基于LonWorks技术的油田计量站监测管理系统

                                       图2 监控节点通用结构框图  

监控节点主要由核心控制器、存储模块、复位模块、网络通信电路、输入信号调理电路、输出信号调理电路组成。核心控制器采用ECHELON的神经元芯片NEURON3150，该芯片是LonWorks网络技术的核心，它内部集成了3个CPU，固化了LonTalk网络通信协议，芯片固件自动完成网络上的数据通信。芯片外扩了32K的FLASH存储器，时钟频率为10MHz。为了保证节点的正常工作，节点采用DS1233来监测节点电源，当电源发生突变时保证节点正常复位。监控节点的通信信道分为两种不同的类型，远端采油现场采用PLT-22电力线收发器实现电力线载波通信，计量站内监控节点采用双绞线收发器。

功能不同的监控节点其输入输出信号调理电路随着现场的传感器信号的不同有着相当大的差别，现场传感器信号主要有： 0-5V的电压传感信号； 0-20mA电流传感；铂热电阻信号以及频率脉冲信号。为了简化节点硬件设计的复杂度，我们把以上几种信号概括为：模拟信号和数字信号两类，对模拟输入信号和数字输入信号的调理电路分别进行设计[4]。

压力传感器输出的是0-5V的电压信号，液位传感器输出的是标准的0-40mA电流信号，在节点上设计250欧姆的精密电阻实现0-40mA电流信号到0-5V电压信号的转换，电压信号经过多路转换，滤波，模数转换然后进入神经元芯片。

多路选择采用八选一的模拟多路通道AD7501，A/D转换器选用TLC1549，这种A/D转换器的转换精度是10bit，能够满足一般的工业应用，它的最大特点就是具有Neurowire同步串行接口，且整个芯片只有8个引脚，神经元芯片NEURON3150通过简单的编程定义即可配置其I/O口为同步串行接口，因而简化了接口电路的设计和软件编程。

对于温度传感器输出的电阻信号，监控节点采用三线电桥法进行测量，调理过程包括电桥输出信号的放大、滤波以及模数转换。

流量计输出的脉冲频率信号在进行多路选择后，经过限幅、反向保护、整形调理，然后直接供神经元芯片的I/O口采集。NEURON3150的I/O可以配置为34种不同的工作方式，其中有三种可以用来实现对频率信号的采集。以下分别给出这三种I/O对象的配置方式：

（1）周期输入对象:可测量输入信号两个上升沿或两个下降沿之间的时间间隔。当FT3150采用10MHz晶振时周期输入对象的分辨率是25.6us。

（2）脉冲计数输入对象可通过技术0.8388608s时间内的输入边沿，测量输入信号的平均频率。

（3）总数输入对象通过定时计数器记录输入信号的上升沿或下降沿跳变总数，当FT3150采用10MHz晶振时输入信号的最大频率是2.5MHz。

输出信号的调理电路提供所需的模拟控制信号（经过模数转换，多路选通、放大电路进行调理）或开关量控制信号（光电隔离、继电器输出），以达到远程控制现场设备的目的，如：采油井抽油泵，注水泵的开关控制等。

远端电力线载波监控节点挂接在220V照明用电缆上进行通信，不需要外加供电设施，节点将220V交流电压转变为NEURON3150的直流+5工作电压和PLT-22电力线收发器的直流+12V工作电压。计量站内的监控节点采用+5V模块电源供电。为保证生产安全，所有工作在现场的监控节点都安置在防爆盒内，设计上杜绝电火花的出现。

不同的传感器通道设计了不同的采样率，对于蒸汽压力传感器采集率是60次/分，而对于一般的数据，采集率为10次/分。

系统软件

监控节点的应用程序采用NEURON C语言编写，并使用LONBUILDER 开发工具进行调试。应用程序中设定了采样周期定时器，实现周期性采样和周期性输出网络变量的更新。使用LONBUILDER开发工具进行网络变量绑定后，就可以通过网络变量来实现监控信息在LON网络上传递。定时器的设置随传感器的不同而略有变化，主要根据事先的分析做出调整，如蒸汽压力采集节点，定时器就设置较小的值。而温度采集节点就相应的设置为较大的值。流量采集节点定时器的设置应根据实际的计算得出。

上位机监控管理软件采用Visual Basic 高级编程语言进行开发，具有友好的图形用户界面和完整的使用帮助文档，用户学习使用十分方便。与Excel数据库的结合使得用户可以方便的完成生产数据的统计和数据报表的打印等功能。程序不但可以实时显示生产数据的统计曲线，还可以提供多媒体声光报警。

结语  

本文针对油田计量站生产管理的具体需要，设计和实现了基于LonWorks现场总线技术的油田计量站监测管理系统，自行开发了基于神经元芯片的监控节点，通过监控计算机实现了数据的显示、存储、统计、报表打印以及多媒体报警等功能。该系统以应用于长庆油田某计量站，实验结果表明，系统不仅节约了劳动力，降低了油田工作人员的工作强度，提高了生产效率，还为整个生产管理提供了很大的方便。