（电气工程专业论文）东北天然气站用小型rtu装置开发设计.pdf

a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，a l o n g w i t he l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds e m i c o n d u c t o ri n d u s t r y t h er a p i dd e v e l o p m e n to f s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ( s c a d as y s t e m ) h a se n dt h ee r a w h e nt h es y s t e m sf u n c t i o ni ss i m p l eb u tt h eo p e r a t i o ni sc o m p l e x t h eq u a l i t ya n d u s e f u l n e s so ft h es y s t e mh a sb e e ng r e a t l yi m p r o v e da n dt h er e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t y r e a c han e wl e v e l i ti sw i d e l yu s e di ne l e c t r i cp o w e r p e t r o l e u m ，c h e m i c a li n d u s t r y , c o n s t r u c t i o na n do t h e ri n d u s t r i e s r e m o t et e r m i n a lu n i t ( r t u ) a so n eo ft h ec o r e c o m p o n e n t so fs c a d as y s t e m s ，n o to n l ys h o u l db en e e dt oa d a p tt ot h es y s t e mi n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o na r e a s b u ta l s os h o u l db ef i tf o rt i l eh i g h e r a n dh i g h e r r e q u i r e m e n t so fa p p l i c a t i o nf l e x i b i l i t y , r e l i a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y t h ee n v i r o n m e n to ft h en o r t h e r ng a sf i e l d si sc o l d t h ep o s i t i o no fr e g u l a t o r s t a t i o n sa n dm e t e r i n gs t a t i o n sa r eg e o g r a p h i c a l l yd i s p e r s e d ，a n dm o s to ft h e ma r ei n r e m o t ef i e l dc o v e r i n gw i d ea r e a s d a t aa c q u i s i t i o np o i n t sa r el e s s ，a n dt h es i t ep l a n t a r eo fc o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i c s i no r d e rt os u i tf o rt h e s ec o n d i t i o n s al u ud e v i c e u s e di nn o r t h e r ns t a t i o n si sd e s i g n e d i th a si - t p s d 3 2 0 0s e r i e sm c ua st h ec o r e ，w i t h i t si n t e m a lc o n t a i nl a r g e c a p a c i t yf l a s hm e