基于RTU油井遠程測控系統的數據采集與傳輸層軟件設

摘要：提出了一種基于RTU油井遠程測控系統的數據采集和傳輸層軟件設計方案。介紹了實(shí)現各種傳感器的數據采集、傳輸以及外部繼電器控制的軟件設計方法，并對實(shí)現Modbus／RTU和Modbus／TCP的通信進(jìn)行了詳細分析。分析結果顯示：通過(guò)軟件配置，可實(shí)現多種工作方式，有利于該系統在不同場(chǎng)合下的應用。
關(guān)鍵詞：RTU；Modbus／RTU；Modbus／TCP；主從輪詢(xún)；可配置

0 引言
每一個(gè)油田都擁有眾多的油氣井，并且分布在山川曠野里，油氣井的管理方式多為由人工每日值守，定時(shí)檢查設備運行情況，記錄相關(guān)數據。這種方式增加了用工人數，加大了護井工勞動(dòng)強度，最重要的是影響對設備的監控。當抽油機、電泵出現微小故障時(shí)，往往很難被人工及時(shí)發(fā)現，從而得不到有效地防護與控制。
為了能有效地發(fā)現油井、地層、油藏的變化，可用油井遠程測控系統，通過(guò)在抽油機上安裝位移傳感器和載荷傳感器，檢測抽油機的工況，實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測抽油機工作參數，及時(shí)發(fā)現故障并報警，及時(shí)維護。本文提出了一種基于RTU的油井遠程測控系統的數據采集與傳輸層設計方案，并將該方案用于實(shí)際的井場(chǎng)應用中。

1 油井遠程測控系統總體架構
油井遠程測控系統的總體架構如圖1所示，整個(gè)測控系統的組網(wǎng)架構分為現場(chǎng)局域網(wǎng)、企業(yè)信息網(wǎng)兩大部分。網(wǎng)絡(luò )拓撲采用分層星型拓撲，是為了在中央測控室的中央測控服務(wù)器與現場(chǎng)局域網(wǎng)的各個(gè)測控代理服務(wù)器的測控對象之間建立更有效的連接方式。每個(gè)測控分站設測控代理服務(wù)器，實(shí)時(shí)發(fā)送或讀取的井場(chǎng)設備數據先經(jīng)測控代理服務(wù)器處理后再并行傳輸到中央測控服務(wù)器，這樣既讓等級高的設備預警信號得到現場(chǎng)級的及時(shí)響應，又減輕了中央測控服務(wù)器處理數據的壓力。WEB服務(wù)器與中央測控服務(wù)器通過(guò)數據庫服務(wù)器連接，這種連接方式使WEB服務(wù)器面向的對象是數據庫服務(wù)器，有利于WEB服務(wù)器在處理管理用戶(hù)的指令時(shí)與中央監控服務(wù)器保持一定的時(shí)差，避免了相互動(dòng)作間的沖突。而所有這些數據來(lái)自于代理測控服務(wù)器通過(guò)井場(chǎng)數據采集與傳輸層得到的。IT目前最常見(jiàn)的數據采集與傳輸層的工作方式有圖1所示的兩種情況。其中井場(chǎng)1針對安裝多個(gè)傳感器的油氣井，在每個(gè)油氣井處安裝一個(gè)RTU從站，能夠對該油氣井的傳感器進(jìn)行統一管理，并在每個(gè)井場(chǎng)設置一個(gè)RTU主站，采用主叫／從響應的方式，采集各從站的傳感器數據，然后將各從站數據上傳到上位機(測控代理服務(wù)器)；井場(chǎng)2針對安裝幾個(gè)傳感器的油氣井，在每個(gè)井場(chǎng)放置一個(gè)RTU，直接將傳感器的數據采集后發(fā)送到上位機；為了能夠兼容這兩種工作方式，本文設計了一個(gè)基于RTU的數據采集與傳輸層系統軟件。

2 數據采集與傳輸層硬件基礎——RTU
有些油氣田由于地理原因，不易鋪設電纜，本系統引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加入無(wú)線(xiàn)通信ZigBee模塊，并利用其自組織原理，實(shí)現在井場(chǎng)無(wú)線(xiàn)自組織尋址和數據傳輸，可以簡(jiǎn)單、方便地實(shí)現井場(chǎng)實(shí)時(shí)數據采集，利用這些有效數據指導油田油氣生產(chǎn)，提高產(chǎn)量，其構成一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)回路，改變了油田生產(chǎn)方式。
油井遠程測控系統RTU采用Samsung公司的S3C2440A，具有400 MHz的工作頻率，主要控制數據流的輸入輸出；采用具有2 Mb存儲能力的Norflash(EN29LV160AB)存儲程序；用有128 Mb存儲能力的Nand flash(K9F2G08U0B)存儲數據；利用AD轉換器ADS7952采集8通道12位模擬數據；系統環(huán)境溫度由溫度傳感器TMP100獲得；考慮到ZigBee模塊的接口以及有線(xiàn)方式下的長(cháng)距離傳輸等因素，RTU的串行鏈路口為RS 232及RS 485；為與代理測控服務(wù)器PC機相連，RTU采用DM9000實(shí)現以太網(wǎng)連接；RTU的初始配置信息采用E2PROM存儲；RTU內還包含隔離電路、控制單元等幾個(gè)部分。RTU的硬件框圖如圖2所示。

3 數據采集與傳輸層系統軟件
3．1 數據采集與傳輸層通信協(xié)議
Modbus通信協(xié)議已經(jīng)非常廣泛地應用于自動(dòng)控制和通信領(lǐng)域中，通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )(例如以太網(wǎng))和其它設備之間可以實(shí)現通信。Modbus網(wǎng)絡(luò )屬于一種主從網(wǎng)絡(luò )，允許一個(gè)主站和一個(gè)或多個(gè)從站通信。它采用命令／應答方式，每種命令報文都對應著(zhù)一種應答報文。網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)從站都必須分配一個(gè)唯一的地址。主站發(fā)出的命令中含有要求訪(fǎng)問(wèn)的從站地址，只有具有該地址的從站才會(huì )對該命令響應。
3．1．1 Modbus／RTU通信協(xié)議
RTU主／從站串口通信時(shí)，通常使用的是Modbus／RTU傳輸模式。在Modbus報文RTU幀中，如果兩個(gè)字符之間的空閑間隔大于1．5個(gè)字符時(shí)間，那就認為報文幀不完整，此時(shí)接收站應該丟棄這個(gè)報文。時(shí)長(cháng)至少為3．5個(gè)字符時(shí)間的空閑間隔將報文幀區分。RTU消息幀的典型格式如表1所列。