基于Modbus通信協議的油田RTU調試軟件設計與實現

孟開元+楊海超+楊宇能

摘要：在考察數字化油田建設情況的基礎上，研究油田現場無線儀表與RTU通信方式及其各參數的含義，提出了一種新型油田RTU調試軟件設計思路。在油田現場，RTU與上位機軟件之間的通信方式為串口Modbus或網口Modbus通信，在VS2010開發環境下，用C#編程實現這兩種通信協議，調試人員可根據現場情況選擇通信方式；將RTU和儀表的內部點表用XML文件描述，并將XML文件加載到調試程序中，通過發送不同的指令，用戶可以讀取和配置RTU和儀表的各項參數，繪制示功圖。使用XML語言，可提升軟件開發效率，節省軟件開發時間。結果表明，該軟件運行良好、可操作性強，降低了對現場調試人員的要求。

關鍵詞：RTU；無線儀表；Modbus；XML

DOIDOI：10.11907/rjdk.171492

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0050-03

0 引言

隨著計算機網絡技術、通信技術的快速發展，石油行業對油田的數字化、信息化、智能化要求越來越高，目前各大油田都在致力于數字化油田的建設。在傳統的油田現場，儀表和RTU之間采用RS485串行接口或通過模擬量輸入進行數據通信，該方式以其高可靠性、高適應性、易擴展性[1]，在油氣田監控中得到了廣泛的應用。但是這種方式也存在以下不足：①調試人員需要去油田現場通過串口調試軟件或者直接修改儀表程序對儀表進行配置，浪費時間且容易出錯，對調試人員的專業技能要求比較高，而且由于部分油田距離較遠，環境惡劣，增加了現場維護成本；②由于油田現場環境復雜多變，抽油機機械運動導致傳輸線路容易損壞，加之其它因素使得傳輸信號受到的干擾加劇，導致信號不穩定。

Zigbee以其低復雜度、低功耗、低成本、高可靠等優點，在智能家居等領域得到廣泛應用。近年來，在油田現場，無線儀表開始興起，實踐證明，Zigbee作為儀表和RTU之間的通信方式完全可行，油田現場儀表-RTU-上位機通信結構如圖1所示。

本文在考察數字化油田信息傳輸流程的基礎上，設計與實現了基于Modbus通信協議的油田RTU調試軟件。

1 軟件總體設計

1.1 設計目標

首先，本系統可以根據油田現場實際情況選擇RTU與上位機之間的通信方式是串口Modbus還是網口Modbus，從而實現數據的讀寫交互；其次，可以讀取RTU型號代碼、序列號、固件版本、軟件版本等常規數據以及RPC信息、儀表信息，采集示功圖數據并且繪制示功圖；最后，可以配置儀表、井口、RTU的相關參數，開啟或者關閉RTU等功能。系統功能模塊如圖2所示。

1.2 系統開發流程

本系統首先編程實現串口Modbus和網口Modbus通信，然后用ModScan32軟件驗證數據包的正確性，最后進行數據讀取，即獲取信息和配置參數。系統軟件開發流程如圖3所示。

2 通信模塊實現

2.1 Modbus通信協議

Modbus是由Modicon在1979年發明的，是全球第一個真正用于工業現場的總線協議，也是目前工業現場總線中較為流行的總線協議，標準的Modbus協議物理層接口有RS232、RS433、RS485和以太網口[2]。本系統RTU和上位機物理層使用的接口為RS232和以太網口。Modbus協議是一項應用層報文傳輸協議，包括Modbus ASCII、Modbus RTU、Modbus TCP/IP 3種報文類型[3]。其中Modbus ASCII、Modbus RTU在串行鏈路上傳輸，Modbus TCP/IP在以太網上傳輸。

由于標準Modbus RTU協議的物理層為串口通信，因此應用層數據單元ADU的最大長度為256字節。如圖4所示為Modbus RTU通用數據幀格式，因此，協議數據單元PDU的長度為：256-Server address（1 byte從地址）-CRC（2 byte CRC校驗）=253 bytes。

Modbus TCP/IP是運行在傳輸控制協議上的Modbus 報文傳輸協議[4]。互聯網編號分配管理機構IANA給Modbus協議賦予TCP端口號為502[5]。Modbus TCP/IP通用數據幀如圖5所示。