m o r ya n ds r a mm e m o r y , 1 2 c ，u a r t , a n du s bi n t e r f a c ec i r c u i t ，a n d p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e s ，c o m b i n e dw i t h m i c r o c o n t r o l l e r , e m b e d d e ds y s t e m s ，s o ct e c h n o l o g ya n ds e r i a l c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y d e v e l o p m e n td e s i g nak i n do fs m a l ls c a l e dr t u d e v i c e i ti sr e s p o n s i b l e f o rm o n i t o r i n gt h en a t u r a lg a sr e g u l a t ea n dm e a s u r ed a t a ，i nt h en o r t h e r n 。 i na d d i t i o nt od a t ac o l l e c t i o na n dm o n i t o r i n g t h e r ea r es t a n d a r ds e r i a l i n t e r f a c e ， n o n s t a n d a r dc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lc o n v e r s i o n ，a n ds o f t w a r eu p d a t e sa n do t h e r f u n c t i o n s i ti se a s yt oi n s t a l la n dm a i n t e n a n c e i th a sc h a r a c t e r s o ff l e x i b l e c o n f i g u r a t i o na n dh i g h - p e r f o r m a n c e 1 0 w - c o s t s m a l ls i z e ，e t c i ti sn o to n l ys u i tf o r t h en o r t hn a t u r a lg a sm a r k e t sb u ta l s os u i tf o ro t h e rf i l e d ，s u c ha so i l ，b u i l d i n gs y s t e m s a n ds oo n ，a f t e rp r o p e ru p g r a d i n g s oi th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，r e m o t e t e r m i n a lu n i t ，s i n g l ec h i pm o d b u s s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：伊夕年彩月尹拍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 、 和江 签字日期：加9 年月少g l f 导师签名：岬介焉 签字日期：协年占月飞1 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数据采集与监视控制系统概述 1 1 1 数据采集与监视控制系统定义 数据采集与监视控制系统，又称s c a d a 系统( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ) ，或称为监控组态软件l lj 。从字面上讲，它不是完整的控制系 统，而是位于控制设备之上，侧重于管理的软件。s c a d a 系统允许用户从一个 或多个远程设备收集数据或发送控制命令给这些设备。它所接的控制设备通常是 p l c ( 可编程控制器) ，也可以是智能仪表或板卡等【2 1 。早期的s c a d a 系统运行 于d o s 、u n i x 、v m s 。 1 1 2 监控系统的功能 s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度管理自动化系统1 3 】。