基于RTU油井遠程測控系統(tǒng)的數據采集與傳輸層軟件設計
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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，定時檢查設備運行情況，記錄相關數據。這種方式增加了用工人數，加大了護井工勞動強度，最重要的是影響對設備的監(jiān)控。當抽油機、電泵出現微小故障時，往往很難被人工及時發(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(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，及時發(fā)現故障并報警，及時維護。本文提出了一種基于RTU的油井遠程測控系統(tǒng)的數據采集與傳輸層設計方案，并將該方案用于實際的井場應用中。
1 油井遠程測控系統(tǒng)總體架構
油井遠程測控系統(tǒng)的總體架構如圖1所示，整個測控系統(tǒng)的組網架構分為現場局域網、企業(yè)信息網兩大部分。網絡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器與現場局域網的各個測控代理服務器的測控對象之間建立更有效的連接方式。每個測控分站設測控代理服務器，實時發(fā)送或讀取的井場設備數據先經測控代理服務器處理后再并行傳輸到中央測控服務器，這樣既讓等級高的設備預警信號得到現場級的及時響應，又減輕了中央測控服務器處理數據的壓力。WEB服務器與中央測控服務器通過數據庫服務器連接，這種連接方式使WEB服務器面向的對象是數據庫服務器，有利于WEB服務器在處理管理用戶的指令時與中央監(jiān)控服務器保持一定的時差，避免了相互動作間的沖突。而所有這些數據來自于代理測控服務器通過井場數據采集與傳輸層得到的。IT目前最常見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，能夠對該油氣井的傳感器進行統(tǒng)一管理，并在每個井場設置一個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，本文設計了一個基于RTU的數據采集與傳輸層系統(tǒng)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(tǒng)引入物聯網技術，加入無線通信ZigBee模塊，并利用其自組織原理，實現在井場無線自組織尋址和數據傳輸，可以簡單、方便地實現井場實時數據采集，利用這些有效數據指導油田油氣生產，提高產量，其構成一個物聯網回路，改變了油田生產方式。
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(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等因素，RTU的串行鏈路口為RS 232及RS 485；為與代理測控服務器PC機相連，RTU采用DM9000實現以太網連接；RTU的初始配置信息采用E2PROM存儲；RTU內還包含隔離電路、控制單元等幾個部分。RTU的硬件框圖如圖2所示。
3 數據采集與傳輸層系統(tǒng)軟件
3．1 數據采集與傳輸層通信協(xié)議
Modbus通信協(xié)議已經非常廣泛地應用于自動控制和通信領域中，通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以實現通信。Modbus網絡屬于一種主從網絡，允許一個主站和一個或多個從站通信。它采用命令／應答方式，每種命令報文都對應著一種應答報文。網絡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。
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。
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