基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器在油田中的應(yīng)用

何錘（中海油田服務(wù)股份有限公司 天津市 300452）

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network WSN）在工業(yè)領(lǐng)域以及軍事領(lǐng)域都有良好的發(fā)展前景，如今隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)逐漸的趨于完善，但是就現(xiàn)階段而言，有線變送器的應(yīng)用仍然比較普遍，特別是二線制4-20mA HART儀表，在很多領(lǐng)域中仍被廣泛使用，在這種情況下，如何將二線制4-20mA HART儀表接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)成為了人們關(guān)注的一項(xiàng)焦點(diǎn)問(wèn)題，筆者在此就以二線制4-20mA HART儀表為例，探討基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器在油田中的應(yīng)用，本文研究?jī)?nèi)容具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、功能需要

在工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，智能無(wú)線適配器是一種重要的擴(kuò)展設(shè)備，能夠使有線HART設(shè)備接入無(wú)線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，智能無(wú)線適配器能夠獲取智能信息，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，十分簡(jiǎn)潔，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障之前，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，避免損失，總體而言，想要應(yīng)用到油田開(kāi)采平臺(tái)之中，智能無(wú)線適配器需要滿足以下功能。

1.不需要額外供電就可以使二線制4-20mAHART儀表接入工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

2.能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷以及報(bào)警功能，避免長(zhǎng)時(shí)間停工。

3.實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備以及過(guò)程的健康狀況以及使用性能進(jìn)行高級(jí)診斷。

4.實(shí)現(xiàn)主動(dòng)性維護(hù)，節(jié)省時(shí)間和成本。

5.獲得額外的工程變量，取得更多的過(guò)程信息，

二、構(gòu)架

1.硬件構(gòu)架

智能無(wú)線適配器的硬件構(gòu)架主要包括四個(gè)組成部分，即處理器模塊、HART通訊模塊、電源管理模塊、無(wú)線通信模塊，并且智能無(wú)線適配器中的各個(gè)單元均是獨(dú)立運(yùn)作，節(jié)電設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)清晰，維護(hù)起來(lái)十分便捷，節(jié)點(diǎn)工作的堅(jiān)強(qiáng)性也得到了很大提升。

在適配器實(shí)際運(yùn)作的過(guò)程中，HART通訊模塊能夠采集HART總線信號(hào)，并且可以完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，在設(shè)計(jì)HART模塊的過(guò)程中，要滿足通用HART標(biāo)準(zhǔn)，此外還要實(shí)施HART總線檢測(cè)，獲取其健康信息，進(jìn)而充分了解儀表的信息。處理器模塊能夠?qū)φ麄€(gè)節(jié)點(diǎn)的操作進(jìn)行控制，可以處理以及儲(chǔ)存自身所采集的信息，也能夠處理和儲(chǔ)存其它節(jié)點(diǎn)傳輸來(lái)的信息。無(wú)線通信模塊能夠與其它節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，可以收發(fā)采集信息，也能夠交換控制信息。電源管理模塊主要提供節(jié)點(diǎn)運(yùn)行需要的能量。

2.軟件構(gòu)架

在軟件設(shè)計(jì)中，智能無(wú)線適配器主要應(yīng)用了實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)，總體而言，智能無(wú)線適配器的軟件構(gòu)架主要包括3個(gè)部分，即嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核層、系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)層、用戶應(yīng)用層。

其中嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核層包含了內(nèi)存管理模塊、調(diào)度管理模塊、驅(qū)動(dòng)功能模塊、設(shè)備管理模塊等，由底層的驅(qū)動(dòng)功能模塊為其它子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)層主要是與操作系統(tǒng)相互結(jié)合，為用戶應(yīng)用層提供相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而操作硬件動(dòng)作，并且系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)層可以配合業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)電源監(jiān)測(cè)、壓降控制、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、電壓檢測(cè)、通訊協(xié)議解析等功能。

用戶應(yīng)用層包含應(yīng)用程序以及程序接口，應(yīng)用程序可以依據(jù)用戶的需求，實(shí)現(xiàn)信息的采集和傳輸，同時(shí)也提供功能模塊，便于編程，程序接口則是應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)之間的紐帶，能夠向應(yīng)用程序提供基本庫(kù)接口以及系統(tǒng)調(diào)用接口。

三、技術(shù)應(yīng)用

1.回路取電技術(shù)

