Modbus协议在智慧油气田解决方案中的应用

曹庆年+彭甲勇+鲁帅帅+孟开元

摘 要：Modbus协议在石油天然气行业的成功应用经验，为该协议在智慧油气田解决方案中的应用提供了很好的借鉴。在介绍Modbus协议的基础上，结合智慧油气田解决方案，探讨了Modbus协议在智慧油气田解决方案中的应用。

关键词：Modbus协议；智慧油气田；CRC校验

DOIDOI：10.11907/rjdk.171277

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0114-02

0 引言

智慧油气田[1]是在数字油气田的基础上，结合各油气田数字化现状与实际业务需求及智慧油气田的总体目标，通过实时数据采集、实时数据监控、实时决策和优化管理，将油气田现场勘探、开发、油气井生产管理、工程技术服务、生产保障等各业务领域的油气藏、油气井、数据等资产，有机地统一在一起，实现数据共享、协同科研工作、自动生产流程、一体化的系统应用，提高油田生产决策的及时性和准确性，达到节约投资与运行成本的目的。

智慧油气田的实现与推广，离不开各种各样的数据传输，数据的传输就必然会应用到通信协议。当前国内外并没有统一的通信协议标准，而Modbus[2]协议是第一个应用于工业现场的总线协议，自然具有其独特的优势。通过Modbus协议，可以实现对各种工业设备的控制管理。我国国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合2004年9月正式发布了Modbus协议的国家标准 GB/Z 19582.1/2/3-2004。从2004年开始，国家继电器质量监督检验中心针对 Modbus规约进行了一系列测试。而且，Modbus通信协议具有标准、开放、可靠性高，支持多种电气接口，帧格式简单、紧凑、通俗易懂等优点，因此将Modbus协议应用于智慧油气田通信是较为合适的选择。

1 Modbus协议

1.1 Modbus协议通信模式

Modbus协议有两种通信模式，在标准的Modbus网络中，控制器可以配置ASCⅡ模式和RTU（Remote Terminal Unit）模式中的任意一种通信模式。ASCⅡ模式是将一个字节分为两个ASCⅡ字符进行发送，而RTU模式是以十六进制传送数据，一个字节就是一帧[3]。由表1可以看出，ASCⅡ模式拥有开始和结束标记，且传输每个数据都是用两个字节来传输，而RTU模式只需要一个字节。

在智慧油气田中的实现工程中，若传输的数据量较小，则可以考虑使用ASCⅡ，若所需传输的数据量较大，则选择RTU模式。但是值得注意的是，在一个系统中无论是主机还是从机，都必须采用相同的传输速率。目前，Modbus协议通常采用的传输速率是1 200bit/s～19 200bit/s。

1.2 Modbus协议数据包格式

典型的Modbus协议数据包格式如表2所示。其中，Address表示地址码，占1个字节，范围为0～255，该字节表明由用户设定地址码的从机将接受由主机发送来的信息，并且每个从机都具有唯一的地址码，并且响应回送都按照各自的地址码开始；Function表示功能码，占1个字节，Modbus协议定义功能号为1～127，作为主机请求发送，通过功能码告诉从机进行什么操作；Data表示传输的数据，是根据不同的功能码而不同；CRC表示校验码，占2个字节。

2 智慧油气田解决方案

2.1 智慧油气田解决方案概述

结合各油气田数字化现状与实际业务需求及智慧油气田的总体目标，在数字油气田解决方案的基础上，提出智慧油气田总体建设方案。本方案可建立覆盖采油厂、大队、区队、井场的智慧油气田应用系统解决方案，集成油气田自动化、数字化、信息化、智能化和智慧化于一体，将油气田生产的自动化与信息化相结合，将物联网和云计算技术应用到油气生产过程中，并且借助基于业务模型的专家知识库等技术，实现实时监测、实时数据采集、实施决策与优化的闭环管理，达到数据知识共享，生产流程自动化、科研工作协同化、系统应用一体化、生产指挥可视化和分析决策科学化等良好的管理效果。

