微波原油含水率檢測儀與油田PCS通信的ZigBee實現(xiàn)

劉曉軍 秦紅杰 方浩 孟敏

1. 中石化河南油田分公司采油一廠，河南南陽 474780；2. 江蘇麥赫物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司，江蘇無錫 214603

0 前言

油田信息化管理是把生產(chǎn)監(jiān)控作為重要手段，以完成數(shù)據(jù)采集、動態(tài)分析和自動化控制為目的，全面實現(xiàn)油田可視化、數(shù)字化、智能化的一種管理模式[1]。井口壓力、溫度、功圖、位移、含水率和現(xiàn)場圖像等數(shù)據(jù)采集是實現(xiàn)信息化的重要基礎(chǔ)。

一般井口各設(shè)備數(shù)據(jù)上傳過程：現(xiàn)場設(shè)備將數(shù)據(jù)送至RTU（Remote Terminal Unit）模塊，RTU負責將數(shù)據(jù)上傳到后臺服務(wù)器，并將后臺服務(wù)器發(fā)出的指令送到相應(yīng)設(shè)備。目前井口各設(shè)備與RTU之間的連接主要分有線和無線2種方式：有線方式主要使用RS485總線；無線方式則是利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)。本文介紹微波原油含水率檢測儀的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)方法。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是采用IEEE802.15.4的無線通信標準[2]，是一種適用于短距離和低速率下小數(shù)據(jù)量傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)，有低功耗、低成本、低復雜度和容納節(jié)點多（一個網(wǎng)絡(luò)理論上可支持65,536個）等優(yōu)點[3-4]。缺點主要有：無線頻率容易受到干擾；各個ZigBee廠商協(xié)議棧太多或版本不兼容，造成各種ZigBee模塊不能互相通信。

針對油井來說，采集的數(shù)據(jù)基本在20 m范圍之內(nèi)，并且空曠，部分功耗小的設(shè)備可用電池供電，適合采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2 微波原油含水率檢測儀

本文介紹的原油含水率檢測儀能夠測量原油中0%～100%含水率。其主要特點是采用微波在線測量方式，根據(jù)原油與水介電常數(shù)的巨大差異，對比微波速度變化測算出原油含水率[5]。

3 PCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖1為PCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。中心控制室與現(xiàn)場各種儀表設(shè)備的通信通過因特網(wǎng)實現(xiàn)，服務(wù)器和現(xiàn)場RTU配合工作，達到操作員與現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)透明傳輸、實時控制的功能。歷史數(shù)據(jù)存儲于服務(wù)器上，供用戶隨時調(diào)閱查詢。圖1中的通信模塊用于連接到2G/4G通信基站。

4 硬件設(shè)計情況

微波原油含水率檢測儀中實現(xiàn)信號上傳的主要硬件為MCU（Micro controller Unit）和ZigBee模塊。其中，MCU選用意法半導體STM32F103C8T6芯片，基于ARM Cortex-M3內(nèi)核，性能強大；ZigBee模塊采用廈門四信通信科技有限公司的F8913D，其遵循中石化四化標準通信協(xié)議規(guī)范SZ9-GRM V3.01，具備中繼路由和終端設(shè)備功能，最長報文可達300 Bytes。MCU和F8913D的接線連接如圖2所示。

F8913D和MCU有3個引腳相連：RST是模塊復位腳，為防止F8913D死機，需要在程序中檢測通信回應(yīng)報文，當檢測到3次無應(yīng)答報文時，則控制此信號進行模塊復位；RX是通信接收，TTL電平，連接到UART1_TX；TX是通信發(fā)送，TTL電平，連接到UART1_RX。串口通信波特率設(shè)置為9600，起始位1，數(shù)據(jù)位8，停止位1，校驗位無。

5 通信實現(xiàn)

