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基于物联网的油田输油泵远程DCS系统设计

更新时间：2019-12-21 16:24:07 大小：403K 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对当前油田输油泵测控中存在劳动强度大、故障处理延迟长、测控精度低、多泵协调工作能力弱等缺点,采用自顶而下、层次化的方式设计了基于物联网的油田输油泵远程DCS系统,系统总体架构包括DCS层、服务层及扩展层.介绍了站点自治区域物联网DCS控制结构,给出了其感知层、网络层、应用层的设计内容.重点论述了DCS层物联网传感器节点、协调器节点的硬件设计,以及整个系统的底层程序与上层软件的软件设计.实践证明DCS系统为油田设备远程监控提供了非常好的测控模型与设计方法.

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文章编号：1000．8241(2018)11．1266．06

基于物联网的油田输油泵远程DCS系统设计

杨盛泉1龚晨’刘萍萍1巩万福2孟栋轩2

1．西安工业大学计算机科学与工程学院：2．西安长庆油气建设实业有限责任公司

摘要：针对当前油田输油泵测控中存在劳动强度大、故障处理延迟长、测控精度低、多泵协调工作能

力弱等缺点，采用自顶而下、层次化的方式设计了基于物联网的油田输油泵远程DGS系统，系统总

体架构包括DCS层、服务层及扩展层。介绍了站点自治区域物联网DCS控制结构，给出了其感知

层、网络层、应用层的设计内容。重点论述了DCS层物联网传感器节点、协调器节点的硬件设计，以

及整个系统的底层程序与上层软件的软件设计。实践证明DCS系统为油田设备远程监控提供了非

常好的测控模型与设计方法。(图6，参19)

关键词：物联网；输油泵；远程监控；DGS；移动终端；APP

中图分类号：TP273

文献标识码：A

doi：10．60478．issn．1000—8241．2018．11．012

oflOTbasedremoteDCS

for oilfield

Wanfu2，MENG

^offpumps

Design

system

YANG_{Shengquanl，GONG}

Chenl，LIU Pingpin91，GONG

Dongxuan2

Scienceand

^1．SchoolofComputer

Engineering，Xi’an Technological University；

Oil and Gas Construction Industrial Co．Ltd．

2．Xi’an

Changqing

Abstract：In this

hierarchical

remote DCS

for oilfield oil

Was

in the

designed

paper,an lOT(Intemet

Things)based

to the bottom to overcome current measurement andcontrol of oiltield oil

shortcomings

system

pumps

from the

pattern

top

labor

in fault

ofmeaSurement and

pumps，such

high

intensity,longdelay

handling，lowprecision

control，and poor ability

and extension

overall

coordination．The

structure of this

includes DCS

layer,service layer

multi-pump

system

layer．

detailed control structure ofthe IOTbased DCS_systemin the autonomous

ofthe station Was introducedin

region

Firstly,the

detail，and

the

contentsof its

and

were described

layer

design

perception layer’network layer

application

specifically．Then,

of IOT sensor node and

node in DCS

coordinator

and the soRware

ofbotton

design program

the hardware

and

layer

that

software of the entire

were

shows

mainly illustrated．Application practice

this IOT based remote

system

upper

DCS_system

measurement&control model and

method for the remote

design

of oiltield

very

provides

good

monitoring

References)

