(海思LonWorks系統工程部提供)
核心提示：LonWorks網絡技術在構建分布式控制網絡方面杰出的特性，使其非常適合用于油田自動化控制系統現場網絡建設。
關鍵詞：LonWorks，分布式，控制網絡，油田自動化，監控系統
一、概述
在原油開采過程中，需要獲取現場各項生產數據、采集各種設備的工況信息，同時，地下油、氣、水的變化信息數據也十分重要。工程現場通常有二種工作模式：一是由計量站的工控機完成下屬的采油井和注水井等現場信號的采集；二是通過專門的RTU完成現場的數據采集和控制，然后傳送到計量站。油田生產管理部門則通過計量站來獲得整個原油開采的生產數據，以及設備工作狀態等信息，進行協調管理。
油田生產環境比較艱苦,采油工作人員的勞動強度非常高,工作時間也十分長，人工抄表存在監控實時性差、容易出錯，生產數據統計困難等問題。LonWorks技術具有較好的實時性、可靠性和本征安全性，以及其構建分布式控制系統的優越性，上位機軟件采用圖形化界面操作，布線、施工及維護便捷性等，使其十分適合建設油田開采監控系統。
LonWorks技術應用于油田監控系統可以降低工程造價，提高綜合效益，對系統擴展、現場設備的更新換代和降低系統的維護費用、提高現場監控的可靠性創造了很好的條件。
二、LonWorks油田監控系統結構和功能
現場采油井監控、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等是必須的。另外，安全報警信息，如鍋爐壓力過大、消防水罐液位偏高等信息必須上傳。遠端采油現場監控點分布十分分散，單個監控點信息量不大，有著完善的供電設施，計量站內部則監控點多，信息量大，安全性能要求十分嚴格。因此，系統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，系統的網絡拓撲結構為自由拓撲。LonWorks油田監控系統是一個多級通信的網絡監控系統，分為現場監控層和管理層。
（一）現場監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測報警。
（4） 油罐、消防水罐液位的監測報警。
（5） 站內可燃氣體濃度報警,防盜。
監控計算機通過PCNSS LonTalk網卡連接到LON網絡,與現場總線測控節點進行數據交換,通過Internet與上級管理部門進行通信。
（二）管理層監控計算機的主要功能：
（1） 與現場監控層各節點應用程序相配合,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） 對生產數據進行統計,顯示實時統計曲線或歷史統計曲線,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。
（三）現場測控節點的硬件構成
實現整個油田計量站監測管理系統的關鍵就是各種現場監控節點的設計。LonWorks監控節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。由于ECHELON的控制模塊價格比較昂貴,為了降低系統成本,節點設計采用后一種方法進行監控節點的開發。
監控節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。為了保證節點的正常工作,節點采用DS1233來監測節點電源,當電源發生突變時保證節點正常復位。監控節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電力線收發器實現電力線載波通信,計量站內監控節點采用雙絞線收發器。
功能不同的監控節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。
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,監控節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。
遠端電力線載波監控節點掛接在220V照明用電纜上進行通信,不需要外加供電設施,節點將220V交流電壓轉變為NEURON3150的直流+5工作電壓和PLT-22電力線收發器的直流+12V工作電壓。計量站內的監控節點采用+5V模塊電源供電。為保證生產安全,所有工作在現場的監控節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。
四、系統軟件
監控節點的應用程序采用NEURON C語言編寫,并使用LONBUILDER 開發工具進行調試。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開發工具進行網絡變量綁定后,就可以通過網絡變量來實現監控信息在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,如蒸汽壓力采集節點,定時器就設置較小的值。而溫度采集節點就相應的設置為較大的值。流量采集節點定時器的設置應根據實際的計算得出。
上位機監控管理軟件采用Visual Basic 高級編程語言進行開發,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計曲線,還可以提供多媒體聲光報警。
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