功能碼占一個字節，編號為0的功能碼未定義。因此，共有127功能碼，它們一共分為3類：公共功能碼、用戶自定義功能碼、保留功能碼[6]。

2.2 通信模塊實現

使用VS2010開發環境集成的SerialPort控件實現串口數據的讀寫，自定義一個控件ipBox用以接收用戶輸入的RTU的IP地址。使用ComboBox下拉菜單顯示調試軟件和RTU的通信方式，即計算機串口的COM口或者網口。在實際應用中，儀表和RTU的數據及相關參數都存儲在RTU的寄存器中，由于油田現場的儀表較多，因此參數也較多，每個參數所占用寄存器的單元個數也較多。為了方便管理，將這些參數有規律地存放在RTU的寄存器單元中，并繪制成如圖6所示的點表，然后根據點表將這些信息編成XML文件，當需要對某個寄存器讀寫時，只需要加載rtu.xml文件并讀取相應的信息即可。

本文在Modbus協議的基礎上，將Modbus數據幀的Data部分劃分為兩部分，第一部分占用2個字節，表示參數存放的寄存器的起始地址，第二部分占用2個字節，表示占用的寄存器個數。

因此，定義一個函數public int MakeData（byte cmd，short addr，short len，ref byte[]data）形成Modbus數據幀。函數參數含義：

cmd：功能碼，該參數的含義為讀/寫單個或者多個RTU單元的數據。

addr：RTU存儲單元起始地址。

len：一次讀/寫RTU存儲單元的個數。

data：前3個參數形成的數據幀存放在data數組中。

當數據幀形成以后，判斷RTU與上位機之間的通信方式，如果是串口通信，則使用SerialPort控件的成員函數Read（byte[]buffer，int offset，int count）、Write（byte[]buffer，int offset，int count）和RTU交互，完成數據的讀寫操作；如果是以太網口通信，用Socket套接字實現與RTU的通信，WSAStartup（）、socket（）、bind（）、send（）、recv（）函數可以完成一次通信，使用的TCP端口號為502。

3 顯示界面設計和通信測試

顯示界面設計主要是調試軟件的界面布局，使用的控件主要有：Button控件、ComboBox控件、自定義的IpBox、Label控件、TextBox控件、DataGridView控件以及Chart控件等。

測試通信和數據幀是否正確的方法為：利用ModScan32軟件向RTU發送和調試軟件相同的命令，對比數據幀每一個字段，看是否相同。經過測試，RTU和上位機之間能進行正常通信，數據幀的格式正確。

4 結語

該軟件實現了與RTU之間的串口和網口通信。經測試，能夠實現正常通信，且可準確獲取RPC、儀表、RTU信息的各項參數，同時可正確采集功圖數據并繪制示功圖。在儀表、RTU和上位機能正常通信的前提下，該軟件能完成儀表、RTU、井口的配置。經過現場測試，該軟件運行穩定良好，并成功應用于某油田現場。

參考文獻：

[1]李濤，王雙友.智能化配電系統中Modbus協議轉換的實現[J].自動化與儀表，2016（1）：30-33.

[2]楊艷華，周永錄，蘇紅軍.通用串口到Modbus RTU的協議轉換器設計與實現[J].計算機測量與控制，2014（2）：604-606.

[3]王興貴，張明智，杜瑩.Modbus RTU通信協議在智能儀表與工控機通信中的應用[J].低壓電器，2008（2）：8-11.

[4]張隆希.嵌入式Modbus協議交換機的設計[J].機電工程技術，2016（Z2）：232-236.

[5]王力.Modbus RTU從站通信協議在嵌入式系統中的實現[J].石油化工自動化，2011（5）：46-48.

[6]呂國芳，唐海龍，李進.基于Modbus RTU的串口調試軟件的實現[J].計算機技術與發展，2009（9）：236-238，241.

（責任編輯：孫 娟）

英文摘要Abstract：On the basis of investigating the digital oilfield construction，this paper studies the communication mode between oilfield field wireless meter and RTU，the meaning of its parameters and puts forward a new design idea of the RTU debugging software.In the oil field，the most used communication method between RTU and the host computer software are serial Modbus and Ethernet Modbus.In the VS2010 development environment，we use C# to program these two communication protocols and user can choose different protocol according to the requirement of the oilfield.Then use XML file to describe the point table inside of RTU and the meter.At last，the XML file would be loaded into the debug software.By sending different instructions，user can read or configure the parameters of RTU and meter and draw the work diagram.The XML language speed up the software development and saving software development time.The results show that the software is operational well and reduces the requirements for on-filed personnel.

英文關鍵詞Key Words：RTU；Wireless Meter；Modbus；XML