5.1 通信參數(shù)設(shè)置

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信中有3個重要參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)號、信道號和地址。每個網(wǎng)絡(luò)都有唯一的標識符PAN ID（網(wǎng)絡(luò)號），因此，F(xiàn)8913D必須與RTU的協(xié)調(diào)器信道號一致。首先確定網(wǎng)絡(luò)號和信道號，根據(jù)中石化四化標準通信協(xié)議SZ9-GRM V3.01規(guī)定確認這2個參數(shù)：將油井名稱做CRC16校驗，以校驗碼為網(wǎng)絡(luò)ID號，信道號為ID號對16取余再加11。網(wǎng)絡(luò)號和信道號設(shè)置到RTU協(xié)調(diào)器和檢測儀中保存，地址按RTU規(guī)定設(shè)置。

5.2 數(shù)據(jù)通信

RTU和原油含水率檢測儀之間的數(shù)據(jù)通信過程如圖3所示。

RTU接收到常規(guī)數(shù)據(jù)后，發(fā)送常規(guī)應(yīng)答，結(jié)束本次通信，儀表進入休眠。休眠時間在應(yīng)答數(shù)據(jù)中體現(xiàn)，若RTU沒有應(yīng)答，儀表不做重發(fā)處理。本含水儀不休眠，按RTU給的休眠時間定時發(fā)送數(shù)據(jù)即可。

5.3 ZigBee模塊命令設(shè)置

MCU對F8913D的命令設(shè)置是通過AT命令實現(xiàn)的，根據(jù)節(jié)點類型和通信協(xié)議確定使用表1所示命令。

其中，1至10號命令是在使用模塊前由USB-TTL線通過串口設(shè)置到ZigBee模塊中，11、12號命令在儀表啟動后根據(jù)存儲的參數(shù)進行設(shè)置[6]。

表1 AT命令使用表

5.4 ZigBee通信程序?qū)崿F(xiàn)步驟

（1）初始化程序。程序啟動時按參數(shù)中網(wǎng)絡(luò)號和信道號對ZigBee模塊進行設(shè)置；

（2）檢測和處理主程序。在主程序中一旦檢測到網(wǎng)絡(luò)號或信道號參數(shù)改變，需要重新對ZigBee模塊進行設(shè)置。圖4顯示了信道號改變處理流程，網(wǎng)絡(luò)號處理與此類似；

圖中AT命令操作部分流程邏輯采用不同標記狀態(tài)來控制，減少等待時間占用MCU。串口接收發(fā)送用中斷，使用定時器返回判斷等待時間，在主程序大循環(huán)中，根據(jù)標記來查看串口緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，確定本次AT命令是否返回正確；

（3）定時發(fā)送數(shù)據(jù)報文程序。MCU按休眠時間間隔周期，通過F8913D模塊向RTU發(fā)送數(shù)據(jù)報文。

5.5 報文實例和解析

微波原油含水率檢測儀發(fā)送報文：

00 01 A0 12 30 12 00 01 00 00 0014 00 FF 00 FE 00 FD 00 FF 01 00 03 EC 04 EE 03 EC 04 EE

斜體部分為幀頭數(shù)據(jù)報文，后面為數(shù)據(jù)內(nèi)容，解析方式如表2和表3所示。

用戶實際使用分鐘含水率，每次發(fā)送報文后收到“OK”回復；若3次接收不到，則認為ZigBee模塊死機，重新啟動模塊。

6 結(jié)束語

軟件使用Keil MDK5編制，成功實現(xiàn)微波原油含水率檢測儀與RTU通信，將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，并在油田PCS系統(tǒng)顯示。目前設(shè)備在現(xiàn)場正常運行超過2年，充分驗證了本方案的實用性和可靠性。先進的原油含水率測量方法與低成本、高可靠的數(shù)據(jù)通訊方式有機結(jié)合，為油田無人化監(jiān)測提供了成功且有益的嘗試，為今后各類石油儀表傳感器智能化探索了道路。

表3 數(shù)據(jù)內(nèi)容報文解釋