RS485串行通訊技術在油田遠程監(jiān)控中的應用

劉峰

中國石油天然氣勘探開發(fā)公司，北京100034

RS485串行通訊技術在油田遠程監(jiān)控中的應用

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用。文章在分析RS485串行通訊技術特點的基礎上，結(jié)合RS485串行通訊技術在中東某油田的應用實例，簡要論述了智能儀表選型、串行通訊鏈路的工程設計方法。

串行通訊；RS485；串行通訊鏈路

1 RS485串行通訊的技術特點

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（TIA/EIA）制訂并發(fā)布的一種串行通訊標準，該標準對RS485接口的電氣特性進行了詳細定義，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兩個引腳，分別對應發(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C引腳，即差分信號的參考點。當A、B兩個引腳對應的電平在+2～+6 V時，對應的邏輯狀態(tài)為“1”，當A、B兩個引腳對應的電平在-2～-6 V時，對應的邏輯狀態(tài)為“0”。當A、B兩個引腳之間的電平絕對值不小于0.2 V時，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標準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。由于單臺儀表設備的傳輸數(shù)據(jù)量并不太大，在保證實時性的前提下，適當降低通訊速率可以增加傳輸?shù)木嚯x，通常數(shù)據(jù)傳輸速率設定范圍為4.8～19.2 kbps。

1.3 RS485串行通訊網(wǎng)絡

RS485技術易于實現(xiàn)多點連接，RS485總線上能夠連接多個發(fā)送器和接收器。通常RS485網(wǎng)絡可以連接32個網(wǎng)絡設備，采用高輸入阻抗的接收器，其網(wǎng)絡設備的總數(shù)可以擴展到256個。圖1是一個典型的RS485網(wǎng)絡拓撲。在RS485總線中由于只能有一個發(fā)送器往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)，如果同時有多個發(fā)送器發(fā)送數(shù)據(jù)將導致數(shù)據(jù)沖突，因此只能選擇主/從結(jié)構(gòu)的應用層協(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)絡拓撲示意

2 RS485串行通訊在油田的應用

2.1 油田數(shù)據(jù)采集的功能要求和智能設備選型

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

2.2 油田數(shù)據(jù)采集底層網(wǎng)絡的設計

選擇帶有RS485接口的智能儀表和設備后，就可借助串行通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)對各設備數(shù)據(jù)的采集。圖2為中東某油田項目中的串行通訊網(wǎng)絡設計圖，帶RS485接口的原油測試分離等智能設備，通過光纖進行媒介轉(zhuǎn)換以后，連接至控制室的串口聯(lián)網(wǎng)服務器上，該串口服務器采用MOXANPort 5630，共16個串行通訊接口，每個端口可以獨立設置通訊參數(shù)如應用層協(xié)議、通訊速率、奇偶校驗等，應用層協(xié)議為Modbus RTU，智能儀表設備作為從站。

圖2 中東某油田項目中的串行通訊網(wǎng)絡示意

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

圖2方案中串口服務器通過一個10/100 Mbps的以太網(wǎng)口與上位SCADA系統(tǒng)連接，并通過串口服務器內(nèi)置的ADDC數(shù)據(jù)流向自動控制軟件來控制各串口設備的數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)采集的實時性。通過該串行通訊網(wǎng)絡，系統(tǒng)實現(xiàn)了對分布在近40 km2內(nèi)幾百口油井的遠程操作和監(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)濟效益，而且大大降低了現(xiàn)場操作的安全風險。

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、高適應性、易擴展性，在油氣田監(jiān)控中得到了廣泛的應用。隨著信息技術不斷發(fā)展，智能儀表設備的自動化水平不斷得到提高，現(xiàn)場設備信息交換量不斷增加，對串口通訊的要求也不斷提升，RS485串口通訊技術必將在油氣田智能化領域扮演越來越重要的角色。

[1]邱關源，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)絡編程：串口通信、工業(yè)總線、傳感器網(wǎng)絡應用開發(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)于長春理工大學電子信息工程專業(yè)，2010年畢業(yè)于倫敦大學光電系統(tǒng)專業(yè)，碩士，現(xiàn)主要從事電子系統(tǒng)應用方面工作。

2014-06-28