Modbus協(xié)議在智慧油氣田解決方案中的應(yīng)用

曹慶年+彭甲勇+魯帥帥+孟開元

摘 要：Modbus協(xié)議在石油天然氣行業(yè)的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為該協(xié)議在智慧油氣田解決方案中的應(yīng)用提供了很好的借鑒。在介紹Modbus協(xié)議的基礎(chǔ)上，結(jié)合智慧油氣田解決方案，探討了Modbus協(xié)議在智慧油氣田解決方案中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：Modbus協(xié)議；智慧油氣田；CRC校驗(yàn)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171277

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0114-02

0 引言

智慧油氣田[1]是在數(shù)字油氣田的基礎(chǔ)上，結(jié)合各油氣田數(shù)字化現(xiàn)狀與實(shí)際業(yè)務(wù)需求及智慧油氣田的總體目標(biāo)，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控、實(shí)時(shí)決策和優(yōu)化管理，將油氣田現(xiàn)場勘探、開發(fā)、油氣井生產(chǎn)管理、工程技術(shù)服務(wù)、生產(chǎn)保障等各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的油氣藏、油氣井、數(shù)據(jù)等資產(chǎn)，有機(jī)地統(tǒng)一在一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同科研工作、自動(dòng)生產(chǎn)流程、一體化的系統(tǒng)應(yīng)用，提高油田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，達(dá)到節(jié)約投資與運(yùn)行成本的目的。

智慧油氣田的實(shí)現(xiàn)與推廣，離不開各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)的傳輸就必然會(huì)應(yīng)用到通信協(xié)議。當(dāng)前國內(nèi)外并沒有統(tǒng)一的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而Modbus[2]協(xié)議是第一個(gè)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議，自然具有其獨(dú)特的優(yōu)勢。通過Modbus協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)對各種工業(yè)設(shè)備的控制管理。我國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合2004年9月正式發(fā)布了Modbus協(xié)議的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/Z 19582.1/2/3-2004。從2004年開始，國家繼電器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心針對 Modbus規(guī)約進(jìn)行了一系列測試。而且，Modbus通信協(xié)議具有標(biāo)準(zhǔn)、開放、可靠性高，支持多種電氣接口，幀格式簡單、緊湊、通俗易懂等優(yōu)點(diǎn)，因此將Modbus協(xié)議應(yīng)用于智慧油氣田通信是較為合適的選擇。

1 Modbus協(xié)議

1.1 Modbus協(xié)議通信模式

Modbus協(xié)議有兩種通信模式，在標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)中，控制器可以配置ASCⅡ模式和RTU（Remote Terminal Unit）模式中的任意一種通信模式。ASCⅡ模式是將一個(gè)字節(jié)分為兩個(gè)ASCⅡ字符進(jìn)行發(fā)送，而RTU模式是以十六進(jìn)制傳送數(shù)據(jù)，一個(gè)字節(jié)就是一幀[3]。由表1可以看出，ASCⅡ模式擁有開始和結(jié)束標(biāo)記，且傳輸每個(gè)數(shù)據(jù)都是用兩個(gè)字節(jié)來傳輸，而RTU模式只需要一個(gè)字節(jié)。

在智慧油氣田中的實(shí)現(xiàn)工程中，若傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較小，則可以考慮使用ASCⅡ，若所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，則選擇RTU模式。但是值得注意的是，在一個(gè)系統(tǒng)中無論是主機(jī)還是從機(jī)，都必須采用相同的傳輸速率。目前，Modbus協(xié)議通常采用的傳輸速率是1 200bit/s～19 200bit/s。

1.2 Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包格式

典型的Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)包格式如表2所示。其中，Address表示地址碼，占1個(gè)字節(jié)，范圍為0～255，該字節(jié)表明由用戶設(shè)定地址碼的從機(jī)將接受由主機(jī)發(fā)送來的信息，并且每個(gè)從機(jī)都具有唯一的地址碼，并且響應(yīng)回送都按照各自的地址碼開始；Function表示功能碼，占1個(gè)字節(jié)，Modbus協(xié)議定義功能號為1～127，作為主機(jī)請求發(fā)送，通過功能碼告訴從機(jī)進(jìn)行什么操作；Data表示傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，是根據(jù)不同的功能碼而不同；CRC表示校驗(yàn)碼，占2個(gè)字節(jié)。

2 智慧油氣田解決方案

2.1 智慧油氣田解決方案概述

結(jié)合各油氣田數(shù)字化現(xiàn)狀與實(shí)際業(yè)務(wù)需求及智慧油氣田的總體目標(biāo)，在數(shù)字油氣田解決方案的基礎(chǔ)上，提出智慧油氣田總體建設(shè)方案。本方案可建立覆蓋采油廠、大隊(duì)、區(qū)隊(duì)、井場的智慧油氣田應(yīng)用系統(tǒng)解決方案，集成油氣田自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化、智能化和智慧化于一體，將油氣田生產(chǎn)的自動(dòng)化與信息化相結(jié)合，將物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到油氣生產(chǎn)過程中，并且借助基于業(yè)務(wù)模型的專家知識庫等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、實(shí)施決策與優(yōu)化的閉環(huán)管理，達(dá)到數(shù)據(jù)知識共享，生產(chǎn)流程自動(dòng)化、科研工作協(xié)同化、系統(tǒng)應(yīng)用一體化、生產(chǎn)指揮可視化和分析決策科學(xué)化等良好的管理效果。

