Modbus協議在智慧油氣田解決方案中的應用

曹慶年+彭甲勇+魯帥帥+孟開元

摘 要：Modbus協議在石油天然氣行業的成功應用經驗，為該協議在智慧油氣田解決方案中的應用提供了很好的借鑒。在介紹Modbus協議的基礎上，結合智慧油氣田解決方案，探討了Modbus協議在智慧油氣田解決方案中的應用。

關鍵詞：Modbus協議；智慧油氣田；CRC校驗

DOIDOI：10.11907/rjdk.171277

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0114-02

0 引言

智慧油氣田[1]是在數字油氣田的基礎上，結合各油氣田數字化現狀與實際業務需求及智慧油氣田的總體目標，通過實時數據采集、實時數據監控、實時決策和優化管理，將油氣田現場勘探、開發、油氣井生產管理、工程技術服務、生產保障等各業務領域的油氣藏、油氣井、數據等資產，有機地統一在一起，實現數據共享、協同科研工作、自動生產流程、一體化的系統應用，提高油田生產決策的及時性和準確性，達到節約投資與運行成本的目的。

智慧油氣田的實現與推廣，離不開各種各樣的數據傳輸，數據的傳輸就必然會應用到通信協議。當前國內外并沒有統一的通信協議標準，而Modbus[2]協議是第一個應用于工業現場的總線協議，自然具有其獨特的優勢。通過Modbus協議，可以實現對各種工業設備的控制管理。我國國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯合2004年9月正式發布了Modbus協議的國家標準 GB/Z 19582.1/2/3-2004。從2004年開始，國家繼電器質量監督檢驗中心針對 Modbus規約進行了一系列測試。而且，Modbus通信協議具有標準、開放、可靠性高，支持多種電氣接口，幀格式簡單、緊湊、通俗易懂等優點，因此將Modbus協議應用于智慧油氣田通信是較為合適的選擇。

1 Modbus協議

1.1 Modbus協議通信模式

Modbus協議有兩種通信模式，在標準的Modbus網絡中，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模式是將一個字節分為兩個ASCⅡ字符進行發送，而RTU模式是以十六進制傳送數據，一個字節就是一幀[3]。由表1可以看出，ASCⅡ模式擁有開始和結束標記，且傳輸每個數據都是用兩個字節來傳輸，而RTU模式只需要一個字節。

在智慧油氣田中的實現工程中，若傳輸的數據量較小，則可以考慮使用ASCⅡ，若所需傳輸的數據量較大，則選擇RTU模式。但是值得注意的是，在一個系統中無論是主機還是從機，都必須采用相同的傳輸速率。目前，Modbus協議通常采用的傳輸速率是1 200bit/s～19 200bit/s。

1.2 Modbus協議數據包格式

典型的Modbus協議數據包格式如表2所示。其中，Address表示地址碼，占1個字節，范圍為0～255，該字節表明由用戶設定地址碼的從機將接受由主機發送來的信息，并且每個從機都具有唯一的地址碼，并且響應回送都按照各自的地址碼開始；Function表示功能碼，占1個字節，Modbus協議定義功能號為1～127，作為主機請求發送，通過功能碼告訴從機進行什么操作；Data表示傳輸的數據，是根據不同的功能碼而不同；CRC表示校驗碼，占2個字節。

2 智慧油氣田解決方案

2.1 智慧油氣田解決方案概述

結合各油氣田數字化現狀與實際業務需求及智慧油氣田的總體目標，在數字油氣田解決方案的基礎上，提出智慧油氣田總體建設方案。本方案可建立覆蓋采油廠、大隊、區隊、井場的智慧油氣田應用系統解決方案，集成油氣田自動化、數字化、信息化、智能化和智慧化于一體，將油氣田生產的自動化與信息化相結合，將物聯網和云計算技術應用到油氣生產過程中，并且借助基于業務模型的專家知識庫等技術，實現實時監測、實時數據采集、實施決策與優化的閉環管理，達到數據知識共享，生產流程自動化、科研工作協同化、系統應用一體化、生產指揮可視化和分析決策科學化等良好的管理效果。

