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摘要： 为了改变石油输油泵目前采用人工本地仪器仪表控制中出现的效率低下、故障处理不及时等缺点，提出基于物联网技术研究并设计输油泵远程测量与控制系统。文中首先设计出包括传感器层、协调器层、本地应用层与远程控制层等四层输油泵物联网体系结构，然后详细地讨论了物联网中传感器节点与协调器节点的硬件模块设计，最后介绍了包括节点底层程序、本地控制中心应用层软件以及远程控制层移动APP软件等设计内容。
Abstract： In order to change the disadvantages of low efficiency and failure to deal with the faults in time and other shortcomings in current oil pump control used by the local manual instruments， a remote measure and control system based on the Internet of things technology is proposed. Firstly the paper describes the overall architecture of oil pump IOT system， and four architecture layers including the sensor layer， the coordinator layer， the local application layer and the remote control layer are designed in detail. Secondly it discusses in detail the internet of things hardware module design of the sensor node and coordinator node. Finally the article also introduces the design and contents of the nodes bottom program， local control center application layer software and remote control layer mobile APP.
关键词： 物联网技术；油田输油泵；传感器节点；协调器节点
Key words： Internet of Things Technology；oilfield oil pump；sensor node；coordinator node
中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）17-0114-03
0 引言
石油输油泵是油田公司非常重要的原油输送动力设备，它一般用于从油井抽出原油后，通过输油泵过滤、增压、分离后将原油经过管线输送出去。输油泵传统的控制方式是通过设备现场安装本地测量与控制的仪器仪表，同时需要人工定期现场检查与巡视，由于输油泵大多分布在荒无人烟的地带并且数量众多，这就造成设备发生故障后，时常无法得到及时处理，从而导致油田企业输油管理工作效率低下。
物联网（The Internet of Things）是万物相连的网络，它指通过传感器技术、无线通信技术、数据分析与处理技术等能够完成远程智能化采集、自动控制的一种多学科融合交叉发展的新兴技术[1]。本文研究将物联网技术应用到输油泵远程测量与控制中，其目的是实现油泵设备全面感知、可靠信息传递、远程实时控制处理的重要目标。
1 输油泵设备物联网系统设计
油田公司的输油泵运行过程中，一般需要采集运行的入口与出口压力、输油流量、油泵温度、燃气浓度等参数，然后根据输油工艺要求，设定油泵的运行的时间与电机运转的频率以及运行的安全压力与流量。根据油田输油泵工艺以及油田企业设备安全与提高工作效率的需要，结合物联网测控技术，采用自顶向下、逐步细化的原则设计了如图1所示本系统的总体结构，一共为4层，从下而上分别为传感器层、协调器层、本地应用层与远程控制层[1]。
1.1 传感器层
传感器层的主要功能是采集输油泵的泵体温度、原油压力、出口流量、油泵频率、油泵状态等现场物理传感器信息，并根据协调器节点的运行的指令来控制油泵的执行机构作出符合安全输油的动作。传感器层主要包含的节点有：温度传感节点、故障处理节点、压力传感节点、变频控制节点、流量传感节点、阀门控制节点、状态传感节点、开关控制节点等。
1.2 协调器层
协调器层的主要功能是将跟其共同属性的传感器节点连接成一个个无线通信ZigBee网络，并定期轮询采集各个传感器节点测量数据，同时根据油泵运行工艺对油泵的开关、频率、阀门作出相应的调节动作。协调器层跟上层本地工控機进行有线RS485通信，它把从传感器收集来的数据通过串口发送给本地人机界面进行存储、显示、分析利用等。系统包含的协调器节点主要有：油泵温度协调器、压力控制协调器、流量控制协调器、逻辑控制协调器等。