它 可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参 数调整以及各类信号报警等各项功能。 s c a d a 系统不只是应用于工业领域，如钢铁、电力、化工，还广泛应用于 食品、医疗、建筑、科研等行业。 1 1 3s c a d a 系统的发展历程 2 0 世纪7 0 年代以来，电子技术和半导体工业的发展突飞猛进，工业生产、科 学研究和人民生活对测量和控制的需求不断提高，这些带动并促使测量和控制领 域出现巨大变化。具体到自动化控制系统，相继经历了从组合仪表、模拟监控 ( s c c ) 、直接数字控制( d d c ) 、集散控制系统( d c s ) ，到现在的监控与数据采集系 统( s c a d a ) 的漫长发展过程1 1j 。s c a d a 系统传统上也称作“三遥”或“四遥” 遥测、遥信、遥控、遥调) 系统，它是以计算机为基础的生产过程控制与调度自 动化系统【4 1 。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备 控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。与传统的d c s 系统相比， s c a d a 系统具有突出的优点1 5 】：提高了信号传输可靠性：减轻了监控主机负担： 减少了信号电缆用量；节省了安装费用，其结构充分体现了“测控分散、管理集 中”的特点。 s c a d a 系统发展到今天已经经历了三代产品i6 | 。 第一章绪论 第一代s c a d a 系统是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统，如电 力自动化研究院为华北电网开发的s d l 7 6 系统、日本日立公司的h 8 0 m 铁道电气 化远东系统。二十世纪7 0 年代一8 0 年代初主要采用第一代s c a d a 系统。 第二代s c a d a 系统基于通用计算机的s c a d a 系统，广泛采用v a x d , 型计算 机以及其它通用工作站，操作系统一般是通用的u n 操作系统。在这一阶段， s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析、自动发电控制( a g c ) 以及 网络分析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。 第一代与第二代s c a d a 系统的共同特点是采用集中式计算机系统结构，并 且系统不具有开放性，因而系统维护、升级以及与其它系统实现数据共享十分困 难。 进入二十一世纪以来，随着计算机软硬件技术的飞速发展，第三代s c a d a 系统开始应用p c 机和网络技术，同时系统逐步从集中式结构转j 句b s 结构( 客户 n 务器结构) ；这一阶段是我国s c a d a 系统发展最快的阶段，各种最新的计算 机技术都汇集进s c a d a 系统中i2 l 。这一阶段也是我国对电力系统自动化以及电 网建设投资最大的时期，国家计划三年内投资2 7 0 0 亿元改造城乡电网，可见电力 系统自动化以及电网建设对于国家的重要程度。 到目前为止，以智能化和网络化为标志的第四代s c a d a 系统的雏形已经出 现。该系统的主要特征是采用凶特网技术、自律分布系统技术、面向对象技术、 模糊控制和数据挖掘技术以及j a v a 等技术，实现s c a d a 系统与其它信息系统的 增值集成，实现控制和管理过程的智能化【7 】。 1 1 4s c a d a 系统国内外发展状况 s c a d a 系统是目前当今采集控制和传输数据最好的实用系统，r t u 并应用于 外部管道检测【8 】。管道是油田天然气田的生命线。因此管道的数字化建设也是数 字油田天然气田建设的重要内容一j 。数字管道，实际上就是信息化的管道建 立在网上的虚拟管道。数字管道将有关管道的全部信息，包括管道本身的静态信 息和运行的动态信息，并按照地理坐标加以整理，然后构成一个管道的信息集合。 数据采集与控制( s c a d a ) 系统是数字化管道必不可少的系统。国外对于管道自动 化的研刭1 0 】，从1 9 31 年开始到1 9 51 年初具规模，目前已有成熟的s c a d a 系统硬 件及软件，普遍采用了先进的自动化数据采集与控制技术，对生产工艺过程的实 时监控已成为惯例，实现全线集中控制。 