杜海江 龔正平 肖國龍 中科院廣州電子技術(shù)有限公司

計(jì)量間遠(yuǎn)程監(jiān)控RTU

杜海江 龔正平 肖國龍 中科院廣州電子技術(shù)有限公司

實(shí)現(xiàn)計(jì)量間的無人職守及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控非常必要，也是油田數(shù)字化建設(shè)的重要標(biāo)志。RTU是組成數(shù)字油田的最基本單元，監(jiān)控系統(tǒng)采用插卡式設(shè)計(jì)的RTU，將數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分離，層次分明，可靠性好，便于維護(hù)。NAD型RTU軟件包括AD卡軟件及CPU卡軟件兩部分。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用ENC28J60獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，可靠性較高，通信速率也能較好得滿足要求。

RTU；計(jì)量間；軟件；硬件；遠(yuǎn)程監(jiān)控

油田計(jì)量間作為單井采液的匯聚站，集合有摻水干線、注水干線、回油干線、單井環(huán)路等各種管線，每種管線都涉及溫度、壓力、流量（瞬時(shí)、累積）等。實(shí)現(xiàn)計(jì)量間的無人職守及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控非常必要，也是油田數(shù)字化建設(shè)的重要標(biāo)志。一些科研機(jī)構(gòu)與廠家陸續(xù)研發(fā)了基于PLC或RTU的計(jì)量間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 NAD型RTU結(jié)構(gòu)

RTU是Remote Terminal Unit（遠(yuǎn)程測(cè)控終端）的縮寫，是組成數(shù)字油田的最基本單元，市場(chǎng)前景非常廣闊。RTU硬件原理結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 RTU硬件原理結(jié)構(gòu)

NAD型RTU采用ARM 32位內(nèi)嵌式處理器為CPU，設(shè)計(jì)的插卡式、適用于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜的形式，外形為4U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，包括底板、電源卡、CPU控制卡和7個(gè)AD采集卡。CPU控制卡和AD采集卡分別配置顯示及按鍵操作面板；底板包括電源總線、RS485總線、信號(hào)接線端子。通過底板的電源總線，電源卡給每塊AD卡及CPU卡供電；通過底板的RS485總線，CPU卡與每塊AD卡實(shí)現(xiàn)通信。AD采集卡包括4～20 mA模擬量輸入通道，開關(guān)型數(shù)字信號(hào)通道和RS485地址設(shè)定開關(guān)。CPU采集卡設(shè)計(jì)有RJ45網(wǎng)絡(luò)接口，通過網(wǎng)線與交換機(jī)或無線網(wǎng)橋相連，與上位中控計(jì)算機(jī)采用TCP/IP協(xié)議。

2 RTU硬件原理

（1）電源卡40。輸入AC 220 V交流電源，通過卡內(nèi)的電源轉(zhuǎn)換器為所有板卡（AD采集卡、CPU控制卡）提供DC供電電源。

（2）AD采集卡20。通過底板I/O端子11接入多路4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，通過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)成0～2.5 V電壓，由板卡內(nèi)的CPU通過AD采集變換為數(shù)字信號(hào)，通過底板上的RS485總線將信號(hào)傳輸給CPU控制卡。

（3）CPU控制卡30。通過RS485通信方式與每塊AD采集卡輪訓(xùn)通信，將每塊AD采集卡當(dāng)前的4～20 mA模擬轉(zhuǎn)換值及I/O狀態(tài)值讀入CPU卡內(nèi)；同時(shí)，CPU控制卡的RJ45網(wǎng)絡(luò)接口通過TCP/IP協(xié)議將一段時(shí)間內(nèi)的所有AD采集卡的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳中控室PC監(jiān)控系統(tǒng)。

（4）AD卡及CPU卡。均采用LPC2136作為CPU。NAD型RTU采集裝置應(yīng)用于油田計(jì)量間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，其工作過程如下：RTU通過4～20 mA模擬型傳感器或開關(guān)型傳感器獲取油田計(jì)量間輸油管路溫度、壓力、流量數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)橋（或通過GPRS）上傳至控制中心PC。

3 RTU接口軟件設(shè)計(jì)

NAD型RTU軟件包括AD卡軟件及CPU卡軟件兩部分。AD卡軟件包括初始化模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、RS485通信模塊、顯示操作模塊；CPU卡軟件包括初始化模塊、網(wǎng)口數(shù)據(jù)傳輸模塊、RS485通信模塊、顯示操作模塊。

軟件采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，首先將采集的數(shù)據(jù)打包成符合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，此過程按TCP協(xié)議的報(bào)文格式對(duì)欲傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行封裝，封裝好后傳給網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)按IP協(xié)議的IP包格式分成若干段（即IP包），再傳給數(shù)據(jù)鏈路層，在這一層將數(shù)據(jù)流按以太網(wǎng)協(xié)議的協(xié)議格式分劃成一個(gè)個(gè)的數(shù)據(jù)幀，再將幀轉(zhuǎn)換為比特?cái)?shù)據(jù)流在物理網(wǎng)中傳輸。

設(shè)計(jì)時(shí)采用LPC2136作核心CPU，以ENC28J60作為網(wǎng)絡(luò)控制芯片，LPC2136與ENC28J60之間通過SPI實(shí)現(xiàn)通信,ENC28J60通過RJ45接口HR9011105A接入網(wǎng)絡(luò)。ENC28J60內(nèi)置10 Mb/s以太網(wǎng)物理層器件(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包。

4 結(jié)論

本文所述的RTU已經(jīng)應(yīng)用于大慶油田采油七廠，運(yùn)行可靠、穩(wěn)定。實(shí)時(shí)將摻水干線、注水干線、回油干線、單井環(huán)路等各種管線的溫度、壓力、流量（瞬時(shí)、累積）近百個(gè)參數(shù)數(shù)據(jù)上傳中心監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人職守，結(jié)束了人工抄報(bào)數(shù)據(jù)的歷史。采用插卡式設(shè)計(jì)的RTU，將數(shù)據(jù)采集與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸分離，層次分明，可靠性好，便于維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)傳輸采用ENC28J60獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，可靠性較高，通信速率也能較好得滿足要求。

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.1.039