CN203012469U - 一体化采集控制设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一体化采集控制设备，其包括主控制器CPU、存储器、第一通信接口、第二通信接口、无线通讯装置、供电电路和复位电路，其中，供电电路和复位电路分别与主控制器CPU连接，存储器、第一通信接口、第二通信接口和无线通讯装置分别与主控制器CPU通信，第一通信接口和无线通讯装置还与主控系统通信，第二通信接口和无线通讯装置还与现场设备通信，第一通信接口和/或第二通信接口还与存储器通信。本实用新型所提供的一体化采集控制设备，同时具有无线和有线一体化采集控制设备，使用无线可以解决一些地方布线的问题，使用有线同时又解决了信号受天气影响和电磁干扰严重地区的通信问题，既节省了成本又能可靠的接收和传输数据。

Description

一体化采集控制设备

技术领域

本实用新型涉及石油化工的自动控制领域，特别涉及一体化采集控制设备。

背景技术

在油气田生产及其它石油工业的各个领域信息技术也逐步得到应用。随着“数字油田”、“数字石化”、“数字石油”等新的石油行业信息化理念被普遍接受，全球石油石化企业信息新一轮的信息化竞赛已经进入了实力较量阶段。石油石化企业已经发展到了离开信息系统就无法生存的地步，全面数字化已经成为各石油企业逐鹿中原的重要战略。

一体化采集控制设备是一种远端测控单元装置，负责对现场信号、工业设备的监测和控制。与常用的可编程控制器PLC相比，一体化采集控制设备通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。正是由于一体化采集控制设备完善的功能。使得一体化采集控制设备产品在SCADA系统中得到了大量的应用。

一个一体化采集控制设备可以有几个、几十个或上百个I/O点组成，可以放置在测量点附近的现场。一体化采集控制设备至少具备以下两种功能：数据采集及处理、数据传输(网络通信)，当然，许多一体化采集控制设备还具备PID控制功能或逻辑控制功能及各类专业的特殊算法和控制等等。

一体化采集控制设备具有丰富的通信接口，支持多种通信方式，通信距离不受限制，在广域分布式测控系统中得到越来越多的应用。

基于一体化采集控制设备技术的数据采集传输仪作为专业的工业产品，在安装上更加集成化，且对环境要求低；采用嵌入式操纵系统，更高的网络安全性能，适合长期运行免于维护的监测系统使用。

在生产过程自动化装置中，DCS控制系统、PLC控制器是两类应用最广泛的自动化控制产品，20世纪80年代之前，这些控制器的I/O卡件均集中在远离现场的控制室内，与现场装置仪表（其中包括AI/AO模拟量输入输出装置和DI/DO 开关量输入输出装置等）的连接线都是一对一直接接线，我们现在还可以在很多现场看到进出控制室的大量电缆和敷设电缆的大尺寸桥架。在80年代后期，PLC、DCS两类控制系统先后推出远离控制室安装的远程I/O卡件，它安装在现场，可就近与现场装置连线，而这些远程I/O 卡件与安装在控制室的控制器是通过单根电缆的通信实现信息交换。但也同时遇到了受制于安装地点的环境因素的影响，限制了其进行更大范围的应用。随着一体化采集控制设备的出现这方面的问题也随之得到了解决，一体化采集控制设备在远端数据采集转换及通信方面的优势明显。90年代后期通信技术不断发展带动了SCADA系统有了长足发展，一体化采集控制设备产品有了更广泛的应用领域，成为自动化行业产品应用的一个重要分支。

