劉峰

中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京100034

RS485串行通訊技術(shù)在油田遠(yuǎn)程監(jiān)控中的應(yīng)用

劉峰

中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京100034

串行通訊技術(shù)在石油和天然氣工程的智能檢測儀表和控制系統(tǒng)中正在得到大量的應(yīng)用。文章在分析RS485串行通訊技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合RS485串行通訊技術(shù)在中東某油田的應(yīng)用實(shí)例，簡要論述了智能儀表選型、串行通訊鏈路的工程設(shè)計(jì)方法。

串行通訊；RS485；串行通訊鏈路

1 RS485串行通訊的技術(shù)特點(diǎn)

1.1 RS485串行通訊的傳輸方式

RS485又名TIA/EIA-485，是電信/電子工業(yè)協(xié)會(huì)（TIA/EIA）制訂并發(fā)布的一種串行通訊標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對RS485接口的電氣特性進(jìn)行了詳細(xì)定義，于1983年發(fā)布。

RS485串行通訊信號采用平衡差分傳輸方式（Differential Driver Mode），傳輸介質(zhì)為平衡雙絞線，在RS中定義了A、B兩個(gè)引腳，分別對應(yīng)發(fā)送或接收器的信號“-”、“+”，即“TXD-/RXD-”、“TXD+/RXD+”。在A、B引腳之外，還定義了一個(gè)C引腳，即差分信號的參考點(diǎn)。當(dāng)A、B兩個(gè)引腳對應(yīng)的電平在+2～+6 V時(shí)，對應(yīng)的邏輯狀態(tài)為“1”，當(dāng)A、B兩個(gè)引腳對應(yīng)的電平在-2～-6 V時(shí)，對應(yīng)的邏輯狀態(tài)為“0”。當(dāng)A、B兩個(gè)引腳之間的電平絕對值不小于0.2 V時(shí)，邏輯狀態(tài)有效。RS485的平衡差分傳輸方式由于采用了差分電壓進(jìn)行邏輯判斷，能有效地抑制環(huán)境噪聲的干擾。

1.2 RS485串行通訊的傳輸速率和距離

RS-485標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mbps。通常，RS485網(wǎng)絡(luò)采用平衡雙絞線作為傳輸媒體，平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，只有在20 kbps速率以下，才可能使用規(guī)定最長的電纜長度，只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般來說，15 m長雙絞線的最大傳輸速率僅為1 Mbps。由于單臺儀表設(shè)備的傳輸數(shù)據(jù)量并不太大，在保證實(shí)時(shí)性的前提下，適當(dāng)降低通訊速率可以增加傳輸?shù)木嚯x，通常數(shù)據(jù)傳輸速率設(shè)定范圍為4.8～19.2 kbps。

1.3 RS485串行通訊網(wǎng)絡(luò)

RS485技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)連接，RS485總線上能夠連接多個(gè)發(fā)送器和接收器。通常RS485網(wǎng)絡(luò)可以連接32個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用高輸入阻抗的接收器，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的總數(shù)可以擴(kuò)展到256個(gè)。圖1是一個(gè)典型的RS485網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹Ｔ赗S485總線中由于只能有一個(gè)發(fā)送器往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，如果同時(shí)有多個(gè)發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突，因此只能選擇主/從結(jié)構(gòu)的應(yīng)用層協(xié)議，如Modbus。Modbus協(xié)議采用主/從工作方式，由主站向從站發(fā)送數(shù)據(jù)請求，從站在收到主站數(shù)據(jù)請求以后發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)包，從而避免了總線上的數(shù)據(jù)沖突。

圖1 RS485網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽?/p>

2 RS485串行通訊在油田的應(yīng)用

2.1 油田數(shù)據(jù)采集的功能要求和智能設(shè)備選型

隨著石油和天然氣工程自動(dòng)化水平的提高，智能檢測和控制設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，為避免由于各個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)接口不同而導(dǎo)致的自動(dòng)化孤島效應(yīng)，在工程實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)對各設(shè)備廠家的數(shù)據(jù)接口做統(tǒng)一規(guī)定。由于RS485串行通訊技術(shù)的優(yōu)秀性能，目前絕大部分的儀表和設(shè)備廠家都能提供RS485串行接口，如分析儀、流量計(jì)生產(chǎn)廠家等。通過該接口將設(shè)備數(shù)據(jù)逐步歸集到整個(gè)油田的SCADA系統(tǒng)。

2.2 油田數(shù)據(jù)采集底層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

選擇帶有RS485接口的智能儀表和設(shè)備后，就可借助串行通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備數(shù)據(jù)的采集。圖2為中東某油田項(xiàng)目中的串行通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)圖，帶RS485接口的原油測試分離等智能設(shè)備，通過光纖進(jìn)行媒介轉(zhuǎn)換以后，連接至控制室的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器上，該串口服務(wù)器采用MOXANPort 5630，共16個(gè)串行通訊接口，每個(gè)端口可以獨(dú)立設(shè)置通訊參數(shù)如應(yīng)用層協(xié)議、通訊速率、奇偶校驗(yàn)等，應(yīng)用層協(xié)議為Modbus RTU，智能儀表設(shè)備作為從站。

圖2 中東某油田項(xiàng)目中的串行通訊網(wǎng)絡(luò)示意

2.3 RS485底層數(shù)據(jù)鏈路與SCADA系統(tǒng)的傳輸控制

圖2方案中串口服務(wù)器通過一個(gè)10/100 Mbps的以太網(wǎng)口與上位SCADA系統(tǒng)連接，并通過串口服務(wù)器內(nèi)置的ADDC數(shù)據(jù)流向自動(dòng)控制軟件來控制各串口設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性。通過該串行通訊網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對分布在近40 km2內(nèi)幾百口油井的遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控，減少了大量油田的操作人員，不但創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，而且大大降低了現(xiàn)場操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)束語

RS485作為底層數(shù)據(jù)收集的重要手段，以其高可靠性、高適應(yīng)性、易擴(kuò)展性，在油氣田監(jiān)控中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，智能儀表設(shè)備的自動(dòng)化水平不斷得到提高，現(xiàn)場設(shè)備信息交換量不斷增加，對串口通訊的要求也不斷提升，RS485串口通訊技術(shù)必將在油氣田智能化領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

[1]邱關(guān)源，羅先覺.電路（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]胡成華，劉傳瑞，郭文生.嵌入式網(wǎng)絡(luò)編程：串口通信、工業(yè)總線、傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3]TIA/EIA-485，Electrical characteristics of generators and receivers for use in balanced digitalmultipoint systems[S].

Application of RS485 Serial Communication Technique in Oilfield Remote Monitoring and Control

Liu Feng
China NationalOiland Gas Exploration and Development Corporation，Beijing 100034，China

The serial communication technique is widely used in the smart instrumentation and control devices of petroleum engineering.Based on the analysis of RS485 serial communication technical characteristics,this paper takes the application of this technique in a certain Middle East oilfield for example to demonstrate the type selection of smart instrumentation and the engineering design method of serialcommunication chain.

serialcommunication；RS485；serialcommunication chain

10.3969/j.issn.1001-2206.2014.06.025

劉峰（1985-），男，北京人，2008年畢業(yè)于長春理工大學(xué)電子信息工程專業(yè)，2010年畢業(yè)于倫敦大學(xué)光電系統(tǒng)專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事電子系統(tǒng)應(yīng)用方面工作。

2014-06-28