油田RTU系统设计

黄安贻　杨中豪

摘要：针对目前油田开发与生产现状，设计一款面向油田现场的RTU系统。介绍了以STM32为核心、内嵌uc/os-ii多任务实时操作RTU系统设计方案，同时对多通道数据输入输出、RS232、RS485等功能模块的硬件设计和数据传输采用的Modbus通信协议进行了描述。

关键词：RTU；油田开发；STM32；ARM

DOIDOI：10.11907/rjdk.151452

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2015）008011802

0 引言

油田被称为“没有围墙的工厂”，油井、注水井星罗棋布且大部分在人烟稀少的地方，油田单位的经济效益与抽油机以及注水泵的正常运行息息相关。生产单位需要对采油井和注水井工作状态实时监控，维修工的定期检查、维护必不可少 [1]。随着油田现代化管理的发展，迫切需要一种全天候、24小时无人值守的监控手段，以保证采油井和注水井的正常工作。本文设计了一款基于ARM的RTU系统，动态监测油田多种生产数据并实时上传数据，对于有效监控油田工作状况，提高油田生产效率具有重要意义。

1 RTU系统设计

基于STM32的RTU系统结构如图1所示。系统采用STM32为CPU，主要包括模拟量输入模块及输出模块、数字量输入模块及输出模块、RS232通信模块、RS485通信模块、存储器模块、电源模块、显示模块等。数据传输采用Modbus通信协议，采用us/osii操作系统作为嵌入式系统。

设计方法如下：对采集到的模拟量和数字量，首先通过不同的信号调理电路进行处理，再进入到CPU中，进行A/D采样、软件滤波，并对不同的参数根据相应的算法进行计算，最终将处理后的数据通过不同的通讯方式向上级RTU或者上位机系统传输，并接收控制信号，实现模拟量和数字量的输出。

图1 RTU系统结构

1.1 CPU选型

油田工业现场这一特殊环境决定了CPU要有足够的可靠性和低功耗。ARM系列处理器性能高、功耗低，恰恰符合本设计要求。本系统采用ARM9系列的STM32F103VET6处理器，该处理器使用高性能的ARM CortexM3 32位的RISC内核，工作频率为72MHz，该CPU具有以下性能：①内置高速存储器，具有高达128K字节的Flash和20K字节的SRAM；②丰富的增强I/O端口，包含2个12位ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器；③先进的标准通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN；④供电电压2.0-3.6V，一系列省电模式保证了低功耗应用要求[2]。

1.2 模拟量输入输出模块

RTU具有8路模拟量输入和4路模拟量输出，单路的模拟量输入和输出电路原理如图2所示。8个模拟量输入通道均可跳线到0～20mA电流模式。电压模式时，增益通过软件设置。4路模拟量输出通道提供4～20mA电流信号。在前端加入适当的输入调节电路，包括精密电阻、滤波电容、瞬态抑制二极管等元器件。

图2 单路模拟量输入输出原理

模拟量输出采用OPA333芯片。OPA333是非常优异的单电源轨至轨运算放大器，具有2.7～5.5V的宽工作电压，经过测试电压输出最低为30uV，最高为VCC30uV。OPA333芯片性能优异，电路具良好的稳定性和精确性。DACOUT从STM32的DAC1或DAC2输出，经滤波后进入运放，进行1∶1缓冲，后经晶体管放大电流，由接地电容进行去抖处理，同时在接地电阻上进行电压检测，4～20mA信号由AN_OUT+/AN_OUT-输出。

1.3 数字量输入输出模块

在数字量输入输出电路中采用了光耦隔离，即采用光电耦合器进行隔离，发光二极管把输入的电信号转换为光信号，光信号经过光敏管转换为电信号输出。因没有直接的电气连接，所以在传输信号中隔离了干扰。数字量输入和数字量输出电路原理如图3所示。