随着中国的工业化水平和信息化水平不断提高，SCADA系统技术的应用领域也越来越广泛。低碳经济、绿色环保的需求，更加使得市场对一体化采集控制设备产品的需求呈持续增加态势，对产品性能的要求也越来越高，推动了行业的技术改造和产业升级。在油气行业生产方面，中国的三大石油生产集团已经进入国际市场，正在承受着日益加大的来自国际石油行业的竞争压力。以低劳务成本取胜不会是永远的优势。数字石油建设对提高油气开发与生产能力和管理决策水平、降低经营风险具有重大意义。另外，数字油田和数字石化也是石油石化企业全面升级与再造的需要。这些需求越来越迫切，越来越复杂，越来越苛刻，只有建设全面数字化的油田和企业才是最终的解决之道。而组成数字油田最基本单元就是一体化采集控制设备控制器。长输管线和城市管网以及市政供水领域是SCADA系统运用最为广泛的行业，是一体化采集控制设备应用最为密集的行业，也是应用最为成熟的行业。在其它众多行业中，一体化采集控制设备都是可以得到广泛应用的，因此，市场前景非常广阔。由此吸引了更多的国际知名自动化公司参与到一体化采集控制设备的研发制造中来。

现有的技术是有线一体化采集控制设备和无线一体化采集控制设备分开设计的，是两个单独的产品。

1、有线一体化采集控制设备

一体化采集控制设备是现场仪表与上位机系统的连接器。一体化采集控制设备通过数字通道、模拟通道、开关量通道采集监测仪表的检测数据、状态等信息，然后通过传输网络将数据、状态传输至上位机。

如图1所示，有线一体化采集控制设备由主控制器CPU、FRAM存储器、RS232、RS485、供电电路、复位电路、模拟量输入组成。本方案设计中，采用RS485进行通讯，使用的是MODBUS通讯协议；使用主控制器CPU完成控制、采集、运算、通讯处理等全部功能；复位电路避免因掉电或者电压不稳定造成单片机程序错误或者程序执行错误。

2、无线一体化采集控制设备

如图2所示，无线一体化采集控制设备由主控制器CPU、FRAM存储器、RS232、RS485、供电电路、复位电路、GPRS模块以及RF无线传输模块组成。本方案设计中，采用RS485进行通讯，使用的是MODBUS通讯协议；使用主控制器CPU完成控制、采集、运算、通讯处理等全部功能；复位电路避免因掉电或者电压不稳定造成单片机程序错误或者程序执行错误；通过RF无线传输模块将采集到的参数通过RS232或者GPRS无线传输至上位机。

现有技术的主要缺点是：对于有线一体化采集控制设备来说，现场布线时有些地方布线不方便，甚至无法布线；对于无线一体化采集控制设备来说，带宽低、传输的距离有限（一般不超过30公里）、通信容易受天气和电磁干扰。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种具有无线一体化采集控制设备和有线一体化采集控制设备双重功能的一体化采集控制设备，使用无线配置可以解决一些地方布线的问题，使用有线配置同时又解决了信号受天气影响和电磁干扰严重地区的通信问题。

本实用新型提供了一体化采集控制设备，包括主控制器CPU、存储器、第一通信接口、第二通信接口、无线通讯装置、供电电路和复位电路，其中，

所述供电电路和所述复位电路分别与所述主控制器CPU连接，所述存储器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和无线通讯装置分别与所述主控制器CPU连接，所述第一通信接口和所述无线通讯装置还与主控系统连接，所述第二通信接口和所述无线通讯装置还与现场设备连接，所述第一通信接口和所述第二通信接口还与所述存储器连接。

所述第一通信接口是RS232，所述第二通信接口是RS485。

所述无线通讯装置包括GPRS模块和RF无线传输模块。

一体化采集控制设备还包括模拟输入接口和低通有源模拟滤波器，所述模拟模拟输入接口的输出端与低通有源模拟滤波器的输入端连接，所述低通有源模拟滤波器的输出端与所述主控制器CPU连接。

还包括10M/100M以太网，所述的RS232和网口共用一个UART接口。

所述现场设备包括仪表、流量计和变频器。

所述存储器为FRAM，其接口为SPI接口。

还包括硬件看门狗、RTC实时时钟、DI信号输入端、PI电路、晶体管输出DO和AI接线方式的输入端，所述供电电路的输出端与所述硬件看门狗的一端连接，所述硬件看门狗的另一端与所述主控制器CPU连接，RTC实时时钟、DI信号输入端、PI电路、晶体管输出DO和AI接线方式的输入端分别与所述主控制器CPU连接。

