LON網絡，與現場總線測控節(jié)點進行數據交換，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） 與現場監(jiān)控層各節(jié)點應用程序相配合，實現數據的測量、記錄和控制功能。
（2） 各個測量回路的參數，采樣周期，警戒線的設定等。
（3） 接收監(jiān)控報警信號進行多媒體聲、光報警提示。
（4） 對生產數據進行統(tǒng)計，顯示實時統(tǒng)計曲線或歷史統(tǒng)計曲線，打印相關的生產數據報表。
（5） 與上級生產管理部門進行數據交換。

現場測控節(jié)點的硬件構成
實現整個油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)的關鍵就是各種現場監(jiān)控節(jié)點的設計。LonWorks監(jiān)控節(jié)點一般有兩種設計思路：一種是基于ECHELON提供的控制模塊的設計方法，用戶只需要擴展自己的外圍應用電路，開發(fā)自己的應用程序；另一種是基于神經元芯片的設計方法，用戶自主完成由控制到應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)點設計采用后一種方法進行監(jiān)控節(jié)點的開發(fā)。圖2是現場監(jiān)控節(jié)點的通用結構框圖。

圖2 監(jiān)控節(jié)點通用結構框圖
監(jiān)控節(jié)點主要由核心控制器、存儲模塊、復位模塊、網絡通信電路、輸入信號調理電路、輸出信號調理電路組成。核心控制器采用ECHELON的神經元芯片NEURON3150，該芯片是LonWorks網絡技術的核心，它內部集成了3個CPU，固化了LonTalk網絡通信協(xié)議，芯片固件自動完成網絡上的數據通信。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，當電源發(fā)生突變時保證節(jié)點正常復位。監(jiān)控節(jié)點的通信信道分為兩種不同的類型，遠端采油現場采用PLT-22電力線收發(fā)器實現電力線載波通信，計量站內監(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理電路隨著現場的傳感器信號的不同有著相當大的差別，現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)點硬件設計的復雜度，我們把以上幾種信號概括為：模擬信號和數字信號兩類，對模擬輸入信號和數字輸入信號的調理電路分別進行設計[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準的0-40mA電流信號，在節(jié)點上設計250歐姆的精密電阻實現0-40mA電流信號到0-5V電壓信號的轉換，電壓信號經過多路轉換，濾波，模數轉換然后進入神經元芯片。
多路選擇采用八選一的模擬多路通道AD7501，A/D轉換器選用TLC1549，這種A/D轉換器的轉換精度是10bit，能夠滿足一般的工業(yè)應用，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，調理過程包括電橋輸出信號的放大、濾波以及模數轉換。
流量計輸出的脈沖頻率信號在進行多路選擇后，經過限幅、反向保護、整形調理，然后直接供神經元芯片的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）脈沖計數輸入對象可通過技術0.8388608s時間內的輸入邊沿，測量輸入信號的平均頻率。
（3）總數輸入對象通過定時計數器記錄輸入信號的上升沿或下降沿跳變總數，當FT3150采用10MHz晶振時輸入信號的最大頻率是2.5MHz。
輸出信號的調理電路提供所需的模擬控制信號（經過模數轉換，多路選通、放大電路進行調理）或開關量控制信號（光電隔離、繼電器輸出），以達到遠程控制現場設備的目的，如：采油井抽油泵，注水泵的開關控制等。
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，不需要外加供電設施，節(jié)點將220V交流電壓轉變?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。計量站內的監(jiān)控節(jié)點采用+5V模塊電源供電。為保證生產安全，所有工作在現場的監(jiān)控節(jié)點都安置在防爆盒內，設計上杜絕電火花的出現。
不同的傳感器通道設計了不同的采樣率，對于蒸汽壓力傳感器采集率是60次/分，而對于一般的數據，采集率為10次/分。

系統(tǒng)軟件
監(jiān)控節(jié)點的應用程序采用NEURON C語言編寫，并使用LONBUILDER 開發(fā)工具進行調試。應用程序中設定了采樣周期定時器，實現周期性采樣和周期性輸出網絡變量的更新。使用LONBUILDER開發(fā)工具進行網絡變量綁定后，就可以通過網絡變量來實現監(jiān)控信息在LON網絡上傳遞。定時器的設置隨傳感器的不同而略有變化，主要根據事先的分析做出調整，如蒸汽壓力采集節(jié)點，定時器就設置較小的值。而溫度采集節(jié)點就相應的設置為較大的值。流量采集節(jié)點定時器的設置應根據實際的計算得出。
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，用戶學習使用十分方便。與Excel數據庫的結合使得用戶可以方便的完成生產數據的統(tǒng)計和數據報表的打印等功能。程序不但可以實時顯示生產數據的統(tǒng)計曲線，還可以提供多媒體聲光報警。

結語
本文針對油田計量站生產管理的具體需要，設計和實現了基于LonWorks現場總線技術的油田計量站監(jiān)測管理系統(tǒng)，自行開發(fā)了基于神經元芯片的監(jiān)控節(jié)點，通過監(jiān)控計算機實現了數據的顯示、存儲、統(tǒng)計、報表打印以及多媒體報警等功能。該系統(tǒng)以應用于長慶油田某計量站，實驗結果表明，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，提高了生產效率，還為整個生產管理提供了很大的方便。

參考文獻：
1.  湯同奎，隔離多通道LonWorks數據采集節(jié)點的設計[J]，化工自動化及儀表，1999.2