我国长输管道8 0 年代中期以来发展突飞猛进，在铁大线、东黄复线上安装了 从美国r c x n o r d 公司引进的s c a d a 系统。此后，新建的长输管道大多配备了我国 或引进的s c a d a 系统。库鄯输油管道西起库尔勒，东到鄯善末站，全场4 7 6 k m ， 第一章绪论 管径6 1 0 m m ，年输量5 0 0 - - 1 0 0 0 万吨，1 9 9 7 年6 月3 0 日建成投产。该管道实现了高 度自动化，被誉为我国第一条具有9 0 年代国际先进水平的现代化输油管道【1 1 1 。 除石油，天然气是一种优质的清洁能源，发达国家天然气在能源结构中的战 略地位早已确立。其利用领域极为广泛，诸如化学工业原料、工业燃料、商业及 民用燃料、汽车燃料、集中供热与发电等，是主要的一次性消耗能源之一。天然 气的储运主要依靠，以加压站、加热站、计量站、配气站、阀室、油库等一系列 配套系统组成的综合系统。天然气的储运监控系统一般采用三级监控：指挥调度 中心、站级监控、现场级监控，各级之间采用多种通讯方式，这样可以实现集中 管理、分散控制的目的，保证监控的实时性，同时还可以避免一个站点出问题影 响到其它站点，有效合理的分散系统风险，提高系统整体稳定性。由于各类阀站 分布在管线的沿线各处，则每个阀站与上一级系通讯的稳定及可靠性极为重要， 常用的远程数据通讯方式包括：远程r t u 接入系统和远程r t u 接入系统。 整个系统的基础元件是面向系统应用的各种监控终端。该类监控终端除基本 的测量和计量管理功能外，还需要具有用电管理、系统集成功能的要求，包括计 量、电能采集、遥测遥信、防窃电、无功补偿自动投切以及远方通信等功能。 1 1 5s c a d a 系统的体系结构 s c a d a 系统主要由三部分构成： 监控中心、数据通信网络系统和远方测控终端装置r t u ( r e m o t et e r m i n a l u n i t ) 1 2 1 。 监控中心：有监控主机、数据库服务器、人机接口、相关外设及各种通讯接 口等部分组成。监控中心对个远程监控点进行集中管理与控制，完成数据采集、 监测、控制、调度等多重任务i l 引。根据行业特点和需要，建立面向生产、科研、 管理、经营的生产管理调度系统的同时，建立信息共享平台，做到生产管理指挥 智能化、办公自动化、管理信息化、信息资源网络化、业务处理电子化以及决策 科学信息化，为实现各行业生产经营管理高度协调统一的数字化管理提供技术支 撑。 数据通信网络系统：作为监控中心与远程测控终端之间的通信平台，完成控 制命令、采集数据、报警数据乃至视频数据、音频数据的传输。数据通信方式有 多种，大致可以分为有线通信和无线通信两类【l4 1 。有线通信方式如电话线传输、 电力载波通信、r s 4 8 5 r s 2 3 2 总线、现场总线、以太网通信、i p 数据网络等；无 线通信如：微波、卫星、g p r s 、s m s 、c d m a 、s c d m a 、蓝牙等方式。 远方测控终端装置r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) ：位于测控现场，主要实现 对监控中心指令的正确接收、识别，并根据指令执行相应的功能，如：测控数据 第一章绪论 的采集、预处理、存储、发送，及相关设备的控制。通常一个r t u 可以带多块表 计或多套图像采集设备【1 5 】。 1 1 5 1 硬件结构 通常s c a d a 系统分为两个层面，即客户、服务器体系结构【1 6 】。服务器与硬 件设备通信，进行数据处理和运算。而客户用于人机交互，如文字、动画、视频 显示现场的状态，并可对现场的开关、阀门、设备等进行操作。近年来，随着网 络技术的飞速发展，可以通过w e b 发布在i n t e r n e t 上进行监控，实现“超远程客户”。 硬件设备( 如p l c ) 一般可以通过点到点方式连接，也可以通过总线方式连 接到服务器上。点到点连接一般通过串口( r s 2 3 2 ) ，总线方式可以是r s 4 8 5 或者 是以太网等连接方式。总线方式与点到点方式的区别主要在于：点到点是一对一， 而总线方式是一对多、或多对多。在一个系统中可以只有一个服务器，也可以有 多个，客户也可以一个或多个。服务器之间、服务器与客户之间一般通过以太网 互联，有些场合( 如安全性考虑或距离较远) 也可以通过串口、电话拨号或g p r s 方式相连。 1 1 5 2 软件体系结构 s c a d a 由很多任务组成，每个任务完成特定的功能。位于一个或多个机器 上的服务器负责数据采集、数据处理( 如量程转换、滤波、报警检查、计算、事 件记录、历史存储、执行用户文本等) 。