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摘 要：本文针对油田数字化与智能化监控需求，介绍了一种基于STM32F103VET6处理芯片的油田井口智能RTU系统设计方案。研制以ARM嵌入式系统为核心的RTU，采用多种类型的无线数据传输模块，并进行采集与控制电路、通信电路及电能检测模块电路设计。与传统的 RTU 相比，该方案具有功能多、处理速度快、现场应用灵活和通信接口丰富等优点。
关键词：RTU;ARM嵌入式;无线通信
引言
随着近年来油田数字化逐步向智能化不断迈进，基于物联网的油气生产监控系统已成为各大油田智能化建设的主要趋势。数字化与智能化油田井场生产监控的关键核心是以RTU为控制核心远程监测抽油井的三相电参数、油压、套压、回压、功图、炉温、出口压力等参数。因此研制油井井口智能RTU在数字化与智能化油田监控具有重要的现实意义和应用价值。针对数字化与智能化油田井场监控技术特点，并结合油田数字化井场监控系统项目要求，对油田井场生产工艺与井场监测设备以及数字化井场监控系统进行分析，确定油井智能RTU功能需求与技术指标。
1.系统总体方案
油田工业现场这一特殊环境决定了CPU要有足够的可靠性和低功耗。ARM系列处理器性能高、功耗低，恰恰符合本设计要求[1]。根据 RTU 的功能要求，本系统设计以STM32F103VET6为主控制芯片，硬件由电源模块、电能检测模块、采集模块、控制输出模块和通信模块组成，其中通信模块又包含APC240无线模块、Zigbee无线模块及4G网络通讯模块。
其系统硬件模块框图如图1所示：
2.采集电路设计：
信息采集包括设备运行状态信息的采集和环境信息采集，需要远程监测抽油井的数据主要有：油压、套压、回压、功图、井温、炉温、出口压力[2]。
在数字量输入输出电路中采用了芯片TLP185，即采用光电耦合器进行隔离，发光二极管把输入的电信号转换为光信号，光信号经过光敏管转换为电信号输出。因没有直接的电气连接，所以在传输信号中隔离了干扰。
智能控制器设计有4路模拟量输入通道，分别用于采集井口温度参数和三路压力参数。在模拟量输入电路中采用了LM358双运算放大器。其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。
3.控制电路设计
控制电路功能需实现数字量输出及模拟量输出，在数字量输出电路中选择了达林顿管驱动器ULN2803。ULN2803符合标准TTL，含有8个NPN达林顿晶体管，可以连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS、PMOS、NMOS）和较高的电流/电压该电路为反向输出型，即输入低电平电压后输出端才能导通工作，符合本油田智能RTU的功能设计需求。
在模拟量输出电路中选择了基于外部的16位DA转换芯片AD5422，从而实现对变频器的控制且与单片机的接口采用SPI总线。考虑到DAC输出时并不需要MISO信号线，在本设计中可以采用三根信号线作SPI通信[3]。针对外部可能存在的干扰影响，采用ADUM1401芯片作通信隔离，其硬件逻辑连接如图2所示。
4.电能检测模块设计
电能检测模块采用了STC-3v7模块。STC-3v7单元采用16位超低功耗单片机，单片机内部集成了几乎计算机所能外围电路。提高了系统的可靠性和抗干扰能力，缩小了产品的体积。接口采用RS485接口，比RS232具有更高的通信速率和更远的通信距离。RS485通信电路中选用ADM2483差分总线收发器，这是一款集成式电流隔离器件，适用于平衡多点总线传输线路的双向数据通信。
5.APC240模块设计
为了采集无线位移传感器中的数据，本设计选择APC240无线模块。APC240模块提供标准的UART/TTL接口，1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps七种速率和三种接口校验方式。APC240模块外部接口采用透明数据传输传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。模块与下位机的连接图见图3。
6.Zigbee模块设计
选择选择F8913D模块作为Zigbee模块，用以接收无线压力传感器及无线温度传感器中的数据[4]。F8913D模块与主控芯片通过串口连接，符合TTL电平标准，串口连接图如图4所示。
7.4G模块设计
为了实现采油生产数据的远程传输，本设计选用了WH-LTE-7S4 V2作为4G网络通讯模块，并通过UART接口TTL （3.3V/5V）与主控芯片连接。
WH-LTE-7S4 V2是一款体积小，功能丰富的M2M4G产品，适用于移动、联通、电信4G和移动、联通3G和2G网络制式。以“透传”作为功能核心，高度易用性，采用双排针的封装形式。该模块软件功能完善，可实现串口到网络的双向数据透明传输。并且支持自定义注册包，心跳包等功能，支持2路Socket連接，支持httpd，UDC等协议通信。具有高速率，低延时的特点。当模块工作状态为网络透传模式时其模式结构示意图如图5.
8.结语
根据数字化油田中实际产生的技术要求，本文主要介绍了一种基于STM32F103的RTU设计实现方法。主要对RTU硬件部分进行了详细介绍，包括信息采集电路、控制电路、电能检测模块，及多种无线通信模块。从而实现远程监测抽油井的三相电参数、油压、套压、回压、功图、井温、炉温、出口压力等参数，有效监控油田工作状况，提高油田生产效率。
参考文献：
[1] 胥昕，翁惠辉.基于ARM的井口RTU测控系统设计[J].长江大学学报（自科版），2013，10（34）：35-36+62.
[2] 黄安贻，杨中豪.油田RTU系统设计[J].软件导刊，2015，14（08）：118-120.