2.2 智慧油氣田解決方案總體架構(gòu)

智慧油氣田解決方案主要由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層四層架構(gòu)組成[4]，其總體架構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，智慧油氣田的關(guān)鍵技術(shù)是在數(shù)據(jù)采集與檢測的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)匯總油田已有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)規(guī)律分析。

感知層：通過各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對井場、處理站、站庫等油田生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集。網(wǎng)絡(luò)層：通過局域光纖網(wǎng)、2G/3G/4G移動(dòng)網(wǎng)路、無線網(wǎng)橋等傳輸數(shù)據(jù)和視頻，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層：將網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)類別存儲(chǔ)到不同類型的數(shù)據(jù)庫。應(yīng)用層：本層是智慧油氣田建設(shè)的核心價(jià)值所在，立足于油氣田生產(chǎn)綜合業(yè)務(wù)分析并應(yīng)用于決策，由多方面的應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成。

3 智慧油氣田解決方案應(yīng)用

智慧油氣田解決方案，可以采用Windows或Linux軟件開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用C、C#或其它開發(fā)語言進(jìn)行軟件開發(fā)。在RTU、儀表等設(shè)備儀器與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信時(shí)，合理選用Modbus通信協(xié)議，將會(huì)組建合理的通信方案。

3.1 Modbus協(xié)議請求與生成

完備的Modbus協(xié)議的功能碼種類較多，在智慧油氣田解決方案的需求下，可以選用：讀線圈（0x01）、讀輸入離散量（0x02）、讀多個(gè)寄存器（0x03）、寫單個(gè)線圈（0x05）、寫多個(gè)寄存器（0x10）等功能碼實(shí)現(xiàn)各種功能上的需求。Modbus協(xié)議的請求與生成如圖2所示，Modbus證實(shí)處理操作如圖3所示。

3.2 通信實(shí)現(xiàn)

由于Modbus協(xié)議是成熟的通信協(xié)議，因而大多數(shù)使用Modbus協(xié)議的通信模塊的串口都支持RS-232、RS-422、RS-485通信協(xié)議（可通過模塊上的跳線來選擇）。在模塊中的每條命令，從裝置地址、內(nèi)部尋址的首地址和要求訪問的字節(jié)數(shù)都是可以進(jìn)行配置的，從而形成符合Modbus 協(xié)議的命令報(bào)文。在Modbus協(xié)議較多的命令中，每個(gè)模塊并不能支持所有的命令，只需要選擇合適的主要命令，就足以完成通信的需求。endprint

3.3 程序設(shè)計(jì)

Modbus協(xié)議采用主從結(jié)構(gòu)（Master/Slave）的通信方式，協(xié)議規(guī)定總線上有一個(gè)主機(jī)，多個(gè)從機(jī)、主機(jī)可單獨(dú)與從機(jī)通信，也能以廣播的方式與所有從機(jī)通信。

在數(shù)據(jù)通信時(shí)，RTU、數(shù)據(jù)儀表等作為從機(jī)應(yīng)答上位機(jī)的數(shù)據(jù)請求。根據(jù)系統(tǒng)需求，RTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能，數(shù)據(jù)儀表可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。上位機(jī)根據(jù)Modbus數(shù)據(jù)包封裝格式進(jìn)行程序編寫，如：0x04讀輸入寄存器功能碼，實(shí)現(xiàn)讀取RTU狀態(tài)、采集命令、采集狀態(tài)、倒計(jì)時(shí)、功圖數(shù)量等功能；0x16寫入保持寄存器，實(shí)現(xiàn)對RTU的數(shù)據(jù)寫入功能。

在上位機(jī)可以編程實(shí)現(xiàn)CRC校驗(yàn)，Modbus協(xié)議的CRC校驗(yàn)方案，可以為智慧油氣田解決方案提供安全的通信協(xié)議。其數(shù)據(jù)幀的傳輸過程包含一個(gè)基于CRC方法的錯(cuò)誤檢測，用于檢測整個(gè)消息的內(nèi)容。數(shù)據(jù)通過CRC校驗(yàn)后，RTU通過響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)請求，將通信狀態(tài)標(biāo)志為發(fā)送或接收狀態(tài)，并占用總線實(shí)現(xiàn)發(fā)送或接收。

4 結(jié)語

智慧油氣田解決方案的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用離不開通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，Modbus協(xié)議以它獨(dú)有的優(yōu)勢應(yīng)用于智慧油氣田生產(chǎn)解決方案的通信實(shí)現(xiàn)，能夠?yàn)楸痉桨柑峁┓奖?、迅速、有效的通信方式，其在智慧油氣田的?yīng)用將會(huì)是世界石油行業(yè)在信息技術(shù)管理方面的發(fā)展趨勢。這樣，國內(nèi)外石油石化各行業(yè)的企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)與企業(yè)之間，將通過基于Modbus協(xié)議的智慧油氣田實(shí)現(xiàn)信息共享，并更好地解決各應(yīng)用系統(tǒng)之間存在的不一致和不兼容問題。

參考文獻(xiàn)：

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