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基于C8051F930的管道温度压力远程监测系统
张亚南 刘润华 游永智
摘要:为解决输油管道温度压力参数实时监测的问题,设计了以C8051F930单片机作为控制核心的超低功耗输油管道温度压力远程监测系统。现场仪表使用高精度电桥采集数据,通过433MHz短距离无线通信网络与远程终端RTU进行通信,RTU通过GPRS网络与PC上位机进行远程数据传输,在上位机中实现数据存储和图形化界面显示,从而实现输油管道温度压力参数的实时监测和异常报警。经实验证明,该系统的12位数据采集精度满足设计要求,漏码率小于l%,正常工作时间超过5个月,能实时有效地监测输油管道的温度压力参数,节省大量人工成本,有效预防管道参数异常造成的经济损失和环境污染。
Abstract:
Key words :

在油田生产运输过程中,温度与压力是两个重要参数。在油品管道传输过程中由于温度异常造成的油品凝固、丢油漏油造成的压力异常等情况需进行及时处理,以免造成重大经济损失和环境污染。
传统温度压力监测主要使用模拟仪表,依赖人工抄表的方式进行,具有严重的滞后性,并需要人工巡视和抄表,工作量大、效率低下、精确度低。
本文设计了一种输油管道温度压力参数无线采集系统,通过微功率无线通信方式组成小规模星形短距离通信网络,并使用GPRS(通用无线分组业务)进行数据远程传输。利用GPRS网络远程传送数据,不受时间、地点、距离的限制,可以解决分散数据集中处理的问题,且具有覆盖范围广,数据传输快,通信质量高,永远在线和按流量计费等优点。在PC上位机中进行数据存储与图形界面显示,方便对输油管道温度压力参数实时监控,节省人工成本,可以克服传统监测方式的种种弊端。

1 系统总体设计及工作原理
本系统包含由现场仪表计量站远程终端RTU构成的下位机子系统和由中控室PC机构成的上位机子系统。下位机子系统每个远程终端RTU对应多块现场仪表,通过433 MHz微功率无线通信方式组成星形通信网络。上位机子系统通过GPRS与下位机子系统进行通信,实现数据的远程传输、分类存储、实时显示、异常报警。系统整体结构如图1所示。


本系统中,温度压力传感器输出信号通过电桥转化为差压信号,经调理送入C8051F930处理器进行A/D转换,通过串口将数据发送到微功率无线通信模块与RTU进行通信。RTU将接收到的数据通过GPRS直接转发到上位机,并在上位机中进行数据存储和实时显示。

2 系统硬件设计
2.1 现场仪表
现场仪表主要实现现场数据的定时采集、初步处理,并及时向RTU无线发送采集到的现场数据。现场仪表安装在计量站入口输油管道中,由于不方便安装供电装置,因此必须采用电池供电。为保证电池使用寿命,减少更换次数,节省人工和成本,提高运行效率,必须对整个现场仪表进行全面低功耗设计,所选器件均必须满足低功耗要求。整个现场仪表大部分时间应该处于低功耗休眠状态,仅在定时唤醒后完成数据采集和相关指令操作,之后再次进入休眠,保证其长时间稳定运行。
C8051F系列单片机是Silicon Labs公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU,精简指令集结构,大多数指令可以在一个时钟周期内完成。C8051F930带有2个UART串口、4 352字节的内部数据RAM和64KB的Flash程序存储器。该单片机内置20 MHz低功耗振荡器,仅需很小偏置电流;典型休眠电流小于50 nA,休眠唤醒时间小于2 μs,较MSP430系列单片机功耗更低。C8051F930内置10位A/D转换器,外部23路A/D转换器输入且具有突发方式的16位自动平均累加器(过采样技术),可增加的A/D转换器分辨率同时保证在突发唤醒后迅速正确地采集数据,A/D转换器允许输入的最大电压为2.43 V。故选择C8051F930作为控制核心。
温度测量选择了温压一体式传感器SCB3111。该传感器使用了溅射薄膜压力敏感元件,内部使用金属应变电桥和温度敏感电阻测量压力和温度数据,该传感器响应速度快、测量精度高,有利于休眠唤醒后及时采集到正确数据,减少工作时间,降低功耗。
传感器的输出信号采用高速度高性能的仪用放大器AD623进行信号调理放大,该运放采用差分输入,特别适用于电桥输出电路,并且仅通过一个外接电阻即可实现1~1 000的增益调整。放大倍数设定为40倍,故放大系数电阻选择2.55 kΩ高精度电阻,则传感器最大输出后放大的信号可接近2.43 V。数据采集电路原理图如图2所示。


在油田现场,远程终端RTU与现场仪表的距离较近,可使用433 MHz或2.4 GHz的近距离无线通信系统。相对于2.4 GHz的载波频率,433 MHz无线通信系统的载波波长更长,因此传输距离更远,并且具有一定穿越墙体等障碍的能力,适用范围广。选用433MHz的基于CC1100的SM41 B型微功率无线通信模块,该模块在休眠状态时电流小于25μA,在3 V电压条件下最大发送电流小于25 mA,满足低功耗的要求。
为更大程度地降低功耗,现场仪表使用可关闭电源器件MAX619供电。该器件输入电压为2~3.6 V,输出为5 V,且输出可关闭。因此休眠时直接关闭NAX619电压输出,切断电桥和运放电源,将功耗降到最低。现场仪表的硬件设计结构如图3所示。


