油田井口智能RTU設(shè)計(jì)Design of intelligent RTU for oilfield wellhead

葛浩　翁惠輝

摘 要：本文針對(duì)油田數(shù)字化與智能化監(jiān)控需求，介紹了一種基于STM32F103VET6處理芯片的油田井口智能RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。研制以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心的RTU，采用多種類型的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，并進(jìn)行采集與控制電路、通信電路及電能檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的 RTU 相比，該方案具有功能多、處理速度快、現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用靈活和通信接口豐富等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：RTU;ARM嵌入式;無(wú)線通信

引言

隨著近年來(lái)油田數(shù)字化逐步向智能化不斷邁進(jìn)，基于物聯(lián)網(wǎng)的油氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)已成為各大油田智能化建設(shè)的主要趨勢(shì)。數(shù)字化與智能化油田井場(chǎng)生產(chǎn)監(jiān)控的關(guān)鍵核心是以RTU為控制核心遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)抽油井的三相電參數(shù)、油壓、套壓、回壓、功圖、爐溫、出口壓力等參數(shù)。因此研制油井井口智能RTU在數(shù)字化與智能化油田監(jiān)控具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。針對(duì)數(shù)字化與智能化油田井場(chǎng)監(jiān)控技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合油田數(shù)字化井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目要求，對(duì)油田井場(chǎng)生產(chǎn)工藝與井場(chǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備以及數(shù)字化井場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定油井智能RTU功能需求與技術(shù)指標(biāo)。

1.系統(tǒng)總體方案

油田工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)這一特殊環(huán)境決定了CPU要有足夠的可靠性和低功耗。ARM系列處理器性能高、功耗低，恰恰符合本設(shè)計(jì)要求[1]。根據(jù) RTU 的功能要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32F103VET6為主控制芯片，硬件由電源模塊、電能檢測(cè)模塊、采集模塊、控制輸出模塊和通信模塊組成，其中通信模塊又包含APC240無(wú)線模塊、Zigbee無(wú)線模塊及4G網(wǎng)絡(luò)通訊模塊。

其系統(tǒng)硬件模塊框圖如圖1所示：

2.采集電路設(shè)計(jì)：

信息采集包括設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的采集和環(huán)境信息采集，需要遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)抽油井的數(shù)據(jù)主要有：油壓、套壓、回壓、功圖、井溫、爐溫、出口壓力[2]。

在數(shù)字量輸入輸出電路中采用了芯片TLP185，即采用光電耦合器進(jìn)行隔離，發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)光敏管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。因沒(méi)有直接的電氣連接，所以在傳輸信號(hào)中隔離了干擾。

智能控制器設(shè)計(jì)有4路模擬量輸入通道，分別用于采集井口溫度參數(shù)和三路壓力參數(shù)。在模擬量輸入電路中采用了LM358雙運(yùn)算放大器。其內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。

3.控制電路設(shè)計(jì)

控制電路功能需實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸出及模擬量輸出，在數(shù)字量輸出電路中選擇了達(dá)林頓管驅(qū)動(dòng)器ULN2803。ULN2803符合標(biāo)準(zhǔn)TTL，含有8個(gè)NPN達(dá)林頓晶體管，可以連接在陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路（例如TTL，CMOS、PMOS、NMOS）和較高的電流/電壓該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓后輸出端才能導(dǎo)通工作，符合本油田智能RTU的功能設(shè)計(jì)需求。

在模擬量輸出電路中選擇了基于外部的16位DA轉(zhuǎn)換芯片AD5422，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制且與單片機(jī)的接口采用SPI總線。考慮到DAC輸出時(shí)并不需要MISO信號(hào)線，在本設(shè)計(jì)中可以采用三根信號(hào)線作SPI通信[3]。針對(duì)外部可能存在的干擾影響，采用ADUM1401芯片作通信隔離，其硬件邏輯連接如圖2所示。

4.電能檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電能檢測(cè)模塊采用了STC-3v7模塊。STC-3v7單元采用16位超低功耗單片機(jī)，單片機(jī)內(nèi)部集成了幾乎計(jì)算機(jī)所能外圍電路。提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，縮小了產(chǎn)品的體積。接口采用RS485接口，比RS232具有更高的通信速率和更遠(yuǎn)的通信距離。RS485通信電路中選用ADM2483差分總線收發(fā)器，這是一款集成式電流隔離器件，適用于平衡多點(diǎn)總線傳輸線路的雙向數(shù)據(jù)通信。

5.APC240模塊設(shè)計(jì)

為了采集無(wú)線位移傳感器中的數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)選擇APC240無(wú)線模塊。APC240模塊提供標(biāo)準(zhǔn)的UART/TTL接口，1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps七種速率和三種接口校驗(yàn)方式。APC240模塊外部接口采用透明數(shù)據(jù)傳輸傳輸方式，能適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)的用戶協(xié)議，所收的數(shù)據(jù)就是所發(fā)的數(shù)據(jù)。模塊與下位機(jī)的連接圖見(jiàn)圖3。

6.Zigbee模塊設(shè)計(jì)

選擇選擇F8913D模塊作為Zigbee模塊，用以接收無(wú)線壓力傳感器及無(wú)線溫度傳感器中的數(shù)據(jù)[4]。F8913D模塊與主控芯片通過(guò)串口連接，符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，串口連接圖如圖4所示。

7.4G模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采油生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，本設(shè)計(jì)選用了WH-LTE-7S4 V2作為4G網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，并通過(guò)UART接口TTL （3.3V/5V）與主控芯片連接。

WH-LTE-7S4 V2是一款體積小，功能豐富的M2M4G產(chǎn)品，適用于移動(dòng)、聯(lián)通、電信4G和移動(dòng)、聯(lián)通3G和2G網(wǎng)絡(luò)制式。以“透?jìng)鳌弊鳛楣δ芎诵模叨纫子眯裕捎秒p排針的封裝形式。該模塊軟件功能完善，可實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸。并且支持自定義注冊(cè)包，心跳包等功能，支持2路Socket連接，支持httpd，UDC等協(xié)議通信。具有高速率，低延時(shí)的特點(diǎn)。當(dāng)模塊工作狀態(tài)為網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ綍r(shí)其模式結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.

8.結(jié)語(yǔ)

根據(jù)數(shù)字化油田中實(shí)際產(chǎn)生的技術(shù)要求，本文主要介紹了一種基于STM32F103的RTU設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。主要對(duì)RTU硬件部分進(jìn)行了詳細(xì)介紹，包括信息采集電路、控制電路、電能檢測(cè)模塊，及多種無(wú)線通信模塊。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)抽油井的三相電參數(shù)、油壓、套壓、回壓、功圖、井溫、爐溫、出口壓力等參數(shù)，有效監(jiān)控油田工作狀況，提高油田生產(chǎn)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胥昕，翁惠輝.基于ARM的井口RTU測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自科版），2013，10（34）：35-36+62.

[2] 黃安貽，楊中豪.油田RTU系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2015，14（08）：118-120.

[3] 劉雨. 油井智能RTU研制[D].西安石油大學(xué)，2017.

[4] 何嘉斌，龍興國(guó).基于STM32的RTU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2016（13）：22-23.