基于Modbus協(xié)議的注入站測(cè)控系統(tǒng)改造

韓麗娟

（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

0 引言

大慶油田某三元（聚合物、堿、表面活性劑）注入站每口注入井均安裝有一個(gè)壓力傳感器、一套水流量計(jì)和一套母液流量計(jì)。在注三元期間，使用PLC（可編程控制器）系統(tǒng)采集母液的流量和壓力數(shù)據(jù)。

2017年，該注入站所屬區(qū)塊進(jìn)入后續(xù)水驅(qū)階段，注入井停注三元改為注水后，需采集每口注水井的瞬時(shí)流量、累積流量和井口壓力數(shù)據(jù)。因此，對(duì)原有母液數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行改造，開發(fā)了上位機(jī)組態(tài)軟件程序，應(yīng)用Modbus協(xié)議自動(dòng)讀取智能水流量計(jì)的數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)井口注水?dāng)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理等功能，滿足了生產(chǎn)管理的需要。

1 Modbus協(xié)議

Modbus協(xié)議是Modicon公司于1978年發(fā)明的一種用于電子控制器進(jìn)行控制和通訊的通訊協(xié)議。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以進(jìn)行通信［1］?？刂破魍ㄐ攀褂弥?從技術(shù)，即，僅主設(shè)備能初始化傳輸和查詢，其他設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。典型的主設(shè)備有計(jì)算機(jī)，典型的從設(shè)備有可編程控制器、智能儀表等［2］。

該站智能水流量計(jì)可以通過(guò) Modbus協(xié)議與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)主機(jī)發(fā)送命令后，水流量計(jì)返回瞬時(shí)流量和累積流量。協(xié)議命令及格式如下：

儀表讀取數(shù)據(jù)：01 04 08 01 04 25 00 00 00 CC 07 （十六進(jìn)制）

其中，數(shù)據(jù)01代表設(shè)備地址，每個(gè)總線上設(shè)備地址唯一；04代表功能代碼；08代表字節(jié)數(shù)量；08后數(shù)字為儀表瞬時(shí)及累積流量。具體格式見(jiàn)表1。

瞬時(shí)流量：假設(shè)瞬時(shí)流量為0.260 m3/h，在代碼中01 04換算十進(jìn)制數(shù)是260；瞬時(shí)數(shù)點(diǎn)單位為25，根據(jù)Modbus自定義命令，該數(shù)值屬性為瞬時(shí)正向，3位小數(shù)且單位為m3/h。

表1 水流量計(jì)Modbus協(xié)議返回命令數(shù)據(jù)格式

正向總量（即累積流量）：假設(shè)累積流量為204 m3，00 00 00 CC，數(shù)據(jù)從高到低，CC是最低位，換算十進(jìn)制是204；累積數(shù)點(diǎn)單位為07，表示累積沒(méi)有小數(shù)且單位是m3。

2 注入站測(cè)控系統(tǒng)改造方案

基于 Modbus協(xié)議改造的注入站測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)儀表均利用原有儀表，總線利用原有通訊線纜，僅新增RS-485/232轉(zhuǎn)換器，工控機(jī)數(shù)據(jù)與智能水流量計(jì)數(shù)據(jù)同步變化，無(wú)需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換計(jì)算，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.1 硬件設(shè)備連接

該注入站共有42口注入井，需采集每口井的瞬時(shí)流量、累積流量及井口壓力數(shù)據(jù)。采集壓力信號(hào)所需要的壓力變送器利舊原系統(tǒng)計(jì)量三元注入液的壓力變送器，信號(hào)通過(guò)原PLC系統(tǒng)采集；智能水流量計(jì)同樣利舊原系統(tǒng)計(jì)量三元注入液流量的智能流量計(jì)。瞬時(shí)流量、累積流量和井口壓力信號(hào)通過(guò)Modbus協(xié)議采集進(jìn)工控機(jī)。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將每一口井的智能水流量計(jì)連接在一起，通過(guò)RS-485/232轉(zhuǎn)換器與工控機(jī)232接口直接連接。注入站水流量計(jì)輸出信號(hào)以串聯(lián)方式連接，采用自定義Modbus協(xié)議。由于同一總線上只能掛接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此該注入站采用了兩組總線，每組21個(gè)點(diǎn)，每組總線上設(shè)備地址唯一。連接方式見(jiàn)圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 設(shè)備組態(tài)及配置