图3 单路数字量输入输出原理

数字量输入时，在前端加入适当的电阻、滤波电容和发光二极管等元件，然后和光耦隔离器相连，选取恰当的与光耦串联的分压电阻、并联的分流电阻，通过调整其电阻值，得到适当的输入电压阈值。数字量输入电压通过光耦隔离后转换为合适的电压值，传输至STM32。

在数字量输出方面，采用继电器输出，光耦隔离器后接有NPN型三极管。当集电极电流不再随着基极电流的增大而增大时，该三极管进入饱和状态。发射极与集电极间电压非常小，三极管导通，后面的继电器通电，开关闭合；当基极电流为零时，三极管的集电极电流也变为零。三极管截止，开关随着继电器的断电而断开。这样，通过开关闭合和断开就实现了信号输出。

1.4 通信模块

RTU具有多种通信方式，如RS232通信和RS485通信等。RTU设计有一个RS232通信接口和一个RS485通信接口，分别采用Spiex公司的SP3232和SP3485作为RS232和RS485的收发器。SP3232满足EIA/TIA232和V.28/V.24通信协议，其片内电荷泵电路为Sipex所独有，可从3～5.5V的电源电压产生2*Vcc的RS232电压电平。SP485同时满足RS485和RS422串行协议，具有3.3V的工作电压以及10Mbps数据传输速率。

2 RTU软件设计

2.1 Modbus RTU协议

RTU系统内嵌有uc/osii多任务实时操作系统，以及用于数据传输的Modbus通讯协议。uc/osii是一个开放式的微内核，对处理器和硬件时钟进行抽象和封装，但没有提供其它硬件抽象层，这使得uc/osii具有很强的可移植性[3]。此外，它具有空间小、实时性强和执行效率高等特点，是专为嵌入式系统设计的操作系统。Modbus是一种广泛应用于自动控制和通信领域的通信协议，通过该协议，控制器之间、控制器与其它设备（经由网络）可以进行通信[4]。Modbus通信协议规定了2种传输方式：RTU和ASCII码模式。RTU模式规定在消息中，由两个4bits的16进制字符组成一个字节，数据校验采用CRC校验；ASCII码模式则规定了每个字节包含两个ASCII码，采用LRC进行数据校验。

2.2 系统软件设计

Modbus RTU协议是主从协议，即主节点和一个或多个子节点共同连接在一条串行总线。Modbus主站和从站为两个独立模块，从站主要用于处理Modbus主站功能请求，通过从站服务实现。从站RTU在进行初始化后，需要进行一系列的配置才能正常工作，通过RTU启动任务Task0实现。RTU启动任务Task0后，进入存储器（EEPROM）中读取数据，获取配置信息；根据配置信息完成各种硬件驱动的初始化，然后创建数字量输入任务Task1、数字量输出任务Task2、模拟量输入任务Task3、模拟量输出任务Task4、读保持寄存器配置任务Task5；然后进行任务调度，进行高优先级任务切换并实时响应外部中断。RTU初始任务Task0流程如图4所示。

3 结语

本文从硬件和软件两个方面阐述了基于ARM的油田RTU系统设计，通过对注水井、油井内的油田生产数据，如油压、水压、流量、载荷、位移、液位等进行实时监测，实现对注水井、油井内生产设备的有效控制，能有效提高油田的生产效率，实现油田的增产、稳产。

参考文献：

[1] 王权.油田信息化的新阶段-数字化油田时代[J].数字化工，2004（9）：46.

[2] STM32F103X DATASHEET[EB/OL]. http：//wenku.baidu.com/view/e095462abd64783e09122b3f.html.

[3] [美]拉伯罗斯.嵌入式实时操作系统μC/OSII [M].邵贝贝，译.第2版.北京：北京航空航天大学出版社，2003：3541.

[4] 孙月平，赵德安，曹莉.基于Modbus的智能工业控制器监控系统设计[J].微计算机信息：测控自动化，2008（24）：4143.

（责任编辑：杜能钢）