服务器之间可以相互通讯。为了提高系 统的稳定性和效率，可以进一步单独划分成若干专门服务器，如报警服务器、记 录服务器、历史数据服务器、登录服务器、w e b 发布服务器等。各个服务器逻 辑上作为统一整体，但物理上可以放置在不同的机器上【17 】；这样的好处是可以将 多个服务器的各种数据统一管理、分工协作。 1 1 5 3 通信 1 、内部通信 客户与服务器间以及服务器与服务器间一般有三种通信形式，请求式、订阅 式和广播式。 请求式：客户周期性向服务器发出请求，然后服务器为客户准备数据，传送 给客户。 订阅式：客户向服务器注册所关心的数据，服务器记录每个用户关心的数据， 当数据发生变化时通知相应的用户。 广播式：当数据发生变化时，服务器喜爱那个所有的客户发出通知。 第一章绪论 2 、与i o 设备通信 系统与i 0 设备的通信模式一般采用请求式，目前大多数的设备都支持这种通 讯方式；当然，有些设备也可以支持主动发送方式，即i o 设备在数据改变时主 动向外界报告数据。 3 、与外界通信 为了提高效率，服务器上的实时数据和历史数据一般都以各自的格式存放， 实时数据驻留在内存中，而历史数据或事件记录可以保存在磁盘中，也可以直接 存放到关系数据库( 如m ss q ls e v e r 、o r a c l e ) 中。 4 、s c a d a 系统可以通过多种方式将服务器中各自格式的数据与外界联系。 常用的有以下几种方式： ( 1 ) o p c ：提供o p c 客户端，用来与设备厂家提供的服务器进行通讯；也可 以提供o p c j 良务器，以便其它系统通过o p c 访问本系统，实现不同s c a d a 问的 互联。 ( 2 ) o d b c ：第三方程序通过o d b c 访问历史数据、事件记录等。 ( 3 ) a p i 接口：可以在编程环境( 如v b 、v c ) 中使用该接口。 ( 4 ) o l e 接口：可以在各种编程环境下使用，也可以嵌入到支持o l e 包容器 的程序中( 如m sw o r d ) 使用。 1 1 5 4 系统整体构架 由服务器、客户端构成了s c a d ac s ( c l i e n t s e r v e r ) 结构，由服务器、w e b 服务器、w e b 客户构成了s c a d a b s ( b r o w s e s e r v e r ) 结构。服务器可以配置在 不同的机器上，甚至不同的操作系统平台上。一个系统中，可以有多个服务器， 每个服务器可带有多个i o 设备。客户端可以访问一台或多台服务器。w e b 服务 器可以作为多个服务器的代理，将w e b 客户与各台服务器连接起来，彼此分工 协作，形成统一整体，构成了s c a d a 系统的分布式体系结构。 为了增加系统的可靠性，可以将服务器端设计为双机热备或者是一机多备。 服务器双机热备一般是将两台机器配置相同，一台为主站，另一台机器作为副站， 主站完成服务器的正常工作，副站与其同步。当主站故障时，副站接替主站的工 作，主站、副站可以相互切换。双机热备同时也包含i o 通道的热备。 除了传统的工业自动化生产控制领域，s c a d a 系统在人民生产生活中的众 多信息控制管理场合都得到广泛应用，尤其是在监控点数量众多、位置分散的场 合，s c a d a 系统与其它系统相比，能够更加有效地发挥其优势【l 引。在电力系统 中s c a d a 系统作为能量管理系统( e m s ) 的一个最主要的子系统，有着信息完 整、提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障 第一章绪论 状态等优势，现在已经成为电力调度不可缺少的工具【1 9 】。它对提高电网运行的可 靠性、安全性与经济效益，减轻调度员的负担，实现电力调度自动化与现代化， 提高调度的效率和水平等方面有着不可替代的作用f 2 0 1 。 目前，s c a d a 系统己广泛应用于工业生产过程控制、大型工业企业的管理 信息系统( m i s ) 、水电煤气等能源自动抄表系统、管网综合调度系统、大气水 质等环保监测、天然气石油行业自动化系统、交通车辆导航调度系统、金融p o s 系统以及智能小区楼宇监控系统、智能家居系统、远程医疗监护系统等众多领 域。s c a d a 系统在现代工业生产管理控制、现代城市基础设施建设和个人生活 智能化领域中发挥着不可或缺的重要作用【2 1 1 。而远程测控终端r t u 是s c a d a 系 统中的重要组成部分，它作为在现场设备的数据采集、设备控制、指令接收执行 终端，r t u 功能的强弱、性能的优劣、数据传输的稳定性、实时性直接影响着整 个s c a d a 系统的集中监控能力和管理决策水平。