equipments．(6 Figures，19

words：Intemet

Key

Things，oil pumps，remote control，DCS，mobile terminal，APP

物联网(Internet of

输油泵是油田关键的动力运输设备，一般由机械

装置、螺杆泵(或柱塞泵)、机械管路、开关阀门、调节电

动阀、各类传感器及测控元件组成，多数位于偏远的

无人区域n吃]。传统的输油泵测量与控制多采用人工

巡检方式，少数企业采用仪器仪表、计算机本地单机测

控的管理方式，这些方式存在工人劳动强度大、故障问

题处理延迟长、测控精度低、多泵协调工作能力弱等缺

点，尤其当管道压力过高、输油泵得不到及时调控时，

会造成原油泄漏的严重事故¨ o。

Things，IOT)是物物相连的

网络，其是继传统计算机测控技术、互联网信息管理技

术及移动通信技术之后的又一次技术产业革命H1。现

代物联网是微电子传感器、英特网及大数据云分析处

理技术高度融合的新一代信息处理控制技术屿J。集散

Control

控制系统(Distributed

Syst锄，DCS)在工业控

制领域应用广泛，非常适合油田输油泵本地控制，集中

管理。但是，D(焉对于多输油泵的协调测控能力及全

局数据分析共享非常薄弱，需要充分发挥物联网远程

万方数据

管理与DCS本地控制的优势，设计一种基于物联网的

油田输油泵远程DIcS系统，实现油田多输油泵本地全

面感知、实时安全预警、远程大数据信息云分析处理、

智能化远程指挥多泵工作。

程控制中心通信连接与数据传输，需要架设专用光纤

进行连接，所有站点与远程控制中心通信由站点光纤

路由器实现。

系统的中层为服务层，即物联网远程控制中心，其

位于油田企业数据管理中心，一般是一台高性能的工

Personal

业控制计算机(Industrial

Computer，IPC)作

1结构设计

为服务器，并通过专用网络连接下层的所有站点DCS

自治区域。服务层通过轮询方式定期采集各个DCS

站点所有协调器连接的输油泵的数据，包含压力、温

度、流量、频率、运行状态等，然后将这些数据进行云储

存并进行大数据分析，为油田企业科学生产与安全运

行提供决策支持。远程服务中心的技术人员必要时可

以对各个站点所有的输油泵进行远程控制，设定输油

泵的安全压力、计划流量、频率方式等参数，也可以跟

DIcs层现场IPC操作人员实时对话等。

1．1总体架构

基于物联网的油田输油泵远程DIcs系统采用自

顶而下、逐步求精的设计方式，先设计全局架构，再确

定底层Dcs物联网详细内容。通过调研长庆油田、大

庆油田、延长油田等输油泵测控分布情况，得知每个油

田都由很多站点组成，每个站点管控若干个输油泵。

这可以抽象为：一个油田由A、B X个站点组成，每

个站点又由14、24 724输油泵构成。结合物联网云平

台技术与工业D(笃控制理论，对油田输油泵测控物联

网进行总体架构设计(图1)，从下而上分别为Dcs层、

服务层及扩展层。系统主要实现站点DIcs自治管理、

远程控制中心数据通信、数据云分析存储、移动终端扩

展应用等功能。

系统的最上层为扩展层，为油田企业远程操作而

设计，是服务层通过4G网络或Intemet向上拓展的远

程客户端。由于油田企业生产、仓储、办公区域分散且

距离较远，甚至跨越省市，因此扩展层是为这些部门提

高工作效率、协同工作而设计。油田输油管理人员或

相关工作人员可以通过扩展层提供的手机、平板电脑、

PC等终端远程查看输油泵运行工艺、数据及动态趋势

曲线等，实现各站点输油泵运行控制管理的高效化。

1．2

DCS控制结构

每个输油泵要测控的参数有：泵运行状态、进泵压

力、出泵压力、泵温度、出口流量、阀门开度及泵频率

等哺】。在实际的油田控制管理中，要求每个站点控制

输油泵处于一个相对独立的自治管理区域，根据站点

输油泵运行的特点与参数，设计出X站点物联网DCS

控制宏观结构(图2)。站点物联网采用IEEE802．15．4

协议标准中ZigBee星型拓扑结构，其结构采用一般物

联网分层设计的方式。

站点中14～力4输油泵中各个传感控制器节点为最

底层，起到DCs中分散测量与控制的作用，称为感知

图1油田输油泵测控物联网总体架构设计图

物联网总体设计的最底层为Dcs层，是系统的测

