基于回路取電技術的智能無線適配器在油田中的應用

何錘（中海油田服務股份有限公司 天津市 300452）

無線傳感器網絡（wireless sensor network WSN）在工業領域以及軍事領域都有良好的發展前景，如今隨著科學技術的不斷進步，無線傳感器網絡已經逐漸的趨于完善，但是就現階段而言，有線變送器的應用仍然比較普遍，特別是二線制4-20mA HART儀表，在很多領域中仍被廣泛使用，在這種情況下，如何將二線制4-20mA HART儀表接入無線網絡成為了人們關注的一項焦點問題，筆者在此就以二線制4-20mA HART儀表為例，探討基于回路取電技術的智能無線適配器在油田中的應用，本文研究內容具有一定的現實意義。

一、功能需要

在工業無線網絡中，智能無線適配器是一種重要的擴展設備，能夠使有線HART設備接入無線工業網絡，智能無線適配器能夠獲取智能信息，并且經濟實用，十分簡潔，當設備出現故障之前，可以預先發現問題，避免損失，總體而言，想要應用到油田開采平臺之中，智能無線適配器需要滿足以下功能。

1.不需要額外供電就可以使二線制4-20mAHART儀表接入工業無線網絡。

2.能夠實現在線診斷以及報警功能，避免長時間停工。

3.實時對設備以及過程的健康狀況以及使用性能進行高級診斷。

4.實現主動性維護，節省時間和成本。

5.獲得額外的工程變量，取得更多的過程信息，

二、構架

1.硬件構架

智能無線適配器的硬件構架主要包括四個組成部分，即處理器模塊、HART通訊模塊、電源管理模塊、無線通信模塊，并且智能無線適配器中的各個單元均是獨立運作，節電設計結構清晰，維護起來十分便捷，節點工作的堅強性也得到了很大提升。

在適配器實際運作的過程中，HART通訊模塊能夠采集HART總線信號，并且可以完成信號轉換，在設計HART模塊的過程中，要滿足通用HART標準，此外還要實施HART總線檢測，獲取其健康信息，進而充分了解儀表的信息。處理器模塊能夠對整個節點的操作進行控制，可以處理以及儲存自身所采集的信息，也能夠處理和儲存其它節點傳輸來的信息。無線通信模塊能夠與其它節點實現無線通信，可以收發采集信息，也能夠交換控制信息。電源管理模塊主要提供節點運行需要的能量。

2.軟件構架

在軟件設計中，智能無線適配器主要應用了實時嵌入式系統，總體而言，智能無線適配器的軟件構架主要包括3個部分，即嵌入式操作系統內核層、系統硬件驅動層、用戶應用層。

其中嵌入式操作系統內核層包含了內存管理模塊、調度管理模塊、驅動功能模塊、設備管理模塊等，由底層的驅動功能模塊為其它子系統提供數據。

系統硬件驅動層主要是與操作系統相互結合，為用戶應用層提供相關函數，進而操作硬件動作，并且系統硬件驅動層可以配合業務應用，實現電源監測、壓降控制、數據儲存、電壓檢測、通訊協議解析等功能。

用戶應用層包含應用程序以及程序接口，應用程序可以依據用戶的需求，實現信息的采集和傳輸，同時也提供功能模塊，便于編程，程序接口則是應用程序與操作系統之間的紐帶，能夠向應用程序提供基本庫接口以及系統調用接口。

三、技術應用

1.回路取電技術

要想將智能無線適配器應用到油田生產當中，首先必須要解決現場電源問題，如果增加電源，那么布線成本以及電能成本會增多，如果采取電池供電，會帶來電池漏液等風險，同時也會影響智能無線適配器的使用壽命，基于回路取電技術的智能無線適配器解決了這一問題，采用先進的4-20mA回路供電技術，對回路設備的增長運作沒有任何干擾，而且節省能源，節約成本，基于回路取電技術的智能無線適配器不需要電池供電，安裝在設備上即可，將其應用于油田開采平臺之中，可以在原有的控制結構下，使用無線網絡技術。另一方面，保護電路中具有浪涌保護、反接保護、過壓保護等電路，能夠保證電流環路的安全，環路壓降控制電路能夠檢測電流回路，獲取電流值數據，將環路壓降控制在一定范圍之內，適配器要保證元件在此電壓范圍內供電正常，同時不能干擾電流回路中的其它設備，因此設備運行安全穩定。

2.儀表健康檢測技術

如果控制室無法查看現場HART儀表的診斷信息，就需要工作人員前往現場查看，對于油田開采平臺而言，工作人員前往現場查看HART儀表的診斷信息，不僅浪費精力，更會給工作人員帶來安全隱患，為了解決這一問題，基于回路取電技術的智能無線適配器能夠與健康診斷系統結合使用，將HART儀表的相關信息傳遞給健康狀態識別系統，之后由健康狀態識別系統進行信息分類，排除冗余信息，按照將抗狀態識別系統以及儀表狀態經驗數據庫來診斷儀表。

四、應用實踐

欲將基于回路取電技術的智能無線適配器應用到油田生產，需要保證回路電流處于4-20mA范圍之內，一旦回路電流<3.5mA，總線很容易出現故障，芯片采取低功耗設計，在一定程度上降低了電流消耗，不過值得注意的是，無線模塊的工作電壓一般在幾十甚至上百毫安，仍然很容易干擾電流回路的正常工作，為了解決上述問題，在生產實踐中采用了以下方案：從回路中取得的電能分為兩部分使用，一部分電能用于芯片元件供電，而另一部分電能用于電容充電，這樣一來，電容為智能無線適配器提供電能，確保電流回路能夠正常運作。

通過以上措施，將基于回路取電技術的智能無線適配器應用到油田開采平臺之后，符合預先設計的功能需要，在沒有額外供電的情況下，使二線制4-20mA HART儀表成功接入工業無線網絡，能夠對設備以及過程的健康狀況、使用性能進行高級診斷，實現了主動性維護，并且健康狀態識別系統還能夠依據儀表的健康信息來設定報警值，實現了在線診斷以及報警功能，綜上所述，將基于回路取電技術的智能無線適配器應用到油田開采平臺生產實踐，能夠提高工作效率，節省時間和成本，有利于實現增產。

總結

現如今，無線傳感器網絡逐漸應用到了很多領域中，如何將二線制4-20mAHART儀表接入無線網絡，也成為了人們關注的一項焦點問題，針對這一背景，筆者在此以二線制4-20mA HART儀表為例，介紹了基于回路取電技術的智能無線適配器在油田中的應用，希望對相關工作有所幫助，在以后的發展中，科學技術會不斷進步，無線傳感器網絡技術的應用會更加普遍，新技術的應用勢必會推動油田開采平臺的進步，目前如何進一步完善基于回路取電技術的智能無線適配器，還有待于廣大同仁繼續探究。

[1]鄭軍.物聯網核心技術叢書:無線傳感器網絡技術[M].北京:機械工業出版社，2012.

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