基于物聯網技術的石油輸油泵遠程測量與控制系統

田夾心+周良馳+朱昭+鄭峰+楊盛泉

摘要： 為了改變石油輸油泵目前采用人工本地儀器儀表控制中出現的效率低下、故障處理不及時等缺點，提出基于物聯網技術研究并設計輸油泵遠程測量與控制系統。文中首先設計出包括傳感器層、協調器層、本地應用層與遠程控制層等四層輸油泵物聯網體系結構，然后詳細地討論了物聯網中傳感器節點與協調器節點的硬件模塊設計，最后介紹了包括節點底層程序、本地控制中心應用層軟件以及遠程控制層移動APP軟件等設計內容。

Abstract： In order to change the disadvantages of low efficiency and failure to deal with the faults in time and other shortcomings in current oil pump control used by the local manual instruments， a remote measure and control system based on the Internet of things technology is proposed. Firstly the paper describes the overall architecture of oil pump IOT system， and four architecture layers including the sensor layer， the coordinator layer， the local application layer and the remote control layer are designed in detail. Secondly it discusses in detail the internet of things hardware module design of the sensor node and coordinator node. Finally the article also introduces the design and contents of the nodes bottom program， local control center application layer software and remote control layer mobile APP.

關鍵詞： 物聯網技術；油田輸油泵；傳感器節點；協調器節點

Key words： Internet of Things Technology；oilfield oil pump；sensor node；coordinator node

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）17-0114-03

0 引言

石油輸油泵是油田公司非常重要的原油輸送動力設備，它一般用于從油井抽出原油后，通過輸油泵過濾、增壓、分離后將原油經過管線輸送出去。輸油泵傳統的控制方式是通過設備現場安裝本地測量與控制的儀器儀表，同時需要人工定期現場檢查與巡視，由于輸油泵大多分布在荒無人煙的地帶并且數量眾多，這就造成設備發生故障后，時常無法得到及時處理，從而導致油田企業輸油管理工作效率低下。

物聯網（The Internet of Things）是萬物相連的網絡，它指通過傳感器技術、無線通信技術、數據分析與處理技術等能夠完成遠程智能化采集、自動控制的一種多學科融合交叉發展的新興技術[1]。本文研究將物聯網技術應用到輸油泵遠程測量與控制中，其目的是實現油泵設備全面感知、可靠信息傳遞、遠程實時控制處理的重要目標。

1 輸油泵設備物聯網系統設計

油田公司的輸油泵運行過程中，一般需要采集運行的入口與出口壓力、輸油流量、油泵溫度、燃氣濃度等參數，然后根據輸油工藝要求，設定油泵的運行的時間與電機運轉的頻率以及運行的安全壓力與流量。根據油田輸油泵工藝以及油田企業設備安全與提高工作效率的需要，結合物聯網測控技術，采用自頂向下、逐步細化的原則設計了如圖1所示本系統的總體結構，一共為4層，從下而上分別為傳感器層、協調器層、本地應用層與遠程控制層[1]。

1.1 傳感器層

傳感器層的主要功能是采集輸油泵的泵體溫度、原油壓力、出口流量、油泵頻率、油泵狀態等現場物理傳感器信息，并根據協調器節點的運行的指令來控制油泵的執行機構作出符合安全輸油的動作。傳感器層主要包含的節點有：溫度傳感節點、故障處理節點、壓力傳感節點、變頻控制節點、流量傳感節點、閥門控制節點、狀態傳感節點、開關控制節點等。

1.2 協調器層

協調器層的主要功能是將跟其共同屬性的傳感器節點連接成一個個無線通信ZigBee網絡，并定期輪詢采集各個傳感器節點測量數據，同時根據油泵運行工藝對油泵的開關、頻率、閥門作出相應的調節動作。協調器層跟上層本地工控機進行有線RS485通信，它把從傳感器收集來的數據通過串口發送給本地人機界面進行存儲、顯示、分析利用等。系統包含的協調器節點主要有：油泵溫度協調器、壓力控制協調器、流量控制協調器、邏輯控制協調器等。

1.3 本地應用層

本地應用層為現場站點油泵的工業控制計算機人機界面，它為物聯網本地控制中心?？紤]到油泵是關鍵性生產設備，整個控制系統的穩定性與安全性要求非常高，因此采用RS485串口通信連接到各個協調器節點。本地應用層可以實現對輸油泵所有的協調器進行各種數據進行實時串口通信采集存儲、油泵工藝畫面顯示、測量數據動態趨勢曲線、油泵流程安全參數設置等功能。本地應用層同時接入到企業局域網（LAN）為物聯網遠程控制中心提供數據服務，另外在權限的許可下，可以接受遠程的調控，并發給協調器實現對油泵的控制。

1.4 遠程控制層

遠程控制層為油田公司遠程辦公實時控制油泵設計的人機界面。遠程控制層通過企業的局域網可以實時地查看油泵運行的各種參數、動態曲線、記錄數據等信息。遠程控制層的設備可以是公司辦公電腦、手機或者平板電腦等移動終端。遠程控制層與現場工控機之間的通信采用TCP/IP協議[3]。

