基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層軟件設(shè)

摘要：提出了一種基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸層軟件設(shè)計方案。介紹了實現(xiàn)各種傳感器的數(shù)據(jù)采集、傳輸以及外部繼電器控制的軟件設(shè)計方法，并對實現(xiàn)Modbus／RTU和Modbus／TCP的通信進行了詳細分析。分析結(jié)果顯示：通過軟件配置，可實現(xiàn)多種工作方式，有利于該系統(tǒng)在不同場合下的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：RTU；Modbus／RTU；Modbus／TCP；主從輪詢；可配置

0 引言
每一個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，定時檢查設(shè)備運行情況，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。這種方式增加了用工人數(shù)，加大了護井工勞動強度，最重要的是影響對設(shè)備的監(jiān)控。當(dāng)抽油機、電泵出現(xiàn)微小故障時，往往很難被人工及時發(fā)現(xiàn)，從而得不到有效地防護與控制。
為了能有效地發(fā)現(xiàn)油井、地層、油藏的變化，可用油井遠程測控系統(tǒng)，通過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，實時在線監(jiān)測抽油機工作參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)故障并報警，及時維護。本文提出了一種基于RTU的油井遠程測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸層設(shè)計方案，并將該方案用于實際的井場應(yīng)用中。

1 油井遠程測控系統(tǒng)總體架構(gòu)
油井遠程測控系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，整個測控系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)分為現(xiàn)場局域網(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(xiàn)場局域網(wǎng)的各個測控代理服務(wù)器的測控對象之間建立更有效的連接方式。每個測控分站設(shè)測控代理服務(wù)器，實時發(fā)送或讀取的井場設(shè)備數(shù)據(jù)先經(jīng)測控代理服務(wù)器處理后再并行傳輸?shù)街醒霚y控服務(wù)器，這樣既讓等級高的設(shè)備預(yù)警信號得到現(xiàn)場級的及時響應(yīng)，又減輕了中央測控服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的壓力。WEB服務(wù)器與中央測控服務(wù)器通過數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫服務(wù)器，有利于WEB服務(wù)器在處理管理用戶的指令時與中央監(jiān)控服務(wù)器保持一定的時差，避免了相互動作間的沖突。而所有這些數(shù)據(jù)來自于代理測控服務(wù)器通過井場數(shù)據(jù)采集與傳輸層得到的。IT目前最常見的數(shù)據(jù)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1針對安裝多個傳感器的油氣井，在每個油氣井處安裝一個RTU從站，能夠?qū)υ撚蜌饩膫鞲衅鬟M行統(tǒng)一管理，并在每個井場設(shè)置一個RTU主站，采用主叫／從響應(yīng)的方式，采集各從站的傳感器數(shù)據(jù)，然后將各從站數(shù)據(jù)上傳到上位機(測控代理服務(wù)器)；井場2針對安裝幾個傳感器的油氣井，在每個井場放置一個RTU，直接將傳感器的數(shù)據(jù)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(shè)計了一個基于RTU的數(shù)據(jù)采集與傳輸層系統(tǒng)軟件。

2 數(shù)據(jù)采集與傳輸層硬件基礎(chǔ)——RTU
有些油氣田由于地理原因，不易鋪設(shè)電纜，本系統(tǒng)引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，加入無線通信ZigBee模塊，并利用其自組織原理，實現(xiàn)在井場無線自組織尋址和數(shù)據(jù)傳輸，可以簡單、方便地實現(xiàn)井場實時數(shù)據(jù)采集，利用這些有效數(shù)據(jù)指導(dǎo)油田油氣生產(chǎn)，提高產(chǎn)量，其構(gòu)成一個物聯(lián)網(wǎng)回路，改變了油田生產(chǎn)方式。
油井遠程測控系統(tǒng)RTU采用Samsung公司的S3C2440A，具有400 MHz的工作頻率，主要控制數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)；利用AD轉(zhuǎn)換器ADS7952采集8通道12位模擬數(shù)據(jù)；系統(tǒng)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方式下的長距離傳輸?shù)纫蛩?，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實現(xiàn)以太網(wǎng)連接；RTU的初始配置信息采用E2PROM存儲；RTU內(nèi)還包含隔離電路、控制單元等幾個部分。RTU的硬件框圖如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)采集與傳輸層系統(tǒng)軟件
3．1 數(shù)據(jù)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(yīng)用于自動控制和通信領(lǐng)域中，通過此協(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(shè)備之間可以實現(xiàn)通信。Modbus網(wǎng)絡(luò)屬于一種主從網(wǎng)絡(luò)，允許一個主站和一個或多個從站通信。它采用命令／應(yīng)答方式，每種命令報文都對應(yīng)著一種應(yīng)答報文。網(wǎng)絡(luò)中的每個從站都必須分配一個唯一的地址。主站發(fā)出的命令中含有要求訪問的從站地址，只有具有該地址的從站才會對該命令響應(yīng)。
3．1．1 Modbus／RTU通信協(xié)議
RTU主／從站串口通信時，通常使用的是Modbus／RTU傳輸模式。在Modbus報文RTU幀中，如果兩個字符之間的空閑間隔大于1．5個字符時間，那就認為報文幀不完整，此時接收站應(yīng)該丟棄這個報文。時長至少為3．5個字符時間的空閑間隔將報文幀區(qū)分。RTU消息幀的典型格式如表1所列。