控对象，由若干个自治站点物联网组成。Dcs层每个

站点由一个控制中心机连接若干个输油泵协调器，形

成自治物联网并独立工作，其内部的控制结构比较复

杂。DCs层各站点可以通过TCP，IP协议将站点的运

行情况传送至物联网远程中心，由于油田的输油泵大

多处于无人区，没有公共通信网络覆盖，为了实现与远

层，传感器节点将采集到的数据定期传送至所在输油

泵的协调器节点，同时接受协调器节点的调控指令，通

过开关量(I／O)或者模拟量(D／，A)控制阀门、变频器。

每个输油泵都有一个D(葛控制中心，对输油泵按

照油田工艺要求在本地实施汇聚管理工作，体现DIcs

的集中管理思想，该节点在物联网中又称为协调器节

点或汇聚节点，若干个输油泵的协调器节点构成了中

万方数据

Flash

强型8051单片机(MCU)内核、256KB

ROM及

8KB

RAM节点存储器埔1。

芯片工作时XTALl提供了频率为32MHz的无

MHz

源晶振，由2个电容(C221和C231)和1个32

石英谐振器构成bJ。另外，XTAL2提供了频率为

32．768

kHz的时钟晶振，由2个电容(C321和C331)

和1个32．768 kHz的石英谐振器构成。CC2530的外

围电路I／O端口P0 0和P0 1在节点中一般连接外围

的开关量信号，可以实现采集与控制，例如在状态传感

器中，可以采集输油泵的开关状态，同时也可以控制输

油泵的启停。

、-．．～?：!翌要一．．．一，7

、、．．．．．!竺苎要一．．，一，’

图2 X站点物联网DCS控制宏观结构图

2．2传感器节点

间层，称为网络层。协调器节点集中控制体现在压力

控制、流量控制、开关控制、流程控制等油泵集中工艺

要求口]。协调器节点与传感器节点通信采用物联网无

系统中Dcs层所有传感器节点的工作机制基本

相同，通过各自不同的传感器芯片采集开关量、电流、

电压等数据，内部通过A／D转换并滤波得到正确的物

理量u训。另外，根据工艺设定数据，进行开关或者PID

运算输出调控量，调控量如果是模拟量还需要经过

D／A转换成电流或者电压到执行机构进行动作。结合

所有传感器的共同特点并考虑通用性，对DCs层传感

器节点硬件进行设计(图3)。

线ZigBee连接。

本地油泵群组人机界面为X站点物联网DCS控

制中心节点，在该站点的局部自治区域中处于最高层，

称为应用层。DCs控制中心节点一般在每个站点管

理办公室，硬件上是一台普通的IPC，因为每个站点的

输油泵离办公室距离不定，考虑到系统的稳定性与安

全性，采用I敬85串口通信连接至各个输油泵的协调

器节点上。站点中心节点在本地可以实现对该自治区

域的所有输油泵进行数据采集、本地存储、工艺参数设

置等功能。中心节点利用专用的光纤通信网络与上层

远程服务器进行通信。

2硬件设计

基于物联网的油田输油泵远程DCS系统扩展层

硬件无需专门设计或购买，可将手机、平板电脑、PC通

过4 G网络或Internet连接至系统，服务层购买市面

上工业专用服务器IPC Server即可，硬件设计的重点

是DCS层物联网各节点。

图3 DC$层传感器节点结构原理图

输油泵的各传感器节点因为采集对象不同，采

用的具体芯片也不同，进入传感器的信号根据需要

经过A／D模块转换后输入至CC2530。电源管理模

块LM3671为电压转换芯片，将锂电池电压转换为

2．1节点CC2530核心芯片

3．3

V或者5 V供传感器芯片和CC2530芯片使用。

D(葛层中包含压力、温度、流量等传感器节点以

FT232I也作为转换芯片将U、B串行数据通过IIART

及协调器节点，输油泵自身工作区域(小于100

100 m)非常有限，各节点之间通信可以采用物联网低

接口与CC2530数据实现透明传输。带通滤波器2．4

滤去干扰频率，为CC2530芯片提供纯净的2．4 G工作

信号。天线单元为节点无线信息输入输出的信号变换

器，输出时将上行电信号转换为传播的电磁波，输入时

功耗ZigBee协议。DCS层传感器与协调器节点采用

美国TI公司的CC2530芯片，该芯片内部集成了高

性能射频(Radio

Frequency，RF)收发器、工业标准增

万方数据

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