2.2 远程终端RTU的硬件设计
远程终端RTU位于计量站中,协调多个现场仪表的工作,收集现场仪表所采集的数据转发到中控室上位机系统,同时接收上位机指令并回传给现场仪表。RTU与现场仪表进行一对多通信,并随时准备接收上位机指令,不可进行休眠操作,故选择计量站中电源供电。RTU与上位机通信使用Q2406A型号GPRS模块,利用GPRS服务,设备可采用互联网Internet标准方式与互联网上的服务器进行数据交换,结构图如图4所示。



3 系统软件设计
3.1 现场仪表的软件设计

本设计采用低功耗软件设计方法,优化系统时钟,外部接32 768 Hz晶振作为MCU休眠辅助时钟;优化工作时序,由于无线通信模块SM41B待机时功耗远大于C8051F930正常工作功耗,所以采用非通信状态下随时关闭SM41B的方式来最大限度降低功耗。现场仪表的软件流程如图5所示。


现场仪表在上电之后对系统进行初始化,并检测是否第1次使用,若为第1次使用,便请求远程终端RTU分配地址,待地址分配结束之后进入正常工作流程。在仪表定时唤醒后,检查信道是否繁忙,若繁忙则休眠一个随机时间,若不繁忙,则通知RTU准备接收数据。在一定时间内得到RTU应答信号后开始采集数据,经打包处理后发送给RTU,发送结束得到RTU应答后进入休眠状态,等待定时唤醒。由于MCU仅带有10位A/D转换器,则采用过采样技术,将每4次采集的数据进行叠加,产生与12位A/D转换器数据采集相同效果。为防止休眠唤醒时电压不稳定造成数据采集误差,连续100次A/D转换采集数据取其平均。
3.2 远程终端RTU的软件设计
远程终端RTU程序开始运行后首先进行系统的初始化,之后等待接收上位机指令和现场仪表的请求。在接收到上位机指令后,对指令类型进行判断并向现场节点转发。在接到现场仪表的请求后判断请求类型并做响应,现场仪表第1次使用时为其分配地址;现场仪表请求发送数据时响应其请求并接收其采集数据,之后将数据打包转发到上位机。远程终端RTU的程序流程如图6所示。


3.3 上位机的软件设计
上位机软件开发使用Delphi7环境。上位机与GPRS模块通过网络端口连接,在Delphi7环境中,通过SocketClient控件实现网络访问和数据传输。在接收到GPRS中数据之后,对数据格式进行校验,若有误码则将数据包丢弃;校验正确后判断所采集数据是否异常,出现异常则报警处理,之后存储至SQLServer2000数据库中并在图形界面中绘图显示。在历史数据查询过程中,首先选择查询方式(按时间查询、按现场仪表地址查询或组合查询)和查询条件,在数据库中筛选出符合条件的结果在DBGrid控件中显示。可将查询结果以Excel文件形式保存或者绘制历史曲线。上位机软件流程如图7所示。



4 系统性能测试
4.1 AD623增益电阻选型测试
当AD623增益电阻选择996 Ω时,理论放大倍数为101.4,测试数据如表1所示。当AD623增益电阻选择2.541 kΩ时,理论放大倍数为40.35,测试数据如表2所示。


由测试数据可见,放大倍数越大,实际放大倍数与理论放大倍数差距越大,稳定性也不好,因此综合考虑采用2.55 kΩ电阻,放大40倍,以达到最佳放大效果。
4.2 通信可靠性测试
本系统设定每分钟采集一次数据,测试时间为24 h,测试对象为5块仪表,测试电源为3.6 V/1 200 mAh小型高能电池,具体测试结果如表3所示。


经实际测试,433 MHz无线网络隔墙通信24 h之内漏码率不足1%,且漏收数据时间不连续,基本可反映现场实时情况,满足可靠性和实时性要求。
4.3 功耗测试
整块现场仪表在正常工作时,电流小于25 mA。设定每分钟采集一次数据,每次工作时间小于300 ms;休眠时整机电流小于50μA,休眠时间为59.7 s。若采用1 200 mAh小型高能电池,理论工作时间可达6 867 h。经实际测试,正常工作时间超过5个月,满足低功耗设计要求。

5 结束语
本系统首先采用了C8051F930超低功耗混合信号片上系统型MCU,利用过采样技术使10位A/D转换器达到12位的采样精度。对现场仪表进行全面低功耗设计,采用各种低功耗芯片和低功耗供电模式,使电池在仪表中能工作更长时间,减少更换次数。采用433 MHz无线通信系统和GPRS网络相结合的无线通信方式,最大限度降低通信成本;优化组网方案,可方便地将现场仪表和远程终端RTU接入数据采集网络,方便统一管理,减少人力成本。现场仪表在休眠期间无法接收上位机指令,上位机指令可暂存于远程终端RTU中,待现场仪表定时唤醒后即可给其传输上位机指令,造成上位机指令执行有所延迟,但并不影响整体数据采集,在后续的工作中将致力于解决此问题。本系统使用的过采样技术对提高数据采集精度有一定的参考价值;组网方案对于小规模的无线通信系统组网具有一定的应用价值。
基于C8051F930的超低功耗输油管道温度压力无线监测系统,以低功耗单片机C8051F930为控制核心,以433 MHz无线通信系统和GPRS网络作为数据传输方式,实现了对输油管道温度压力参数的远程采集、无线传输、实时监控等功能。本系统价格低廉、组网方便、无需人工干预、使用寿命长,可广泛应用于各大油田计量站的监测。

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