專利名稱：一體化采集控制設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及石油化工的自動控制領域，特別涉及一體化采集控制設備。
背景技術：
在油氣田生產及其它石油工業的各個領域信息技術也逐步得到應用。隨著“數字油田”、“數字石化”、“數字石油”等新的石油行業信息化理念被普遍接受，全球石油石化企業信息新一輪的信息化競賽已經進入了實力較量階段。石油石化企業已經發展到了離開信息系統就無法生存的地步，全面數字化已經成為各石油企業逐鹿中原的重要戰略。一體化采集控制設備是一種遠端測控單元裝置，負責對現場信號、工業設備的監測和控制。與常用的可編程控制器PLC相比，一體化采集控制設備通常要具有優良的通訊能力和更大的存儲容量，適用于更惡劣的溫度和濕度環境，提供更多的計算功能。正是由于一體化采集控制設備完善的功能。使得一體化采集控制設備產品在SCADA系統中得到了大量的應用。一個一體化采集控制設備可以有幾個、幾十個或上百個I/O點組成，可以放置在測量點附近的現場。一體化采集控制設備至少具備以下兩種功能:數據采集及處理、數據傳輸(網絡通信)，當然，許多一體化采集控制設備還具備PID控制功能或邏輯控制功能及各類專業的特殊算法和控制等等。一體化采集控制設備具有豐富的通信接口，支持多種通信方式，通信距離不受限制，在廣域分布式測控系統中得到越來越多的應用。基于一體化采集控制設備技術的數據采集傳輸儀作為專業的工業產品，在安裝上更加集成化，且對環境要求低；采用嵌入式操縱系統，更高的網絡安全性能，適合長期運行免于維護的監測系統使用。在生產過程自動化裝置中，DCS控制系統、PLC控制器是兩類應用最廣泛的自動化控制產品，20世紀80年代之前，這些控制器的I/O卡件均集中在遠離現場的控制室內，與現場裝置儀表(其中包括AI/A0模擬量輸入輸出裝置和DI/D0開關量輸入輸出裝置等)的連接線都是一對一直接接線，我們現在還可以在很多現場看到進出控制室的大量電纜和敷設電纜的大尺寸橋架。在80年代后期，PLC、DCS兩類控制系統先后推出遠離控制室安裝的遠程I/O卡件，它安裝在現場，可就近與現場裝置連線，而這些遠程I/O卡件與安裝在控制室的控制器是通過單根電纜的通信實現信息交換。但也同時遇到了受制于安裝地點的環境因素的影響，限制了其進行更大范圍的應用。隨著一體化采集控制設備的出現這方面的問題也隨之得到了解決，一體化采集控制設備在遠端數據采集轉換及通信方面的優勢明顯。90年代后期通信技術不斷發展帶動了 SCADA系統有了長足發展，一體化采集控制設備產品有了更廣泛的應用領域，成為自動化行業產品應用的一個重要分支。隨著中國的工業化水平和信息化水平不斷提高，SCADA系統技術的應用領域也越來越廣泛。低碳經濟、綠色環保的需求，更加使得市場對一體化采集控制設備產品的需求呈持續增加態勢，對產品性能的要求也越來越高，推動了行業的技術改造和產業升級。在油氣行業生產方面，中國的三大石油生產集團已經進入國際市場，正在承受著日益加大的來自國際石油行業的競爭壓力。以低勞務成本取勝不會是永遠的優勢。數字石油建設對提高油氣開發與生產能力和管理決策水平、降低經營風險具有重大意義。另外，數字油田和數字石化也是石油石化企業全面升級與再造的需要。這些需求越來越迫切，越來越復雜，越來越苛亥IJ，只有建設全面數字化的油田和企業才是最終的解決之道。而組成數字油田最基本單元就是一體化采集控制設備控制器。長輸管線和城市管網以及市政供水領域是SCADA系統運用最為廣泛的行業，是一體化采集控制設備應用最為密集的行業，也是應用最為成熟的行業。在其它眾多行業中，一體化采集控制設備都是可以得到廣泛應用的，因此，市場前景非常廣闊。由此吸引了更多的國際知名自動化公司參與到一體化采集控制設備的研發制造中來。現有的技術是有線一體化采集控制設備和無線一體化采集控制設備分開設計的，是兩個單獨的產品。1、有線一體化采集控制設備一體化采集控制設備是現場儀表與上位機系統的連接器。一體化采集控制設備通過數字通道、模擬通道、開關量通道采集監測儀表的檢測數據、狀態等信息，然后通過傳輸網絡將數據、狀態傳輸至上位機。如圖1所示，有線一體化采集控制設備由主控制器CPU、FRAM存儲器、RS232、RS485、供電電路、復位電路、模擬量輸入組成。