油田井口智能RTU設計Design of intelligent RTU for oilfield wellhead

葛浩　翁惠輝

摘 要：本文針對油田數字化與智能化監控需求，介紹了一種基于STM32F103VET6處理芯片的油田井口智能RTU系統設計方案。研制以ARM嵌入式系統為核心的RTU，采用多種類型的無線數據傳輸模塊，并進行采集與控制電路、通信電路及電能檢測模塊電路設計。與傳統的 RTU 相比，該方案具有功能多、處理速度快、現場應用靈活和通信接口豐富等優點。

關鍵詞：RTU;ARM嵌入式;無線通信

引言

隨著近年來油田數字化逐步向智能化不斷邁進，基于物聯網的油氣生產監控系統已成為各大油田智能化建設的主要趨勢。數字化與智能化油田井場生產監控的關鍵核心是以RTU為控制核心遠程監測抽油井的三相電參數、油壓、套壓、回壓、功圖、爐溫、出口壓力等參數。因此研制油井井口智能RTU在數字化與智能化油田監控具有重要的現實意義和應用價值。針對數字化與智能化油田井場監控技術特點，并結合油田數字化井場監控系統項目要求，對油田井場生產工藝與井場監測設備以及數字化井場監控系統進行分析，確定油井智能RTU功能需求與技術指標。

1.系統總體方案

油田工業現場這一特殊環境決定了CPU要有足夠的可靠性和低功耗。ARM系列處理器性能高、功耗低，恰恰符合本設計要求[1]。根據 RTU 的功能要求，本系統設計以STM32F103VET6為主控制芯片，硬件由電源模塊、電能檢測模塊、采集模塊、控制輸出模塊和通信模塊組成，其中通信模塊又包含APC240無線模塊、Zigbee無線模塊及4G網絡通訊模塊。

其系統硬件模塊框圖如圖1所示：

2.采集電路設計：

信息采集包括設備運行狀態信息的采集和環境信息采集，需要遠程監測抽油井的數據主要有：油壓、套壓、回壓、功圖、井溫、爐溫、出口壓力[2]。

在數字量輸入輸出電路中采用了芯片TLP185，即采用光電耦合器進行隔離，發光二極管把輸入的電信號轉換為光信號，光信號經過光敏管轉換為電信號輸出。因沒有直接的電氣連接，所以在傳輸信號中隔離了干擾。

智能控制器設計有4路模擬量輸入通道，分別用于采集井口溫度參數和三路壓力參數。在模擬量輸入電路中采用了LM358雙運算放大器。其內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式。

3.控制電路設計

控制電路功能需實現數字量輸出及模擬量輸出，在數字量輸出電路中選擇了達林頓管驅動器ULN2803。ULN2803符合標準TTL，含有8個NPN達林頓晶體管，可以連接在陣列非常適合邏輯接口電平數字電路（例如TTL，CMOS、PMOS、NMOS）和較高的電流/電壓該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓后輸出端才能導通工作，符合本油田智能RTU的功能設計需求。

在模擬量輸出電路中選擇了基于外部的16位DA轉換芯片AD5422，從而實現對變頻器的控制且與單片機的接口采用SPI總線。考慮到DAC輸出時并不需要MISO信號線，在本設計中可以采用三根信號線作SPI通信[3]。針對外部可能存在的干擾影響，采用ADUM1401芯片作通信隔離，其硬件邏輯連接如圖2所示。

4.電能檢測模塊設計

電能檢測模塊采用了STC-3v7模塊。STC-3v7單元采用16位超低功耗單片機，單片機內部集成了幾乎計算機所能外圍電路。提高了系統的可靠性和抗干擾能力，縮小了產品的體積。接口采用RS485接口，比RS232具有更高的通信速率和更遠的通信距離。RS485通信電路中選用ADM2483差分總線收發器，這是一款集成式電流隔離器件，適用于平衡多點總線傳輸線路的雙向數據通信。

5.APC240模塊設計

為了采集無線位移傳感器中的數據，本設計選擇APC240無線模塊。APC240模塊提供標準的UART/TTL接口，1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps七種速率和三種接口校驗方式。APC240模塊外部接口采用透明數據傳輸傳輸方式，能適應標準或非標準的用戶協議，所收的數據就是所發的數據。模塊與下位機的連接圖見圖3。

6.Zigbee模塊設計

選擇選擇F8913D模塊作為Zigbee模塊，用以接收無線壓力傳感器及無線溫度傳感器中的數據[4]。F8913D模塊與主控芯片通過串口連接，符合TTL電平標準，串口連接圖如圖4所示。

7.4G模塊設計

為了實現采油生產數據的遠程傳輸，本設計選用了WH-LTE-7S4 V2作為4G網絡通訊模塊，并通過UART接口TTL （3.3V/5V）與主控芯片連接。

WH-LTE-7S4 V2是一款體積小，功能豐富的M2M4G產品，適用于移動、聯通、電信4G和移動、聯通3G和2G網絡制式。以“透傳”作為功能核心，高度易用性，采用雙排針的封裝形式。該模塊軟件功能完善，可實現串口到網絡的雙向數據透明傳輸。并且支持自定義注冊包，心跳包等功能，支持2路Socket連接，支持httpd，UDC等協議通信。具有高速率，低延時的特點。當模塊工作狀態為網絡透傳模式時其模式結構示意圖如圖5.

8.結語

根據數字化油田中實際產生的技術要求，本文主要介紹了一種基于STM32F103的RTU設計實現方法。主要對RTU硬件部分進行了詳細介紹，包括信息采集電路、控制電路、電能檢測模塊，及多種無線通信模塊。從而實現遠程監測抽油井的三相電參數、油壓、套壓、回壓、功圖、井溫、爐溫、出口壓力等參數，有效監控油田工作狀況，提高油田生產效率。

參考文獻：

[1] 胥昕，翁惠輝.基于ARM的井口RTU測控系統設計[J].長江大學學報（自科版），2013，10（34）：35-36+62.

[2] 黃安貽，楊中豪.油田RTU系統設計[J].軟件導刊，2015，14（08）：118-120.

[3] 劉雨. 油井智能RTU研制[D].西安石油大學，2017.

[4] 何嘉斌，龍興國.基于STM32的RTU控制系統設計[J].科技經濟導刊，2016（13）：22-23.