基于μC/OS-Ⅲ抽油机通讯系统RTU的设计与实现

摘要

随着物联网技术在油气田生产的大规模应用，以及其现场对抽油机井场工况数据的实时性、精准性需求的日益提高，我国的油气田已经由数字化向智慧化发展。智慧油田的关键技术之一是对井场数据的智能采集、传输及控制，其核心控制设备是搭载于抽油机的远程控制终端(Remote Terminal Unit，RTU)。现有的抽油机RTU通讯协议单一、通用性不高、通讯距离有限，因此设计一套集多种通讯协议、有线无线通讯相结合的抽油机RTU通讯系统具有很高的应用价值和现实意义。 通过对油田井场生产工艺与井场监测设备的需求分析，并考虑石油石化行业相应标准和技术规范，确定出抽油机RTU的功能需求与技术指标，本文提出并设计了一种基于ARM嵌入式系统为核心的抽油机RTU通讯系统。结合RTU主从站通讯模式设计了单井通讯和多井集联通讯，并在符合A11标准的基础上详细规划了RTU通讯方案。硬件系统平台上，核心处理器采用STM32F429IGT6作为主控芯片，通讯模块由有线方式和无线方式相结合，采用RS-232/485串口通讯、ZigBee Pro通讯模块及以太网TCP/IP通讯模块进行各个层级的数据传输，硬件电路设计包括控制电路、通信电路的设计。软件系统平台上，首先在抽油机RTU中植入μC/OS-III嵌入式实时操作系统，其板级支持包BSP的移植为整个软件系统提供底层硬件支持，其次利用μC/OS-III的高效率多任务调度开发了具有主从站MODBUS RTU通讯模式的下行数据采集任务、上行传输任务、PC通信任务、数据存储任务及智能报警任务等子程序，最后在实验室完成抽油机RTU通讯系统的部分功能测试。 模拟测试结果表明，抽油机RTU通讯系统能够准确采集油井生产数据、现场工况数据，实现了RTU主从站MODBUS RTU通讯模式的单井通讯和多井集联通讯，支持故障报警及远程控制，达到设计的预期目的。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 需求背景

1.2 研究目的和意义

1.3 国内外发展现状

1.4 论文研究的主要内容

第二章 抽油机RTU通讯系统关键技术理论

2.1 ARM嵌入式系统

2.2 ZigBee Pro通信技术

2.3 RS-232/RS-485通信

2.4 以太网通信技术

2.5 Modbus协议

2.6 本章小结

第三章 抽油机RTU通讯系统的总体设计方案

3.1 通讯系统RTU整体概述

3.2 RTU的软硬件构成和功能要求

3.3 RTU的通讯模式

3.4 整体通讯设计

3.5 本章小结

第四章 抽油机RTU通讯系统的硬件设计

4.1 RTU硬件系统总体概述

4.2 RTU核心板硬件设计

4.3 数据通讯协议硬件电路设计

4.4 本章小结

第五章 抽油机RTU通讯系统的软件设计

5.1 RTU软件系统总体概述

5.2 μC/OS-III操作系统

5.3 通信协议的实现

5.4 μC/OS-III操作系统的移植

5.5 板级包BSP移植

5.6 RTU通讯系统程序设计

5.7 本章小结

第六章 抽油机RTU通讯系统功能测试

6.1 通讯系统RTU软件开发环境

6.2 通讯功能测试

6.3 抽油机RTU参数配置测试

6.4 RS-232/485现场控制测试

6.5 多任务调度测试

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

附录