本方案設計中，采用RS485進行通訊，使用的是MODBUS通訊協議；使用主控制器CPU完成控制、采集、運算、通訊處理等全部功能；復位電路避免因掉電或者電壓不穩定造成單片機程序錯誤或者程序執行錯誤。2、無線一體化采集控制設備如圖2所示，無線一體化采集控制設備由主控制器CPU、FRAM存儲器、RS232、RS485、供電電路、復位電路、GPRS模塊以及RF無線傳輸模塊組成。本方案設計中，采用RS485進行通訊，使用的是MODBUS通訊協議；使用主控制器CPU完成控制、采集、運算、通訊處理等全部功能；復位電路避免因掉電或者電壓不穩定造成單片機程序錯誤或者程序執行錯誤；通過RF無線傳輸模塊將采集到的參數通過RS232或者GPRS無線傳輸至上位機。現有技術的主要缺點是:對于有線一體化采集控制設備來說，現場布線時有些地方布線不方便，甚至無法布線；對于無線一體化采集控制設備來說，帶寬低、傳輸的距離有限(一般不超過30公里)、通信容易受天氣和電磁干擾。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種具有無線一體化采集控制設備和有線一體化采集控制設備雙重功能的一體化采集控制設備，使用無線配置可以解決一些地方布線的問題，使用有線配置同時又解決了信號受天氣影響和電磁干擾嚴重地區的通信問題。本實用新型提供了一體化采集控制設備，包括主控制器CPU、存儲器、第一通信接口、第二通信接口、無線通訊裝置、供電電路和復位電路，其中，所述供電電路和所述復位電路分別與所述主控制器CPU連接，所述存儲器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和無線通訊裝置分別與所述主控制器CPU連接，所述第一通信接口和所述無線通訊裝置還與主控系統連接，所述第二通信接口和所述無線通訊裝置還與現場設備連接，所述第一通信接口和所述第二通信接口還與所述存儲器連接。所述第一通信接口是RS232，所述第二通信接口是RS485。所述無線通訊裝置包括GPRS模塊和RF無線傳輸模塊。一體化采集控制設備還包括模擬輸入接口和低通有源模擬濾波器，所述模擬模擬輸入接口的輸出端與低通有源模擬濾波器的輸入端連接，所述低通有源模擬濾波器的輸出端與所述主控制器CPU連接。還包括10M/100M以太網，所述的RS232和網口共用一個UART接口。所述現場設備包括儀表、流量計和變頻器。所述存儲器為FRAM，其接口為SPI接口。還包括硬件看門狗、RTC實時時鐘、DI信號輸入端、PI電路、晶體管輸出DO和Al接線方式的輸入端，所述供電電路的輸出端與所述硬件看門狗的一端連接，所述硬件看門狗的另一端與所述主控制器CPU連接，RTC實時時鐘、DI信號輸入端、PI電路、晶體管輸出DO和Al接線方式的輸入端分別與所述主控制器CPU連接。本實用新型的技術效果在于，本實用新型所提供的一體化采集控制設備，同時具有無線和有線一體化采集控制設備，使用無線可以解決一些地方布線的問題，使用有線同時又解決了信號受天氣影響和電磁干擾嚴重地區的通信問題，既節省了成本又能可靠的接收和傳輸數據。本實用新型的其它特征和優點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本實用新型而了解。本實用新型的目的和其他優點可通過在所寫的說明書、權利要求書、以及附圖中所特別指出的結構來實現和獲得。下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本實用新型的實施例一起用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的限制。在附圖中:圖1為現有技術中一個具體實施例的示意圖；圖2為現有技術中另一個具體實施例的示意圖；圖3為本實用新型一個具體實施例的示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用于說明和解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。以下將結合說明書附圖，詳細描述本實用新型。