2.2 智慧油气田解决方案总体架构

智慧油气田解决方案主要由感知层、网络层、数据层以及应用层四层架构组成[4]，其总体架构如图1所示。

由图1可知，智慧油气田的关键技术是在数据采集与检测的基础上，实现汇总油田已有的生产数据，通过应用数据挖掘技术，实现油田生产规律分析。

感知层：通过各种先进的数据采集设备，对井场、处理站、站库等油田生产现场进行自动化数据采集。网络层：通过局域光纤网、2G/3G/4G移动网路、无线网桥等传输数据和视频，将采集到的数据传输给数据层。数据层：将网络层传输过来的数据，按照数据类别存储到不同类型的数据库。应用层：本层是智慧油气田建设的核心价值所在，立足于油气田生产综合业务分析并应用于决策，由多方面的应用系统构成。

3 智慧油气田解决方案应用

智慧油气田解决方案，可以采用Windows或Linux软件开发环境，运用C、C#或其它开发语言进行软件开发。在RTU、仪表等设备仪器与上位机软件进行通信时，合理选用Modbus通信协议，将會组建合理的通信方案。

3.1 Modbus协议请求与生成

完备的Modbus协议的功能码种类较多，在智慧油气田解决方案的需求下，可以选用：读线圈（0x01）、读输入离散量（0x02）、读多个寄存器（0x03）、写单个线圈（0x05）、写多个寄存器（0x10）等功能码实现各种功能上的需求。Modbus协议的请求与生成如图2所示，Modbus证实处理操作如图3所示。

3.2 通信实现

由于Modbus协议是成熟的通信协议，因而大多数使用Modbus协议的通信模块的串口都支持RS-232、RS-422、RS-485通信协议（可通过模块上的跳线来选择）。在模块中的每条命令，从装置地址、内部寻址的首地址和要求访问的字节数都是可以进行配置的，从而形成符合Modbus 协议的命令报文。在Modbus协议较多的命令中，每个模块并不能支持所有的命令，只需要选择合适的主要命令，就足以完成通信的需求。endprint

3.3 程序设计

Modbus协议采用主从结构（Master/Slave）的通信方式，协议规定总线上有一个主机，多个从机、主机可单独与从机通信，也能以广播的方式与所有从机通信。

在数据通信时，RTU、数据仪表等作为从机应答上位机的数据请求。根据系统需求，RTU实现数据的发送和接收功能，数据仪表可以实现数据的发送。上位机根据Modbus数据包封装格式进行程序编写，如：0x04读输入寄存器功能码，实现读取RTU状态、采集命令、采集状态、倒计时、功图数量等功能；0x16写入保持寄存器，实现对RTU的数据写入功能。

在上位机可以编程实现CRC校验，Modbus协议的CRC校验方案，可以为智慧油气田解决方案提供安全的通信协议。其数据帧的传输过程包含一个基于CRC方法的错误检测，用于检测整个消息的内容。数据通过CRC校验后，RTU通过响应上位机发送的数据请求，将通信状态标志为发送或接收状态，并占用总线实现发送或接收。

4 结语

智慧油气田解决方案的实现与应用离不开通信技术的实现，Modbus協议以它独有的优势应用于智慧油气田生产解决方案的通信实现，能够为本方案提供方便、迅速、有效的通信方式，其在智慧油气田的应用将会是世界石油行业在信息技术管理方面的发展趋势。这样，国内外石油石化各行业的企业内部及企业与企业之间，将通过基于Modbus协议的智慧油气田实现信息共享，并更好地解决各应用系统之间存在的不一致和不兼容问题。

参考文献：

[1] 何世念.走近“智慧的油田”[J].中国石化， 2010（12）：28-31.

[2] HU S，ZHAO Z，ZHANG Y，et al.A novel modbus RTU-based communication system for adjustable speed drives[C].Vehicle Power and Propulsion Conference，2008：1-5.

[3] 朱小襄. Modbus通信协议及编程[J].信息化研究，2005，31（7）：42-44.

[4] 封帆.从数字油田到智慧油田——大数据技术在油气生产领域的应用探讨[J].自动化博览，2016（8）：76-79.endprint