1.3 本地应用层
本地应用层为现场站点油泵的工业控制计算机人机界面，它为物联网本地控制中心。考虑到油泵是关键性生产设备，整个控制系统的稳定性与安全性要求非常高，因此采用RS485串口通信连接到各个协调器节点。本地应用层可以实现对输油泵所有的协调器进行各种数据进行实时串口通信采集存储、油泵工艺画面显示、测量数据动态趋势曲线、油泵流程安全参数设置等功能。本地应用层同时接入到企业局域网（LAN）为物联网远程控制中心提供数据服务，另外在权限的许可下，可以接受远程的调控，并发给协调器实现对油泵的控制。
1.4 远程控制层
远程控制层为油田公司远程办公实时控制油泵设计的人机界面。远程控制层通过企业的局域网可以实时地查看油泵运行的各种参数、动态曲线、记录数据等信息。远程控制层的设备可以是公司办公电脑、手机或者平板电脑等移动终端。远程控制层与现场工控机之间的通信采用TCP/IP协议[3]。
2 输油泵设备物联网节点硬件设计
本系统物联网节点采用美国TI公司的CC2530 ZigBee无线通信芯片，由于它支持片上系统（SoC）技术使其应用开发难度很小。CC2530 芯片集成了2.4 GHz的射频收发器以及一个增强型工业标准的8051单片机，它支持最大256KB 可编程FLASH ROM存储器，内部运行具有8KB的RAM存储器，同时具有USART、高精度ADC、通用的GPIO等丰富的外部接口[2]。本系统中无论传感器节点还是协调器节点其核心都是CC2530模块。系统中每个协调器节点都跟其对应的传感器节点形成一个个相对独立有着不同通信信道的互不干扰的低功耗无线网络。
本系统的所有的传感器节点运行原理基本相同，通过不同的物理或者化学传感器接口采集开关量、电流、电压等模拟信号，经过A/D模块转换成数字量并经过处理后暂存起来并可以通过前端RF传输出去；另外传感动作节点还要有D/A模块或者I/O接口驱动输出控制阀门或者开关启停设备。结合所有输油泵物联网系统传感器的共同特点及通用性，设计出的本系统的传感器与控制节点硬件组成原理结构如图2所示。
本系统的所有的协调器节点设计基本等同于传感器节点，其原理图类似，但是它没有传感器芯片，并且多了一个与本地物联网工控机进行通信的RS485接口、本地显示模块、按键处理模块。另外为了保证协调器持续工作，其供电采用持续直流外接电源，传感器节点的电源采用干电池。协调器节点主要组成模块包括：TI CC2530 ZigBee模块（8051）、持续Power管理模块、USB调试接口、天线模块以及RS485通信模块、LCD显示模块、按键KEY处理模块等。
工作流程为：①节点上电后，加入所在ZigBee子网。②节点收到协调器读写信号时由睡眠转入激活状态，每隔一定的周期，采集数据然后A/D转换，并且本地存储。③节点每隔一定的周期，与协调器通信向其传输数据，若有必要并执行控制输出。④节点自动转入低功耗的休眠状态。协调器节点程序工作流程描述如下：①节点上电后初始化ZigBee子网，允许传感器节点加入其网络。②周期性地唤醒传感器节点采集数据或根据油泵工艺发出控制指令。③LCD显示屏显示数据与动态曲线。④Key参数设置和操控中断响应处理。⑤RS485中断通信响应处理。3.2 本地中心计算机应用层软件设计
本地中心计算机应用层软件采用面向对象的Delphi XE 编程语言设计开发，后台数据库采用Paradox 7。设计的模块主要有：协调器RS485通信收发处理模块、油泵数据存储管理模块、油泵工艺运行显示模块、油泵动态曲线显示模块、油泵故障参数设置模块、远程TCP/IP网络通信处理模块等。系统运行的主工艺画面如图3所示。
3.3 远程控制层移动APP软件设计
远程终端APP软件主要运行在远程控制层手机终端与平板电脑终端或者办公PC机，手机或者平板运行的环境为Android 4.0以上，PC机软件基于B/S架构设计开发。远程系统的操作用户有企业管理员、普通操作员、油泵设备安全员等，系统采用基于角色的访问机制，不同的用户角色所见到的界面不一样，所完成的任务也不同。系统的模块设计划分跟本地中心计算机应用层软件类似，另外其跟应用层采用TCP/IP协议创建Socket编程通信。
4 结束语
本文論述的采用自顶而下分4层方式设计输油泵物联网远程控制系统将复杂的问题简单化，它将油田企业长距离输油泵设备远程实时测量与控制变得安全可靠、效率更高，为类似的厂矿企业远程设备管理提供了较好的设计模型，具有非常高的应用推广价值。
参考文献：
[1]杨盛泉，刘海泉，刘白林.ZigBee与RS485混合网络的粮情监控系统的研究[J].西安工业大学学报，2016，36（9）：750-756.
[2]陈自刚.基于CC2530的煤矿气体监测终端设计[J].南阳理工学院学报，2016，8（6）：1-4.
[3]赵宏林，廉小亲，郝宝智，等.基于物联网云平台的空调远程控制系统[J].计算机工程与设计，2017，38（1）：265-270.