本實用新型提供了一種一體化采集控制設備，其包括主控制器CPU、存儲器、第一通信接口、第二通信接口、無線通訊裝置、供電電路和復位電路，其中，所述供電電路和所述復位電路分別與所述主控制器CPU連接，所述存儲器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和無線通訊裝置分別與所述主控制器CPU通信，所述第一通信接口和所述無線通訊裝置還與主控系統通信，所述第二通信接口和所述無線通訊裝置還與現場設備通信，所述第一通信接口和所述第二通信接口還與所述存儲器通信。主控系統運行在監控中心的上位機中。作為本實用新型的一個具體實施例，如圖3所示，其包括主控制器CPU、FRAM存儲器、RS232、RS485、無線通訊部分、供電電路、10M/100M以太網網絡部分、濾波電路和復位電路，另外還包括硬件看門狗，RTC實時時鐘，脈沖輸入，模擬輸入和數字輸入/輸出。本實用新型的一體化采集控制設備，采用RS485進行通訊，采用RS232與主機通訊；也可以通過無線通訊與主機通訊；還可以通過可選的以太網模塊與主機通訊；使用主控制器MCU完成控制、采集、運算、通訊處理等全部功能；為了避免外部干擾信號干擾采集的有用信號，在模擬模擬輸入接口加入低通有源模擬濾波器，濾除沒有用的高頻噪聲，保留低頻信號，把這個低頻信號加入單片機的ADC內，進行采集。復位電路避免因掉電或者電壓不穩定造成單片機程序錯誤或者程序執行錯誤。本實用新型的一體化采集控制設備，通過半雙工的RS485現場的流量計和變頻器通訊，發送和接收符合MODBUS協議的數據，可以通過RS232 (或者網口)把采集的信息發送到上位控制系統中，或者需要的數據發送給變頻器。RS485的波特率、奇偶校驗設置保存在flash中，在下一次上電是保存為上一次的設置值，沒有設置值時采用默認波特率和奇偶校驗通訊。通過全雙工的RS232與主控系統連接，實現模擬輸入的采集、數字輸入、數字輸出、脈沖輸入功能，同時把數據上傳到主控系統。協議為MODBUS。RS232的波特率、奇偶校驗設置保存在flash中，在下一次上電是保存為上一次的設置值，沒有設置值時采用默認波特率和奇偶校驗通訊。通過10M/100M的以太網與主控系統連接，實現模擬輸入的采集、數字輸入、數字輸出、脈沖輸入功能，同時把數據上傳到主控系統。協議為M0DBUS/TCP或者M0DBUS/UDP。無線模塊用于與現場儀表通訊，通過ZIGBEE無線與現場的溫度、壓力、一體化示功儀通訊，再通過RS232 (或者網口)發送到上位控制系統中。所述的RS232和網口共用CPU的一個UART接口，即使用RS232就不能使用網口。FRAM使用SPI接口，FRAM產品結合了 ROM的非易性數據存儲性能和RAM的優勢，具有幾乎無限次的讀寫次數、高速讀寫周期和低功耗特點。FRAM用于存儲一些掉電保存，并需要經常寫入、讀出的數據。如總的運行時間、運行配置參數等。電源具有反向保護功能。所述的DI采用光耦與單片機隔離，DI信號的是基于一個參考端的。DI信號可以為繼電器的輸出。還有2路PI電路用于接高速的脈沖信號。DO是晶體管輸出，需要外部供電，與單片機的電源隔離。Al接線方式支持兩線制方式儀表。可以對模擬輸入的采集通道，把載荷和角位移傳感器的輸入信號進行功圖分析，然后把功圖存入到FRAM中。同時可以采集8路模擬通道的數據，采集6路數字輸入，采集2路的脈沖輸入，可以輸出數字FET型輸出。輸入信號可以通過通訊讀出；輸出可以通過通訊設置，而且輸出在下一次上電時保存為上一次的設置值。8路模擬輸入通道可以通過軟件校準由采樣電阻等外圍器件造成的采集精度不高。RTC具有后備電源，工業鋰電池。本實用新型的一體化采集控制設備具有通訊功能，可以通過RS232或者100M網口與上位采集系統進行數字通訊，通過配置可以直接和GPRS電臺，或轉接后和無線網橋連接進行遠程數據通信；具有存儲轉發功能，即監控中心無法直接與邊遠油井采集點通訊，可以任意制定中間位置的一體化采集控制設備轉發數據；具有模塊擴展功能，多余一個模塊的輸入容量時，可以方便并列模塊進行擴展；多通道輸入輸出功能:模擬量輸入、開關量輸入、開關量輸出；具有遠程診斷功能，即一體化采集控制設備模塊與連接的變送器的故障不僅直接在面板上以指示燈的方式顯示，同時也可以在監控中心計算機巡檢獲得模塊故障信息(變送器故障，變送器線路，系統溫度，電源，工作電流，存儲器，通信故障)；具有故障自動停機功能，如設定的最小載荷、最大載荷、井口溫度、井口壓力超限自動停機控制，再比如對電機的缺相、過流、過載的保護停機等；具有功圖數據存儲功能，可以存儲1000套示功圖數據(單獨采集功圖時)；具有編程控制抽油機運行的功能，自動間隔抽油控制等。