一種RTU控制器可擴展功能的軟硬件實現方法

北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 黃兵，郭月明，謝華鋒

一種RTU控制器可擴展功能的軟硬件實現方法

北京中油瑞飛信息技術有限責任公司 黃兵，郭月明，謝華鋒

針對油氣生產井場站對I/O點量需求的增加及對無線智能儀表數據采集問題，提出了一種RTU控制器I/O可擴展功能的軟硬件實現方法，主要研究討論了通過硬件CAN接口、用戶定義擴展實現I/O擴展，利用Zigbee協議實現對無線智能儀表數據采集功能。

I/O可擴展；RTU；CAN；Zigbee無線傳輸

1 引言

RTU（遠程測控終端）因其具有遙測、遙信、遙調及遙控功能[1]廣泛應用于現代油氣生產領域。然而，油氣井場站控制需求的增加使得控制現場對I/O點的需求也隨之增加，這就要求在不增加單體RTU的情況下提高對現場I/O點量的采集能力。另外，無線智能儀表的廣泛應用要求RTU除對傳統有線儀表進行數據采集外，也能實現對無線智能儀表的數據采集。本文針對以上兩點需求提出了一種RTU控制器的I/O可擴展及對無線智能儀表數據采集的軟硬件實現方法。

2 RTU控制器的系統概述

RTU控制器由硬件、軟件驅動層、操作系統層、協議棧層，硬件驅動層為上層程序提供外部設備的操作接口，包括現場I/O采集驅動、通用RS485通信口、RS232通信口、以及1路以太網通信口。為實現I/O擴展功能設計CAN通信接口和Zigbee無線通信接口I/O。采用嵌入式LINUX[2-5]操作系統；協議棧層包括MODBUS協議簇、CAN自定義 I/O BUS協議和ZIGBEE[6-7]協議。

3 RTU控制器的硬件實現方法

可擴展的RTU控制器硬件由核心板和底板兩部分組成。CPU、內存等控制核心集中在核心板上，外部數據接口和通信接口集中在底板上，如圖1（a）、（b）所示。這種結構化設計實現了核心基礎電路與外圍接口電路分離，提高了核心電路的技術復用率，且便于產品生產和升級。

圖1 （a）核心板原理框圖

圖1 （b）底板原理框圖

由圖1（a）可知，RTU控制器CPU采用ATMEL的32位ARM9工業級處理器、1GB NAND FLASH、32MB SDRAM、8MB的SPI FLASH；16KB FRAM保證系統在掉電情況下仍可保存數據；WATCH DOG用來防止程序跑飛。圖1（b）所示底板集成了除3路RS485通信口、2路RS232通信口及1路以太網通信口等現場通用通信接口外，還增加了為實現I/O擴展2路CAN通信口及為實現無線儀表數據采集的1路Zigbee無線通信接口。電源采用獨立的DC/DC隔離電源模塊，隔離電壓可達2KVDC，支持反接保護和短路保護。

3.1 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路主要包含控制器部分、收發器部分、隔離部分、外圍電路部分及供電電源5部分，如圖2所示。

圖2 CAN總線接口電路

CAN總線通信的核心是CAN總線控制器，本文采用CPU片上集成控制器實現CAN數據鏈路層、傳輸層功能，物理層功能通過CAN總線收發器芯片PCA82C250T實現，并能過光耦隔離方式實現CAN物理總線與內部系統的隔離。由于光耦合器輸入/輸出間互相隔離且電信號傳輸具有單向性特點，因而具有良好的電絕緣和抗干擾能力。另外，光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，具有很強的共模抑制能力，因此在長線信息傳輸中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。

4 RTU控制器的軟件實現方法

可擴展的RTU控制器的軟件實現方法包括自定義I/O可擴展協議和優化的無線傳輸算法。

4.1 可擴展功能軟件實現

為實現RTU擴展模塊緊湊互連，結構上通過，采用35mm標準導軌，將RTU擴展模塊固定在一起，實現設計的緊湊和一體化。軟件過自定義I/O可擴展協議（I/OBUS協議）實現與擴展模塊通信。I/OBUS總線協議基于CAN2.0B串行通信協議，采用應答傳輸機制。CAN協議涵蓋了ISO規定的OSI基本參照模型中的傳輸層、數據鏈路層及物理層，如圖3所示。

圖3 ISO/OSI基本參照模型和CAN協議

圖3 所示的物理層定義了信號實際的發送方式、位時序、位的編碼方式及同步的步驟。數據鏈路層分為MAC子層和LLC子層，MAC子層是CAN協議的核心部分。數據鏈路層的功能是將物理層收到的信號組織成有意義的消息，并提供傳送錯誤控制等傳輸控制的流程。具體地說，就是消息的幀化、仲裁、應答、錯誤的檢測或報告。

CAN2.0 B協議數據幀由包括幀起始、仲裁段、控制段、數據段、CRC段、ACK段和幀結束7個段構成。幀起始表示數據幀開始的段；仲裁段表示數據的優先級；控制段由6位構成，表示數據段的字節數；數據段可包含0~8個字節的數據，從MSB（最高位）開始輸出；CRC段由15位的CRC順序和1位的CRC界定符構成，用于檢查幀的傳輸錯誤；ACK段用來確認是否正常接收，由ACK槽和ACK界定符2位構成；幀結束由7位隱性位構成，表示數據幀結束。我們在CAN2.0 B協議格式封裝上進行了擴展，形成了自定義的報文格式，如圖4所示。