[3] 刘雨. 油井智能RTU研制[D].西安石油大学，2017.
[4] 何嘉斌，龙兴国.基于STM32的RTU控制系统设计[J].科技经济导刊，2016（13）：22-23.
关键词：RTU;ARM嵌入式;无线通信
引言
随着近年来油田数字化逐步向智能化不断迈进，基于物联网的油气生产监控系统已成为各大油田智能化建设的主要趋势。数字化与智能化油田井场生产监控的关键核心是以RTU为控制核心远程监测抽油井的三相电参数、油压、套压、回压、功图、炉温、出口压力等参数。因此研制油井井口智能RTU在数字化与智能化油田监控具有重要的现实意义和应用价值。针对数字化与智能化油田井场监控技术特点，并结合油田数字化井场监控系统项目要求，对油田井场生产工艺与井场监测设备以及数字化井场监控系统进行分析，确定油井智能RTU功能需求与技术指标。
1.系统总体方案
油田工业现场这一特殊环境决定了CPU要有足够的可靠性和低功耗。ARM系列处理器性能高、功耗低，恰恰符合本设计要求[1]。根据 RTU 的功能要求，本系统设计以STM32F103VET6为主控制芯片，硬件由电源模块、电能检测模块、采集模块、控制输出模块和通信模块组成，其中通信模块又包含APC240无线模块、Zigbee无线模块及4G网络通讯模块。
其系统硬件模块框图如图1所示：
2.采集电路设计：
信息采集包括设备运行状态信息的采集和环境信息采集，需要远程监测抽油井的数据主要有：油压、套压、回压、功图、井温、炉温、出口压力[2]。
在数字量输入输出电路中采用了芯片TLP185，即采用光电耦合器进行隔离，发光二极管把输入的电信号转换为光信号，光信号经过光敏管转换为电信号输出。因没有直接的电气连接，所以在传输信号中隔离了干扰。
智能控制器设计有4路模拟量输入通道，分别用于采集井口温度参数和三路压力参数。在模拟量输入电路中采用了LM358双运算放大器。其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式。
3.控制电路设计
控制电路功能需实现数字量输出及模拟量输出，在数字量输出电路中选择了达林顿管驱动器ULN2803。ULN2803符合标准TTL，含有8个NPN达林顿晶体管，可以连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS、PMOS、NMOS）和较高的电流/电压该电路为反向输出型，即输入低电平电压后输出端才能导通工作，符合本油田智能RTU的功能设计需求。
在模拟量输出电路中选择了基于外部的16位DA转换芯片AD5422，从而实现对变频器的控制且与单片机的接口采用SPI总线。考虑到DAC输出时并不需要MISO信号线，在本设计中可以采用三根信号线作SPI通信[3]。针对外部可能存在的干扰影响，采用ADUM1401芯片作通信隔离，其硬件逻辑连接如图2所示。
4.电能检测模块设计
电能检测模块采用了STC-3v7模块。STC-3v7单元采用16位超低功耗单片机，单片机内部集成了几乎计算机所能外围电路。提高了系统的可靠性和抗干扰能力，缩小了产品的体积。接口采用RS485接口，比RS232具有更高的通信速率和更远的通信距离。RS485通信电路中选用ADM2483差分总线收发器，这是一款集成式电流隔离器件，适用于平衡多点总线传输线路的双向数据通信。
5.APC240模块设计
为了采集无线位移传感器中的数据，本设计选择APC240无线模块。APC240模块提供标准的UART/TTL接口，1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps七种速率和三种接口校验方式。APC240模块外部接口采用透明数据传输传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。模块与下位机的连接图见图3。
6.Zigbee模块设计
选择选择F8913D模块作为Zigbee模块，用以接收无线压力传感器及无线温度传感器中的数据[4]。F8913D模块与主控芯片通过串口连接，符合TTL电平标准，串口连接图如图4所示。
7.4G模块设计
为了实现采油生产数据的远程传输，本设计选用了WH-LTE-7S4 V2作为4G网络通讯模块，并通过UART接口TTL （3.3V/5V）与主控芯片连接。
WH-LTE-7S4 V2是一款体积小，功能丰富的M2M4G产品，适用于移动、联通、电信4G和移动、联通3G和2G网络制式。以“透传”作为功能核心，高度易用性，采用双排针的封装形式。该模块软件功能完善，可实现串口到网络的双向数据透明传输。并且支持自定义注册包，心跳包等功能，支持2路Socket連接，支持httpd，UDC等协议通信。具有高速率，低延时的特点。当模块工作状态为网络透传模式时其模式结构示意图如图5.
8.结语
根据数字化油田中实际产生的技术要求，本文主要介绍了一种基于STM32F103的RTU设计实现方法。主要对RTU硬件部分进行了详细介绍，包括信息采集电路、控制电路、电能检测模块，及多种无线通信模块。从而实现远程监测抽油井的三相电参数、油压、套压、回压、功图、井温、炉温、出口压力等参数，有效监控油田工作状况，提高油田生产效率。
参考文献：
[1] 胥昕，翁惠辉.基于ARM的井口RTU测控系统设计[J].长江大学学报（自科版），2013，10（34）：35-36+62.
[2] 黄安贻，杨中豪.油田RTU系统设计[J].软件导刊，2015，14（08）：118-120.
[3] 刘雨. 油井智能RTU研制[D].西安石油大学，2017.
[4] 何嘉斌，龙兴国.基于STM32的RTU控制系统设计[J].科技经济导刊，2016（13）：22-23.