該注入站測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用組態(tài)軟件開發(fā)，主要顯示及監(jiān)測(cè)壓力和流量信號(hào)，因此，根據(jù)采集信號(hào)方式不同，需對(duì)壓力和流量信號(hào)分別組態(tài)。

2.2.1 壓力信號(hào)組態(tài)

單井壓力變送器與原PLC系統(tǒng)連接，在不增加自控設(shè)備的情況下，通過(guò)OPC（過(guò)程控制中的對(duì)象鏈接和嵌入技術(shù)）方式從原PLC系統(tǒng)讀取壓力信號(hào)。

在設(shè)備組態(tài)時(shí)選擇OPC客戶端，服務(wù)器節(jié)點(diǎn)參數(shù)設(shè)置為PLC通訊模塊的 IP（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址），服務(wù)器版本號(hào)設(shè)為OPC2.0，數(shù)據(jù)讀寫方式選擇異步讀取。在配置實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，變量名后綴選擇C_FV，該后綴代表壓力實(shí)時(shí)值。

2.2.2 流量信號(hào)組態(tài)

該站共有42臺(tái)智能流量?jī)x，與其他設(shè)備組態(tài)方式不同，在組態(tài)軟件中每臺(tái)智能流量?jī)x都需要分別組態(tài)。由于智能流量?jī)x輸出信號(hào)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線串接在一起，利用 RS-485/232轉(zhuǎn)換器與工控機(jī)直接連接，因此在設(shè)備組態(tài)中選擇RTU（遠(yuǎn)程終端單元）串行口標(biāo)準(zhǔn)Modbus設(shè)備選項(xiàng)。設(shè)備地址與智能流量?jī)x內(nèi)部地址對(duì)應(yīng)，通信方式選擇串口方式，波特率9 600，奇偶校驗(yàn)無(wú)。

在設(shè)備組態(tài)時(shí)需對(duì)更新周期、掃描周期等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于1個(gè)總線連接21臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備均以輪巡方式讀取信息，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后設(shè)定數(shù)據(jù)更新周期為500毫秒，在高級(jí)選項(xiàng)中設(shè)置連續(xù)采集失敗次數(shù)10次，故障后恢復(fù)周期為30秒；根據(jù)智能流量計(jì)Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)格式定義方式，設(shè)置 32位浮點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取格式為H2 H1 H4 H3。通過(guò)設(shè)置后，每個(gè)設(shè)備每10.5秒便更新一次數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，滿足了生產(chǎn)需要。流量信號(hào)組態(tài)的具體設(shè)置詳見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)備配置

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該注入站測(cè)控系統(tǒng)設(shè)有動(dòng)態(tài)顯示、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)查詢等功能界面。動(dòng)態(tài)顯示界面顯示每口井壓力、瞬時(shí)流量、累積流量等生產(chǎn)參數(shù)；參數(shù)設(shè)定功能可以設(shè)置每臺(tái)流量計(jì)底數(shù)，設(shè)置后工控機(jī)顯示數(shù)據(jù)與流量計(jì)表頭顯示數(shù)據(jù)相同；數(shù)據(jù)查詢界面顯示壓力、流量、日注量等信息，每日14點(diǎn)自動(dòng)生成生產(chǎn)報(bào)表，通過(guò)修改日期可實(shí)現(xiàn)查詢功能。

另外，該系統(tǒng)還設(shè)有Web（互聯(lián)網(wǎng)）發(fā)布功能，在局域網(wǎng)輸入網(wǎng)址就可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)上瀏覽注入站各井生產(chǎn)參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

目前，該注入站測(cè)控系統(tǒng)已改造完成并正式投運(yùn)，實(shí)現(xiàn)了井口數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、Web網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、生產(chǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理等功能，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好。應(yīng)用組態(tài)軟件開發(fā)測(cè)控系統(tǒng)的改造方案在滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要的前提下，充分利用已建自控設(shè)施，節(jié)約了投資，對(duì)同類站場(chǎng)的測(cè)控系統(tǒng)改造具有重要的參考和借鑒意義。