圖4 I/OBUS報文格式

圖4 所示的報文格式中，SRR和IDE為1，RTR為0。協議的數據區為固定8字節長度，主從節點在發送數據時把DLC恒定設置為1000。另外，仲裁區包含方向標識、從節點號、協議號、總包號、包序號和板卡類型等信息。

4.2 優化的無線傳輸算法

計算機實驗中心的建設要多功能化。現在的計算機設備硬盤比較大，計算機技術也支持一臺機安裝多個操作系統。實驗教學中心可以根據自己學校的教學實際需要、學科特點、計算機教學功能需求，將每個計算機實驗室的計算機設備安裝多個操作系統，在不同系統下根據教學功能需求安裝相應計算機應用軟件。過去傳統的計算機實驗教學中心功能單一，只能承擔全校的計算機公共課教學任務，各分院(系、部)還都要建設自己的專業機房，實驗室重復建設，設備利用率低，分院(系、部)缺少計算機專業實驗教師去維護與管理，設備故障率高，造成財力、人力資源的浪費，這樣建設不適用于辦學經費有限的地方高校。

設計了優化的無線傳輸算法來降低儀表功耗，延長儀表內置電池的壽命，算法流程如圖5所示，每一步操作的具體內容如下：

操作一：RTU初始化集成的無線Zigbee模塊；

操作二：是否有無線儀表在網；

操作三：RTU無線Zigbee模塊進入睡眠狀態；

操作四：無線儀表發送命令，RTU無線模塊回應，無線儀表獲取RTU系統時間并與之同步；

操作五：每隔25秒無線儀表向RTU端上報數據；

操作六：過整30min時，無線儀表再次申請與RTU時鐘同步；

操作七：無線儀表進入深度睡眠狀態。

圖5 優化的無線傳輸算法流程圖

5 RTU控制器的應用實例

油氣生產數字化系統利用RTU和智能儀表組成現場層數字化采集系統，完成站內計量、集輸、注水等主要生產運行參數的集中監測及優化控制。將可擴展的RTU控制器與其他數字、模擬等擴展模塊互連，對多個井口的數據進行采集和通信，以確保油氣生產處理持續、穩定、高效的運行。圖6為油氣生產現場數字采集系統連接圖，利用可擴展的RTU控制器和智能儀表的實現方法。

圖6 油氣生產現場數字采集系統連接圖

6 結論

本文提出的可擴展RTU控制器結構上可通過35mm標準導軌與其他擴展模塊實現一體化連接，電氣上可通過I/OBUS實現互連、數據傳輸；支持多種工控編程語言，方便工程上進行二次開發。另外，優化的無線傳輸算法和增強的硬件/軟件設計不僅降低了與RTU互連的無線智能儀表的功耗，而且保證RTU在極端環境下也能穩定、可靠地正常工作。

[1] 候貴雙等. 微功耗RTU應用系統研究與實現 [D]. 西安石油大學碩士學位論文, 2010.

[2] 田澤. 嵌入式系統開發與應用[M]. 北京: 北京航空航天出版社, 2005: 1-133.

[3] 魏忠, 蔡勇, 雷紅衛著. 嵌入式系統開發詳解[M]. 北京: 電子工業出版社, 2003.

[4] AlessandroRubini. Linux Device Drivers [M].O’Reilly&Associates, Inc. 1998.

[5] Neil Matthew, Richard Stones. Beginning Linux Programming, Third Edition. 2004.

[6] ZigBeeAllianee. http://www. ZigBee.org/ Products/Overview/tabidi232/ Default. aspx, 2008. 12.

[7] 瞿雷, 劉盛德, 胡咸斌. ZigBee技術及應用[M]. 北京: 北京航空航大大學出版社, 2007.

圖14 導出人機界面屏幕

（3）更改數據庫

圖15 更改數據庫

有些（但不是所有的）供應商的控制系統，操作數據庫中的數據可以執行控制系統的任何動作（參見圖15）。

（4）中間人攻擊

圖16 中間人攻擊

如果攻擊者知道他所操作的協議，中間人攻擊可在控制系統的協議上進行。攻擊者可以修改傳輸過程中的數據包，可以惡搞操作員人機界面的顯示，也可以完全控制ICS（參見圖16）。通過對命令流插入命令，攻擊者可以發出任意的或針對的命令。通過更改回復，操作員得到的顯示是更改后的過程畫面。

作者簡介

華镕，男，1982年畢業于北京科技大學自動化系，現任羅克韋爾自動化（中國）有限公司全球標準及貿易部中國地區經理。

The Hardware and Software Implementation Method of RTU Extensible Function

This paper proposed a hardware and software implementation method of RTU extensible function aiming to the increasing demand on the I/O number and data acquisition of wireless intelligent instruments This paper mainly discussed the realization of I/O expansion with CAN interface and implement of data collection functions of wireless intelligent instruments by using Zigbee protocol.

I/O expansion;RTU;CAN;Wireless transmission of Zigbee

黃兵（1983-），男，內蒙古鄂爾多斯人，碩士，中級工程師，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，長期從事工業自動化控制器RTU、PLC相關產品技術開發工作，從業經驗6年。

郭月明（1975-），男，江西人，本科，高級工程師，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為工業自動化儀表。

謝華鋒（1974-），男，河南漯河人，本科，軟件工程師，現就職于北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，主要研究方向為嵌入式開發。