本实用新型的技术效果在于，本实用新型所提供的一体化采集控制设备，同时具有无线和有线一体化采集控制设备，使用无线可以解决一些地方布线的问题，使用有线同时又解决了信号受天气影响和电磁干扰严重地区的通信问题，既节省了成本又能可靠的接收和传输数据。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为现有技术中一个具体实施例的示意图；

图2为现有技术中另一个具体实施例的示意图；

图3为本实用新型一个具体实施例的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

以下将结合说明书附图，详细描述本实用新型。

本实用新型提供了一种一体化采集控制设备，其包括主控制器CPU、存储器、第一通信接口、第二通信接口、无线通讯装置、供电电路和复位电路，其中，所述供电电路和所述复位电路分别与所述主控制器CPU连接，所述存储器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和无线通讯装置分别与所述主控制器CPU通信，所述第一通信接口和所述无线通讯装置还与主控系统通信，所述第二通信接口和所述无线通讯装置还与现场设备通信，所述第一通信接口和所述第二通信接口还与所述存储器通信。主控系统运行在监控中心的上位机中。

作为本实用新型的一个具体实施例，如图3所示，其包括主控制器CPU、FRAM存储器、RS232、RS485、无线通讯部分、供电电路、10M/100M以太网网络部分、滤波电路和复位电路，另外还包括硬件看门狗，RTC实时时钟，脉冲输入，模拟输入和数字输入/输出。

本实用新型的一体化采集控制设备，采用RS485进行通讯，采用RS232与主机通讯；也可以通过无线通讯与主机通讯；还可以通过可选的以太网模块与主机通讯；使用主控制器MCU完成控制、采集、运算、通讯处理等全部功能；为了避免外部干扰信号干扰采集的有用信号，在模拟模拟输入接口加入低通有源模拟滤波器，滤除没有用的高频噪声，保留低频信号，把这个低频信号加入单片机的ADC内，进行采集。复位电路避免因掉电或者电压不稳定造成单片机程序错误或者程序执行错误。

本实用新型的一体化采集控制设备，通过半双工的RS485现场的流量计和变频器通讯，发送和接收符合MODBUS协议的数据，可以通过RS232（或者网口）把采集的信息发送到上位控制系统中，或者需要的数据发送给变频器。RS485的波特率、奇偶校验设置保存在flash中，在下一次上电是保存为上一次的设置值，没有设置值时采用默认波特率和奇偶校验通讯。通过全双工的RS232与主控系统连接，实现模拟输入的采集、数字输入、数字输出、脉冲输入功能，同时把数据上传到主控系统。协议为MODBUS。RS232的波特率、奇偶校验设置保存在flash中，在下一次上电是保存为上一次的设置值，没有设置值时采用默认波特率和奇偶校验通讯。通过10M/100M的以太网与主控系统连接，实现模拟输入的采集、数字输入、数字输出、脉冲输入功能，同时把数据上传到主控系统。协议为MODBUS/TCP或者MODBUS/UDP。无线模块用于与现场仪表通讯，通过ZIGBEE无线与现场的温度、压力、一体化示功仪通讯，再通过RS232（或者网口）发送到上位控制系统中。

所述的RS232和网口共用CPU的一个UART接口，即使用RS232就不能使用网口。FRAM使用SPI接口，FRAM产品结合了ROM的非易性数据存储性能和RAM的优势，具有几乎无限次的读写次数、高速读写周期和低功耗特点。FRAM用于存储一些掉电保存，并需要经常写入、读出的数据。如总的运行时间、运行配置参数等。电源具有反向保护功能。