因此，对s c a d a 系统中r t u 的 研究具有重要的意义和广阔的应用前景。 1 2 远程测控终端研究现状及发展趋势 r t u 可以理解成就是一种数据采集装置，负责对现场信号，工业设备的监测 和控制，采集完的信息用通讯方式传送到中央处理装置，根据数据的处理来完成 最后对装置控制【2 2 | 。r 1 u 通常要具有优良的通讯能力和更大的存储容量，适用于 更恶劣的温度和湿度环境，提供更多的计算功能。安装在远程现场的电子设备， 用来监视和测量安装在远程现场的传感器和设备。r t u 将测得的状态或信号转换 成可在通信媒体上发送的数据格式。它还将从中央计算机发送来得数据转换成命 令，实现对设备的功能控制。同时r t u 是构成s c a d a 系统重要核心。s c a d a 系 统可以设计满足各种应用( 水、电、气、报警、通信、保安等等) ，并满足顾客 要求的设计指标和操作概念。s c a d a 系统可以简单到只需通过一对导线连在远 端的一个开关，也可复杂到一个计算机网络，它由许多无线远程终端设备( r t u ) 组成并与安装在中控室的功能强大的微机通倒2 3 】。 r t u 产品主要应用电力行业的电网调度s c a d a 系统、变电站自动化控制，油 田的自动化、输油输气管网监控系统，城市供水、供气管网监控系统。以电力行 业的使用量最大。与p l c 相比，r t u 具有更优良得通讯和控制能力，适用于恶劣 的工作环境及实现复杂的特殊运算。 近年来，随着自动化、计算机、网络、通信等技术的不断发展，以及e r p 战 略的广泛实施，各种应用和服务对信息的实时性、可靠性、可扩展性等提出了越 来越高的要求【2 4 1 。主要表现在： 第一章绪论 1 、通讯规约不统一。存在众多的通讯规约，女i d n p3 0 、m o d b u s 、s c i 、c d c 、 c d t 等，各大生产厂家都遵循自己的一套通信规约【2 5 】。，不同设备之间的互联和 升级比较困难； 2 、通讯速率较低。传统的r t u 通信方式多为r s 2 3 2 4 2 2 4 8 5 总线方式，最基 本的“四遥”量只能以秒级传送，通信速率成为系统性能的瓶颈，已远远不能满 足生产过程中的实时监控要求1 2 6 1 ； 3 、产品性能领域比较单一，性价比较低。目前市场上存在的r t u 产品，国 外公司的产品价格比较高，大概每套在3 万元人民币以上，而且大都与本公司的 s c a d a 系统配套使用，兼容性较差【2 列。；国内公司的产品价格虽然比较低，但是 功能设计一般都针对于某个行业，功能设计不完善，缺乏通用型，而且运算、存 储、自诊断能力较差。 上个世纪9 0 年代后期，i n t e m e t i n t r a n e t 技术曰益成熟，设备网络化及普适计 算模式的概念不断形成，新投入的自动化系统及管理网络开始广泛地采用t c p i p 网络技术，新的自动化控制与通讯国际标准也不断出台【2 s 】。这就要求新型的r t u 充分利用现有的通信资源，提高数据的吞吐量，保证系统的实时性，同时又具有 更好的开放性和兼容性。同时，伴随着电子技术的发展，r t u 的c p u 和存储器的 处理速度和容量得到了很大提高，r t u 逐渐向智能化发展，具有很强的数据处理 能力【29 | 。，具有功能完善，稳定可靠，使用方便、灵活的特点，具体表现在： 1 、智能化r t u ，功能大大扩展，可完成包括数据采集、运算处理、逻辑运 算、p i d 调节控制、编程组态、系统自诊断等功能： 2 、硬件和软件均为模块化设计，系统易于集成、扩展，适用于不同规模系 统的监控，且维修十分方便【3 0 】； 3 、采用多种通信接口，并可支持不同工业通信协议的转换； 4 、r 1 的功能可以通过编程组态而改变； 5 、关键部件采用冗余技术，提高了系统的可靠性【3 l 】； 6 、采用自诊断技术，实时监视内部数据处理模块的工作【2 5 1 。 目前r t u 的主要的生产厂家： 国外厂家包括：g eh a r r i s 的d l o d 2 0 d 2 5 d 2 0 0 系列产品：费希尔罗斯蒙特 ( f r s o e m o u n t ) 的r o c 产品系列包括r o c 3 0 0 系列通用r t u ( 1 9 9 1 年推出) 有 r o c 3 0 6 ，r o c 3 1 2 ，r o c 3 ；另外s i e m e n s 、a b b 、m o t o r o l a 等公司也开发 自己的r 1 u 产品，但他们的产品主要为自己公司的s c a d a 系统提供服务。 