要想將智能無(wú)線適配器應(yīng)用到油田生產(chǎn)當(dāng)中，首先必須要解決現(xiàn)場(chǎng)電源問(wèn)題，如果增加電源，那么布線成本以及電能成本會(huì)增多，如果采取電池供電，會(huì)帶來(lái)電池漏液等風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也會(huì)影響智能無(wú)線適配器的使用壽命，基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器解決了這一問(wèn)題，采用先進(jìn)的4-20mA回路供電技術(shù)，對(duì)回路設(shè)備的增長(zhǎng)運(yùn)作沒(méi)有任何干擾，而且節(jié)省能源，節(jié)約成本，基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器不需要電池供電，安裝在設(shè)備上即可，將其應(yīng)用于油田開(kāi)采平臺(tái)之中，可以在原有的控制結(jié)構(gòu)下，使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。另一方面，保護(hù)電路中具有浪涌保護(hù)、反接保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等電路，能夠保證電流環(huán)路的安全，環(huán)路壓降控制電路能夠檢測(cè)電流回路，獲取電流值數(shù)據(jù)，將環(huán)路壓降控制在一定范圍之內(nèi)，適配器要保證元件在此電壓范圍內(nèi)供電正常，同時(shí)不能干擾電流回路中的其它設(shè)備，因此設(shè)備運(yùn)行安全穩(wěn)定。

2.儀表健康檢測(cè)技術(shù)

如果控制室無(wú)法查看現(xiàn)場(chǎng)HART儀表的診斷信息，就需要工作人員前往現(xiàn)場(chǎng)查看，對(duì)于油田開(kāi)采平臺(tái)而言，工作人員前往現(xiàn)場(chǎng)查看HART儀表的診斷信息，不僅浪費(fèi)精力，更會(huì)給工作人員帶來(lái)安全隱患，為了解決這一問(wèn)題，基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器能夠與健康診斷系統(tǒng)結(jié)合使用，將HART儀表的相關(guān)信息傳遞給健康狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，之后由健康狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行信息分類(lèi)，排除冗余信息，按照將抗?fàn)顟B(tài)識(shí)別系統(tǒng)以及儀表狀態(tài)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)診斷儀表。

四、應(yīng)用實(shí)踐

欲將基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器應(yīng)用到油田生產(chǎn)，需要保證回路電流處于4-20mA范圍之內(nèi)，一旦回路電流<3.5mA，總線很容易出現(xiàn)故障，芯片采取低功耗設(shè)計(jì)，在一定程度上降低了電流消耗，不過(guò)值得注意的是，無(wú)線模塊的工作電壓一般在幾十甚至上百毫安，仍然很容易干擾電流回路的正常工作，為了解決上述問(wèn)題，在生產(chǎn)實(shí)踐中采用了以下方案：從回路中取得的電能分為兩部分使用，一部分電能用于芯片元件供電，而另一部分電能用于電容充電，這樣一來(lái)，電容為智能無(wú)線適配器提供電能，確保電流回路能夠正常運(yùn)作。

通過(guò)以上措施，將基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器應(yīng)用到油田開(kāi)采平臺(tái)之后，符合預(yù)先設(shè)計(jì)的功能需要，在沒(méi)有額外供電的情況下，使二線制4-20mA HART儀表成功接入工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)υO(shè)備以及過(guò)程的健康狀況、使用性能進(jìn)行高級(jí)診斷，實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)性維護(hù)，并且健康狀態(tài)識(shí)別系統(tǒng)還能夠依據(jù)儀表的健康信息來(lái)設(shè)定報(bào)警值，實(shí)現(xiàn)了在線診斷以及報(bào)警功能，綜上所述，將基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器應(yīng)用到油田開(kāi)采平臺(tái)生產(chǎn)實(shí)踐，能夠提高工作效率，節(jié)省時(shí)間和成本，有利于實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)。

總結(jié)

現(xiàn)如今，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸應(yīng)用到了很多領(lǐng)域中，如何將二線制4-20mAHART儀表接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，也成為了人們關(guān)注的一項(xiàng)焦點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)這一背景，筆者在此以二線制4-20mA HART儀表為例，介紹了基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器在油田中的應(yīng)用，希望對(duì)相關(guān)工作有所幫助，在以后的發(fā)展中，科學(xué)技術(shù)會(huì)不斷進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加普遍，新技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)推動(dòng)油田開(kāi)采平臺(tái)的進(jìn)步，目前如何進(jìn)一步完善基于回路取電技術(shù)的智能無(wú)線適配器，還有待于廣大同仁繼續(xù)探究。

[1]鄭軍.物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)叢書(shū):無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2]潘永湘.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[3]龍志強(qiáng).現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)，2011.