所述的DI采用光耦与单片机隔离，DI信号的是基于一个参考端的。DI信号可以为继电器的输出。还有2路PI电路用于接高速的脉冲信号。DO是晶体管输出，需要外部供电，与单片机的电源隔离。AI接线方式支持两线制方式仪表。可以对模拟输入的采集通道，把载荷和角位移传感器的输入信号进行功图分析，然后把功图存入到FRAM中。同时可以采集8路模拟通道的数据，采集6路数字输入，采集2路的脉冲输入，可以输出数字FET型输出。输入信号可以通过通讯读出；输出可以通过通讯设置，而且输出在下一次上电时保存为上一次的设置值。8路模拟输入通道可以通过软件校准由采样电阻等外围器件造成的采集精度不高。RTC具有后备电源，工业锂电池。

本实用新型的一体化采集控制设备具有通讯功能，可以通过RS232或者100M网口与上位采集系统进行数字通讯，通过配置可以直接和GPRS电台，或转接后和无线网桥连接进行远程数据通信；具有存储转发功能，即监控中心无法直接与边远油井采集点通讯，可以任意制定中间位置的一体化采集控制设备转发数据；具有模块扩展功能，多余一个模块的输入容量时，可以方便并列模块进行扩展；多通道输入输出功能：模拟量输入、开关量输入、开关量输出；具有远程诊断功能，即一体化采集控制设备模块与连接的变送器的故障不仅直接在面板上以指示灯的方式显示，同时也可以在监控中心计算机巡检获得模块故障信息（变送器故障，变送器线路，系统温度，电源，工作电流，存储器，通信故障）；具有故障自动停机功能，如设定的最小载荷、最大载荷、井口温度、井口压力超限自动停机控制，再比如对电机的缺相、过流、过载的保护停机等；具有功图数据存储功能，可以存储1000套示功图数据（单独采集功图时）；具有编程控制抽油机运行的功能，自动间隔抽油控制等。

一体化采集控制设备，将有线一体化采集控制设备和无线一体化采集控制设备集成到一个PCB上，不但节省了成本，还增强了一体化采集控制设备的功能。不仅使施工方便，在有线一体化采集控制设备无法布线的地方可以使用无线，在无线信号有局限性的地方可以使用有线，这个方案将是有线一体化采集控制设备和无线一体化采集控制设备的一个互补方案，充分发挥了各自的优点。

应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型而非限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，一切不脱离本实用新型的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围中。

Claims (8)

1.一体化采集控制设备，其特征在于，包括主控制器CPU、存储器、第一通信接口、第二通信接口、无线通讯装置、供电电路和复位电路，其中，

所述供电电路和所述复位电路分别与所述主控制器CPU连接，所述存储器、所述第一通信接口、所述第二通信接口和无线通讯装置分别与所述主控制器CPU连接，所述第一通信接口和所述无线通讯装置还与主控系统连接，所述第二通信接口和所述无线通讯装置还与现场设备连接，所述第一通信接口和所述第二通信接口还与所述存储器连接。

2.如权利要1所述的一体化采集控制设备，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.如权利要1或2所述的一体化采集控制设备，其特征在于，所述无线通讯装置包括GPRS模块和RF无线传输模块。

4.如权利要3所述的一体化采集控制设备，其特征在于，一体化采集控制设备还包括模拟输入端和低通有源模拟滤波器，所述模拟输入端的输出端与低通有源模拟滤波器的输入端连接，所述低通有源模拟滤波器的输出端与所述主控制器CPU连接。

5.如权利要3所述的一体化采集控制设备，其特征在于，还包括10M/100M以太网，所述的RS232和网口共用一个UART接口。

6.如权利要3所述的一体化采集控制设备，其特征在于，所述现场设备包括仪表、流量计和变频器。

7.如权利要3所述的一体化采集控制设备，其特征在于，所述存储器为FRAM，其接口为SPI接口。

8.如权利要3所述的一体化采集控制设备，其特征在于，还包括硬件看门狗、RTC实时时钟、DI信号输入端、PI电路、晶体管输出DO和AI接线方式的输入端，所述供电电路的输出端与所述硬件看门狗的一端连接，所述硬件看门狗的另一端与所述主控制器CPU连接，RTC实时时钟、DI信号输入端、PI电路、晶体管输出DO和AI接线方式的输入端分别与所述主控制器CPU连接。

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