2.2 智慧油氣田解決方案總體架構

智慧油氣田解決方案主要由感知層、網絡層、數據層以及應用層四層架構組成[4]，其總體架構如圖1所示。

由圖1可知，智慧油氣田的關鍵技術是在數據采集與檢測的基礎上，實現匯總油田已有的生產數據，通過應用數據挖掘技術，實現油田生產規律分析。

感知層：通過各種先進的數據采集設備，對井場、處理站、站庫等油田生產現場進行自動化數據采集。網絡層：通過局域光纖網、2G/3G/4G移動網路、無線網橋等傳輸數據和視頻，將采集到的數據傳輸給數據層。數據層：將網絡層傳輸過來的數據，按照數據類別存儲到不同類型的數據庫。應用層：本層是智慧油氣田建設的核心價值所在，立足于油氣田生產綜合業務分析并應用于決策，由多方面的應用系統構成。

3 智慧油氣田解決方案應用

智慧油氣田解決方案，可以采用Windows或Linux軟件開發環境，運用C、C#或其它開發語言進行軟件開發。在RTU、儀表等設備儀器與上位機軟件進行通信時，合理選用Modbus通信協議，將會組建合理的通信方案。

3.1 Modbus協議請求與生成

完備的Modbus協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）、讀多個寄存器（0x03）、寫單個線圈（0x05）、寫多個寄存器（0x10）等功能碼實現各種功能上的需求。Modbus協議的請求與生成如圖2所示，Modbus證實處理操作如圖3所示。

3.2 通信實現

由于Modbus協議是成熟的通信協議，因而大多數使用Modbus協議的通信模塊的串口都支持RS-232、RS-422、RS-485通信協議（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、內部尋址的首地址和要求訪問的字節數都是可以進行配置的，從而形成符合Modbus 協議的命令報文。在Modbus協議較多的命令中，每個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 程序設計

Modbus協議采用主從結構（Master/Slave）的通信方式，協議規定總線上有一個主機，多個從機、主機可單獨與從機通信，也能以廣播的方式與所有從機通信。

在數據通信時，RTU、數據儀表等作為從機應答上位機的數據請求。根據系統需求，RTU實現數據的發送和接收功能，數據儀表可以實現數據的發送。上位機根據Modbus數據包封裝格式進行程序編寫，如：0x04讀輸入寄存器功能碼，實現讀取RTU狀態、采集命令、采集狀態、倒計時、功圖數量等功能；0x16寫入保持寄存器，實現對RTU的數據寫入功能。

在上位機可以編程實現CRC校驗，Modbus協議的CRC校驗方案，可以為智慧油氣田解決方案提供安全的通信協議。其數據幀的傳輸過程包含一個基于CRC方法的錯誤檢測，用于檢測整個消息的內容。數據通過CRC校驗后，RTU通過響應上位機發送的數據請求，將通信狀態標志為發送或接收狀態，并占用總線實現發送或接收。

4 結語

智慧油氣田解決方案的實現與應用離不開通信技術的實現，Modbus協議以它獨有的優勢應用于智慧油氣田生產解決方案的通信實現，能夠為本方案提供方便、迅速、有效的通信方式，其在智慧油氣田的應用將會是世界石油行業在信息技術管理方面的發展趨勢。這樣，國內外石油石化各行業的企業內部及企業與企業之間，將通過基于Modbus協議的智慧油氣田實現信息共享，并更好地解決各應用系統之間存在的不一致和不兼容問題。

參考文獻：

[1] 何世念.走近“智慧的油田”[J].中國石化， 2010（12）：28-31.

[2] HU S，ZHAO Z，ZHANG Y，et al.A novel modbus RTU-based communication system for adjustable speed drives[C].Vehicle Power and Propulsion Conference，2008：1-5.

[3] 朱小襄. Modbus通信協議及編程[J].信息化研究，2005，31（7）：42-44.

[4] 封帆.從數字油田到智慧油田——大數據技術在油氣生產領域的應用探討[J].自動化博覽，2016（8）：76-79.endprint