基于回路取电技术的智能无线适配器在油田中的应用

何锤（中海油田服务股份有限公司 天津市 300452）

无线传感器网络（wireless sensor network WSN）在工业领域以及军事领域都有良好的发展前景，如今随着科学技术的不断进步，无线传感器网络已经逐渐的趋于完善，但是就现阶段而言，有线变送器的应用仍然比较普遍，特别是二线制4-20mA HART仪表，在很多领域中仍被广泛使用，在这种情况下，如何将二线制4-20mA HART仪表接入无线网络成为了人们关注的一项焦点问题，笔者在此就以二线制4-20mA HART仪表为例，探讨基于回路取电技术的智能无线适配器在油田中的应用，本文研究内容具有一定的现实意义。

一、功能需要

在工业无线网络中，智能无线适配器是一种重要的扩展设备，能够使有线HART设备接入无线工业网络，智能无线适配器能够获取智能信息，并且经济实用，十分简洁，当设备出现故障之前，可以预先发现问题，避免损失，总体而言，想要应用到油田开采平台之中，智能无线适配器需要满足以下功能。

1.不需要额外供电就可以使二线制4-20mAHART仪表接入工业无线网络。

2.能够实现在线诊断以及报警功能，避免长时间停工。

3.实时对设备以及过程的健康状况以及使用性能进行高级诊断。

4.实现主动性维护，节省时间和成本。

5.获得额外的工程变量，取得更多的过程信息，

二、构架

1.硬件构架

智能无线适配器的硬件构架主要包括四个组成部分，即处理器模块、HART通讯模块、电源管理模块、无线通信模块，并且智能无线适配器中的各个单元均是独立运作，节电设计结构清晰，维护起来十分便捷，节点工作的坚强性也得到了很大提升。

在适配器实际运作的过程中，HART通讯模块能够采集HART总线信号，并且可以完成信号转换，在设计HART模块的过程中，要满足通用HART标准，此外还要实施HART总线检测，获取其健康信息，进而充分了解仪表的信息。处理器模块能够对整个节点的操作进行控制，可以处理以及储存自身所采集的信息，也能够处理和储存其它节点传输来的信息。无线通信模块能够与其它节点实现无线通信，可以收发采集信息，也能够交换控制信息。电源管理模块主要提供节点运行需要的能量。

2.软件构架

在软件设计中，智能无线适配器主要应用了实时嵌入式系统，总体而言，智能无线适配器的软件构架主要包括3个部分，即嵌入式操作系统内核层、系统硬件驱动层、用户应用层。

其中嵌入式操作系统内核层包含了内存管理模块、调度管理模块、驱动功能模块、设备管理模块等，由底层的驱动功能模块为其它子系统提供数据。

系统硬件驱动层主要是与操作系统相互结合，为用户应用层提供相关函数，进而操作硬件动作，并且系统硬件驱动层可以配合业务应用，实现电源监测、压降控制、数据储存、电压检测、通讯协议解析等功能。

用户应用层包含应用程序以及程序接口，应用程序可以依据用户的需求，实现信息的采集和传输，同时也提供功能模块，便于编程，程序接口则是应用程序与操作系统之间的纽带，能够向应用程序提供基本库接口以及系统调用接口。

三、技术应用

1.回路取电技术

要想将智能无线适配器应用到油田生产当中，首先必须要解决现场电源问题，如果增加电源，那么布线成本以及电能成本会增多，如果采取电池供电，会带来电池漏液等风险，同时也会影响智能无线适配器的使用寿命，基于回路取电技术的智能无线适配器解决了这一问题，采用先进的4-20mA回路供电技术，对回路设备的增长运作没有任何干扰，而且节省能源，节约成本，基于回路取电技术的智能无线适配器不需要电池供电，安装在设备上即可，将其应用于油田开采平台之中，可以在原有的控制结构下，使用无线网络技术。另一方面，保护电路中具有浪涌保护、反接保护、过压保护等电路，能够保证电流环路的安全，环路压降控制电路能够检测电流回路，获取电流值数据，将环路压降控制在一定范围之内，适配器要保证元件在此电压范围内供电正常，同时不能干扰电流回路中的其它设备，因此设备运行安全稳定。

2.仪表健康检测技术

如果控制室无法查看现场HART仪表的诊断信息，就需要工作人员前往现场查看，对于油田开采平台而言，工作人员前往现场查看HART仪表的诊断信息，不仅浪费精力，更会给工作人员带来安全隐患，为了解决这一问题，基于回路取电技术的智能无线适配器能够与健康诊断系统结合使用，将HART仪表的相关信息传递给健康状态识别系统，之后由健康状态识别系统进行信息分类，排除冗余信息，按照将抗状态识别系统以及仪表状态经验数据库来诊断仪表。

四、应用实践

欲将基于回路取电技术的智能无线适配器应用到油田生产，需要保证回路电流处于4-20mA范围之内，一旦回路电流<3.5mA，总线很容易出现故障，芯片采取低功耗设计，在一定程度上降低了电流消耗，不过值得注意的是，无线模块的工作电压一般在几十甚至上百毫安，仍然很容易干扰电流回路的正常工作，为了解决上述问题，在生产实践中采用了以下方案：从回路中取得的电能分为两部分使用，一部分电能用于芯片元件供电，而另一部分电能用于电容充电，这样一来，电容为智能无线适配器提供电能，确保电流回路能够正常运作。

通过以上措施，将基于回路取电技术的智能无线适配器应用到油田开采平台之后，符合预先设计的功能需要，在没有额外供电的情况下，使二线制4-20mA HART仪表成功接入工业无线网络，能够对设备以及过程的健康状况、使用性能进行高级诊断，实现了主动性维护，并且健康状态识别系统还能够依据仪表的健康信息来设定报警值，实现了在线诊断以及报警功能，综上所述，将基于回路取电技术的智能无线适配器应用到油田开采平台生产实践，能够提高工作效率，节省时间和成本，有利于实现增产。

总结

现如今，无线传感器网络逐渐应用到了很多领域中，如何将二线制4-20mAHART仪表接入无线网络，也成为了人们关注的一项焦点问题，针对这一背景，笔者在此以二线制4-20mA HART仪表为例，介绍了基于回路取电技术的智能无线适配器在油田中的应用，希望对相关工作有所帮助，在以后的发展中，科学技术会不断进步，无线传感器网络技术的应用会更加普遍，新技术的应用势必会推动油田开采平台的进步，目前如何进一步完善基于回路取电技术的智能无线适配器，还有待于广大同仁继续探究。

[1]郑军.物联网核心技术丛书:无线传感器网络技术[M].北京:机械工业出版社，2012.

[2]潘永湘.过程控制与自动化仪表[M].机械工业出版社，2007.

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