基于C8051F930的管道溫度壓力遠程監(jiān)測系統(tǒng)

在油田生產(chǎn)運輸過程中，溫度與壓力是兩個重要參數(shù)。在油品管道傳輸過程中由于溫度異常造成的油品凝固、丟油漏油造成的壓力異常等情況需進行及時處理，以免造成重大經(jīng)濟損失和環(huán)境污染。
傳統(tǒng)溫度壓力監(jiān)測主要使用模擬儀表，依賴人工抄表的方式進行，具有嚴重的滯后性，并需要人工巡視和抄表，工作量大、效率低下、精確度低。
本文設(shè)計了一種輸油管道溫度壓力參數(shù)無線采集系統(tǒng)，通過微功率無線通信方式組成小規(guī)模星形短距離通信網(wǎng)絡(luò)，并使用GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))進行數(shù)據(jù)遠程傳輸。利用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠程傳送數(shù)據(jù)，不受時間、地點、距離的限制，可以解決分散數(shù)據(jù)集中處理的問題，且具有覆蓋范圍廣，數(shù)據(jù)傳輸快，通信質(zhì)量高，永遠在線和按流量計費等優(yōu)點。在PC上位機中進行數(shù)據(jù)存儲與圖形界面顯示，方便對輸油管道溫度壓力參數(shù)實時監(jiān)控，節(jié)省人工成本，可以克服傳統(tǒng)監(jiān)測方式的種種弊端。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理
本系統(tǒng)包含由現(xiàn)場儀表和計量站遠程終端RTU構(gòu)成的下位機子系統(tǒng)和由中控室PC機構(gòu)成的上位機子系統(tǒng)。下位機子系統(tǒng)每個遠程終端RTU對應(yīng)多塊現(xiàn)場儀表，通過433 MHz微功率無線通信方式組成星形通信網(wǎng)絡(luò)。上位機子系統(tǒng)通過GPRS與下位機子系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸、分類存儲、實時顯示、異常報警。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)中，溫度壓力傳感器輸出信號通過電橋轉(zhuǎn)化為差壓信號，經(jīng)調(diào)理送入C8051F930處理器進行A／D轉(zhuǎn)換，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到微功率無線通信模塊與RTU進行通信。RTU將接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS直接轉(zhuǎn)發(fā)到上位機，并在上位機中進行數(shù)據(jù)存儲和實時顯示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2．1 現(xiàn)場儀表
現(xiàn)場儀表主要實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的定時采集、初步處理，并及時向RTU無線發(fā)送采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。現(xiàn)場儀表安裝在計量站入口輸油管道中，由于不方便安裝供電裝置，因此必須采用電池供電。為保證電池使用壽命，減少更換次數(shù)，節(jié)省人工和成本，提高運行效率，必須對整個現(xiàn)場儀表進行全面低功耗設(shè)計，所選器件均必須滿足低功耗要求。整個現(xiàn)場儀表大部分時間應(yīng)該處于低功耗休眠狀態(tài)，僅在定時喚醒后完成數(shù)據(jù)采集和相關(guān)指令操作，之后再次進入休眠，保證其長時間穩(wěn)定運行。
C8051F系列單片機是Silicon Labs公司生產(chǎn)的低功耗混合信號片上系統(tǒng)型MCU，精簡指令集結(jié)構(gòu)，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成。C8051F930帶有2個UART串口、4 352字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM和64KB的Flash程序存儲器。該單片機內(nèi)置20 MHz低功耗振蕩器，僅需很小偏置電流；典型休眠電流小于50 nA，休眠喚醒時間小于2 μs，較MSP430系列單片機功耗更低。C8051F930內(nèi)置10位A／D轉(zhuǎn)換器，外部23路A／D轉(zhuǎn)換器輸入且具有突發(fā)方式的16位自動平均累加器(過采樣技術(shù))，可增加的A／D轉(zhuǎn)換器分辨率同時保證在突發(fā)喚醒后迅速正確地采集數(shù)據(jù)，A／D轉(zhuǎn)換器允許輸入的最大電壓為2．43 V。故選擇C8051F930作為控制核心。
溫度測量選擇了溫壓一體式傳感器SCB3111。該傳感器使用了濺射薄膜壓力敏感元件，內(nèi)部使用金屬應(yīng)變電橋和溫度敏感電阻測量壓力和溫度數(shù)據(jù)，該傳感器響應(yīng)速度快、測量精度高，有利于休眠喚醒后及時采集到正確數(shù)據(jù)，減少工作時間，降低功耗。
傳感器的輸出信號采用高速度高性能的儀用放大器AD623進行信號調(diào)理放大，該運放采用差分輸入，特別適用于電橋輸出電路，并且僅通過一個外接電阻即可實現(xiàn)1～1 000的增益調(diào)整。放大倍數(shù)設(shè)定為40倍，故放大系數(shù)電阻選擇2．55 kΩ高精度電阻，則傳感器最大輸出后放大的信號可接近2．43 V。數(shù)據(jù)采集電路原理圖如圖2所示。

在油田現(xiàn)場，遠程終端RTU與現(xiàn)場儀表的距離較近，可使用433 MHz或2．4 GHz的近距離無線通信系統(tǒng)。相對于2.4 GHz的載波頻率，433 MHz無線通信系統(tǒng)的載波波長更長，因此傳輸距離更遠，并且具有一定穿越墻體等障礙的能力，適用范圍廣。選用433MHz的基于CC1100的SM41 B型微功率無線通信模塊，該模塊在休眠狀態(tài)時電流小于25μA，在3 V電壓條件下最大發(fā)送電流小于25 mA，滿足低功耗的要求。
為更大程度地降低功耗，現(xiàn)場儀表使用可關(guān)閉電源器件MAX619供電。該器件輸入電壓為2～3．6 V，輸出為5 V，且輸出可關(guān)閉。因此休眠時直接關(guān)閉NAX619電壓輸出，切斷電橋和運放電源，將功耗降到最低?，F(xiàn)場儀表的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。