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基于C8051F930的管道温度压力远程监测系统

发布时间:2020-06-30 18:51:08 阅读: 来源:岩棉设备厂家

在油田生产运输过程中,温度与压力是两个重要参数。在油品管道传输过程中由于温度异常造成的油品凝固、丢油漏油造成的压力异常等情况需进行及时处理,以免造成重大经济损失和环境污染。 传统温度压力监测主要使用模拟仪表,依赖人工抄表的方式进行,具有严重的滞后性,并需要人工巡视和抄表,工作量大、效率低下、精确度低。 本文设计了一种输油管道温度压力参数无线采集系统,通过微功率无线通信方式组成小规模星形短距离通信网络,并使用GPRS(通用无线分组业务)进行数据远程传输。利用GPRS网络远程传送数据,不受时间、地点、距离的限制,可以解决分散数据集中处理的问题,且具有覆盖范围广,数据传输快,通信质量高,永远在线和按流量计费等优点。在PC上位机中进行数据存储与图形界面显示,方便对输油管道温度压力参数实时监控,节省人工成本,可以克服传统监测方式的种种弊端。1 系统总体设计及工作原理 本系统包含由现场仪表和计量站远程终端RTU构成的下位机子系统和由中控室PC机构成的上位机子系统。下位机子系统每个远程终端RTU对应多块现场仪表,通过433 MHz微功率无线通信方式组成星形通信网络。上位机子系统通过GPRS与下位机子系统进行通信,实现数据的远程传输、分类存储、实时显示、异常报警。系统整体结构如图1所示。

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本系统中,温度压力传感器输出信号通过电桥转化为差压信号,经调理送入C8051F930处理器进行A/D转换,通过串口将数据发送到微功率无线通信模块与RTU进行通信。RTU将接收到的数据通过GPRS直接转发到上位机,并在上位机中进行数据存储和实时显示。2 系统硬件设计2.1 现场仪表 现场仪表主要实现现场数据的定时采集、初步处理,并及时向RTU无线发送采集到的现场数据。现场仪表安装在计量站入口输油管道中,由于不方便安装供电装置,因此必须采用电池供电。为保证电池使用寿命,减少更换次数,节省人工和成本,提高运行效率,必须对整个现场仪表进行全面低功耗设计,所选器件均必须满足低功耗要求。整个现场仪表大部分时间应该处于低功耗休眠状态,仅在定时唤醒后完成数据采集和相关指令操作,之后再次进入休眠,保证其长时间稳定运行。 C8051F系列单片机是Silicon Labs公司生产的低功耗混合信号片上系统型MCU,精简指令集结构,大多数指令可以在一个时钟周期内完成。C8051F930带有2个UART串口、4 352字节的内部数据RAM和64KB的Flash程序存储器。该单片机内置20 MHz低功耗振荡器,仅需很小偏置电流;典型休眠电流小于50 nA,休眠唤醒时间小于2 μs,较MSP430系列单片机功耗更低。C8051F930内置10位A/D转换器,外部23路A/D转换器输入且具有突发方式的16位自动平均累加器(过采样技术),可增加的A/D转换器分辨率同时保证在突发唤醒后迅速正确地采集数据,A/D转换器允许输入的最大电压为2.43 V。故选择C8051F930作为控制核心。 温度测量选择了温压一体式传感器SCB3111。该传感器使用了溅射薄膜压力敏感元件,内部使用金属应变电桥和温度敏感电阻测量压力和温度数据,该传感器响应速度快、测量精度高,有利于休眠唤醒后及时采集到正确数据,减少工作时间,降低功耗。 传感器的输出信号采用高速度高性能的仪用放大器AD623进行信号调理放大,该运放采用差分输入,特别适用于电桥输出电路,并且仅通过一个外接电阻即可实现1~1 000的增益调整。放大倍数设定为40倍,故放大系数电阻选择2.55 kΩ高精度电阻,则传感器最大输出后放大的信号可接近2.43 V。数据采集电路原理图如图2所示。

在油田现场,远程终端RTU与现场仪表的距离较近,可使用433 MHz或2.4 GHz的近距离无线通信系统。相对于2.4 GHz的载波频率,433 MHz无线通信系统的载波波长更长,因此传输距离更远,并且具有一定穿越墙体等障碍的能力,适用范围广。选用433MHz的基于CC1100的SM41 B型微功率无线通信模块,该模块在休眠状态时电流小于25μA,在3 V电压条件下最大发送电流小于25 mA,满足低功耗的要求。 为更大程度地降低功耗,现场仪表使用可关闭电源器件MAX619供电。该器件输入电压为2~3.6 V,输出为5 V,且输出可关闭。因此休眠时直接关闭NAX619电压输出,切断电桥和运放电源,将功耗降到最低。现场仪表的硬件设计结构如图3所示。

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