2 輸油泵設備物聯網節點硬件設計

本系統物聯網節點采用美國TI公司的CC2530 ZigBee無線通信芯片，由于它支持片上系統（SoC）技術使其應用開發難度很小。CC2530 芯片集成了2.4 GHz的射頻收發器以及一個增強型工業標準的8051單片機，它支持最大256KB 可編程FLASH ROM存儲器，內部運行具有8KB的RAM存儲器，同時具有USART、高精度ADC、通用的GPIO等豐富的外部接口[2]。本系統中無論傳感器節點還是協調器節點其核心都是CC2530模塊。系統中每個協調器節點都跟其對應的傳感器節點形成一個個相對獨立有著不同通信信道的互不干擾的低功耗無線網絡。

本系統的所有的傳感器節點運行原理基本相同，通過不同的物理或者化學傳感器接口采集開關量、電流、電壓等模擬信號，經過A/D模塊轉換成數字量并經過處理后暫存起來并可以通過前端RF傳輸出去；另外傳感動作節點還要有D/A模塊或者I/O接口驅動輸出控制閥門或者開關啟停設備。結合所有輸油泵物聯網系統傳感器的共同特點及通用性，設計出的本系統的傳感器與控制節點硬件組成原理結構如圖2所示。

本系統的所有的協調器節點設計基本等同于傳感器節點，其原理圖類似，但是它沒有傳感器芯片，并且多了一個與本地物聯網工控機進行通信的RS485接口、本地顯示模塊、按鍵處理模塊。另外為了保證協調器持續工作，其供電采用持續直流外接電源，傳感器節點的電源采用干電池。協調器節點主要組成模塊包括：TI CC2530 ZigBee模塊（8051）、持續Power管理模塊、USB調試接口、天線模塊以及RS485通信模塊、LCD顯示模塊、按鍵KEY處理模塊等。

3 輸油泵物聯網系統軟件設計

輸油泵物聯網系統軟件包括傳感器節點、協調器節點底層軟件設計、本地控制中心應用層軟件設計以及遠程控制層移動APP程序設計。

3.1 物聯網傳感器與協調器節點軟件設計

物聯網傳感器節點與協調器節點軟件設計都是基于TI公司CC2530協議棧與內置8051單片機MCU編程，其內部定義函數和調用有很多相似的地方[2]。底層軟件使用仿真器下載，首先要設置好模塊運行的常規參數：如地址、信道號、網絡號等，然后下載協議棧單片機程序。

傳感器節點程序工作流程為：①節點上電后，加入所在ZigBee子網。②節點收到協調器讀寫信號時由睡眠轉入激活狀態，每隔一定的周期，采集數據然后A/D轉換，并且本地存儲。③節點每隔一定的周期，與協調器通信向其傳輸數據，若有必要并執行控制輸出。④節點自動轉入低功耗的休眠狀態。協調器節點程序工作流程描述如下：①節點上電后初始化ZigBee子網，允許傳感器節點加入其網絡。②周期性地喚醒傳感器節點采集數據或根據油泵工藝發出控制指令。③LCD顯示屏顯示數據與動態曲線。④Key參數設置和操控中斷響應處理。⑤RS485中斷通信響應處理。

3.2 本地中心計算機應用層軟件設計

本地中心計算機應用層軟件采用面向對象的Delphi XE 編程語言設計開發，后臺數據庫采用Paradox 7。設計的模塊主要有：協調器RS485通信收發處理模塊、油泵數據存儲管理模塊、油泵工藝運行顯示模塊、油泵動態曲線顯示模塊、油泵故障參數設置模塊、遠程TCP/IP網絡通信處理模塊等。系統運行的主工藝畫面如圖3所示。

3.3 遠程控制層移動APP軟件設計

遠程終端APP軟件主要運行在遠程控制層手機終端與平板電腦終端或者辦公PC機，手機或者平板運行的環境為Android 4.0以上，PC機軟件基于B/S架構設計開發。遠程系統的操作用戶有企業管理員、普通操作員、油泵設備安全員等，系統采用基于角色的訪問機制，不同的用戶角色所見到的界面不一樣，所完成的任務也不同。系統的模塊設計劃分跟本地中心計算機應用層軟件類似，另外其跟應用層采用TCP/IP協議創建Socket編程通信。

4 結束語

本文論述的采用自頂而下分4層方式設計輸油泵物聯網遠程控制系統將復雜的問題簡單化，它將油田企業長距離輸油泵設備遠程實時測量與控制變得安全可靠、效率更高，為類似的廠礦企業遠程設備管理提供了較好的設計模型，具有非常高的應用推廣價值。

參考文獻：

[1]楊盛泉，劉海泉，劉白林.ZigBee與RS485混合網絡的糧情監控系統的研究[J].西安工業大學學報，2016，36（9）：750-756.

[2]陳自剛.基于CC2530的煤礦氣體監測終端設計[J].南陽理工學院學報，2016，8（6）：1-4.

[3]趙宏林，廉小親，郝寶智，等.基于物聯網云平臺的空調遠程控制系統[J].計算機工程與設計，2017，38（1）：265-270.