一體化采集控制設備，將有線一體化采集控制設備和無線一體化采集控制設備集成到一個PCB上，不但節省了成本，還增強了一體化采集控制設備的功能。不僅使施工方便，在有線一體化采集控制設備無法布線的地方可以使用無線，在無線信號有局限性的地方可以使用有線，這個方案將是有線一體化采集控制設備和無線一體化采集控制設備的一個互補方案，充分發揮了各自的優點。應說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型而非限制，本實用新型也并不僅限于上述舉例，一切不脫離本實用新型的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍中。
權利要求1.一體化采集控制設備，其特征在于，包括主控制器CPU、存儲器、第一通信接口、第二通信接口、無線通訊裝置、供電電路和復位電路，其中， 所述供電電路和所述復位電路分別與所述主控制器CPU連接，所述存儲器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和無線通訊裝置分別與所述主控制器CPU連接，所述第一通信接口和所述無線通訊裝置還與主控系統連接，所述第二通信接口和所述無線通訊裝置還與現場設備連接，所述第一通信接口和所述第二通信接口還與所述存儲器連接。
2.如權利要I所述的一體化采集控制設備，其特征在于，所述第一通信接口是RS232，所述第二通信接口是RS485。
3.如權利要I或2所述的一體化采集控制設備，其特征在于，所述無線通訊裝置包括GPRS模塊和RF無線傳輸模塊。
4.如權利要3所述的一體化采集控制設備，其特征在于，一體化采集控制設備還包括模擬輸入端和低通有源模擬濾波器，所述模擬輸入端的輸出端與低通有源模擬濾波器的輸入端連接，所述低通有源模擬濾波器的輸出端與所述主控制器CPU連接。
5.如權利要3所述的一體化采集控制設備，其特征在于，還包括10M/100M以太網，所述的RS232和網口共用一個UART接口。
6.如權利要3所述的一體化采集控制設備，其特征在于，所述現場設備包括儀表、流量計和變頻器。
7.如權利要3所述的一體化采集控制設備，其特征在于，所述存儲器為FRAM，其接口為SPI 接口。
8.如權利要3所述的一體化采集控制設備，其特征在于，還包括硬件看門狗、RTC實時時鐘、DI信號輸入端、PI電路、晶體管輸出DO和Al接線方式的輸入端，所述供電電路的輸出端與所述硬件看門狗的一端連接，所述硬件看門狗的另一端與所述主控制器CPU連接，RTC實時時鐘、DI信號輸入端、PI電路、晶體管輸出DO和Al接線方式的輸入端分別與所述主控制器CPU連接。
專利摘要本實用新型公開了一體化采集控制設備，其包括主控制器CPU、存儲器、第一通信接口、第二通信接口、無線通訊裝置、供電電路和復位電路，其中，供電電路和復位電路分別與主控制器CPU連接，存儲器、第一通信接口、第二通信接口和無線通訊裝置分別與主控制器CPU通信，第一通信接口和無線通訊裝置還與主控系統通信，第二通信接口和無線通訊裝置還與現場設備通信，第一通信接口和/或第二通信接口還與存儲器通信。本實用新型所提供的一體化采集控制設備，同時具有無線和有線一體化采集控制設備，使用無線可以解決一些地方布線的問題，使用有線同時又解決了信號受天氣影響和電磁干擾嚴重地區的通信問題，既節省了成本又能可靠的接收和傳輸數據。
文檔編號G05B19/418GK203012469SQ20122068251
公開日2013年6月19日 申請日期2012年12月11日 優先權日2012年12月11日
發明者郭月明, 劉守會, 邊飛, 蘭蘭, 王雨 申請人:北京中油瑞飛信息技術有限責任公司, 中國石油集團東方地球物理勘探有限責任公司