国内厂家包括：电力行业的东方电子、南瑞集团、山东积成等等；石油行业 的北京安控、江苏华盛等公司。 第一章绪论 1 3 课题的来源及意义 中国东北的大庆油田以及大兴安岭一带已经发现了大量石油和天然气储 藏，为东北地区的石油工业开辟了新的发展前景。但是由于东北地区处于高 纬度地区，环境寒冷，气候异常，因此开发油田天然气田十分困难，同时对 于已建立好的大型井田的通讯设施也不是常年保持良好的工作，数据常常因 为气候等因素丢失或发生错误。因此要研发一种能适应各种恶劣气候并不失 真的远程控制装置是必要的。 同时油田天然气田大多位于沼泽、沙漠和盆地、浅海等区域，因远离城 市地广人稀，交通通信等设施较为落后。油井天然气井分散于方圆几十公里 的区域，由多个单井、计转站和联合站组成生产作业部门。用无线通讯方式 实现单井与计转站和联合站之间的数据话音通讯，具有安装开通快捷、维护 迁移方便、造价低等优点。 目前工控市场上已有的r t u ，售价多在万元以上，且良莠不齐。开发专用于 东北严酷环境下的低成本高可靠小型r t u 装置，以高性能、低成本、小型化为产 品特点，可望占领天然气站测量系统市场。应用成功后，经适当的软硬件改造与 升级，可扩大到其他应用领域，如石油系统、建筑行业等，预期经济效益显著。 1 4 研究目标 本课题的研究目标是掌握r t u 的机理，了解r t u 的原理，掌握r t u 的基本功 能以及硬件组成并且将其应用于北方天然气田监测系统中。通过r t u 的实验室及 其实地调试，有效的排除干扰，提高r t u 对恶劣环境的适应性，提高r t u 的数据 采集能力，达到对油田及天然气生产的在线实时监测的目的。 拟开发的r t u 具有如下主要功能特点： l 、采集并发送多路模拟量信息： 2 、采集并发送多路开关量与状态量信息； 3 、接收并执行遥控命令； 4 、看门狗电路与自程序恢复功能； 5 、自诊断功能； 6 、自带不停电电源： 7 、数据存储功能，用f l a s h ，可长期掉电存储： 8 、与多种规约的测量仪表接口功能，支持标准的m o d b u sr t u 协议； 9 、可应用于3 0 + 4 0 环境； 第一章绪论 1 0 、可应用于潮湿环境； ll 、提供多个r s 2 3 2 或r s 4 8 5 的通讯接口； 1 2 、通过刷新软件升级功能。通过软件配置与升级，使装置可用应用于不同 场合。 1 3 、体积小巧，便于安装： 1 4 、生产成本低，加工方便； 1 5 、采用工业级电子元器件，并严格老化与筛选工艺，达到严酷工作条件下 的高可靠性； 1 6 、采用隔离电源与光电芯片，采用多种保护技术和屏蔽技术，保证装置的 高抗干扰性和安全性。 1 5 研究内容、研究方法和手段及可行性分析： 本课题的研究内容包括：r t u 的硬件组成以及进一步对实地现况的开发，包 括r t u 的通信协议开发以及实地考察，制定新型的r t u 的控制策略，并设计适应 当地的r t u ，在油田进行在线调试，完成r t u 的设计工作。 具体的研究手段与方法如下： 1 、通过阅读相关文献资料，初步了r t u 的原理及其检测依据，根据研究设计 需要掌握相关器件及其相关内容。 2 、结合r t u 的在线监测原理完成对天然气油田系统远程控制系统的开发及 其相关协议和硬件的构成。 3 、在实验室中进行在线调试，排除干扰，提高对恶劣环境的适应性，完善 r t u 监测系统，最后应用于实际。 第二章课题研究的理论基础 2 1 单片机概述 第二章课题研究的理论基础 单片机也称单片微型电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器( c p u ) 、 随机存取存储器( r a m ) 、只读存储器( r o m ) 、输入输出端口( i o ) 等主要计 算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机3 2 1 。 2 1 1 单片机的历史 单片机诞生于2 0 世纪7 0 年代末，经历了s c m 、m c u 、s o c 三大阶段。 s c m 即单片微型计算机( s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求最佳 的单片形态，最终嵌入式系统成为最佳体系结构。体系结构成功确定，奠定了s c m 与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入式系统的独立发展道路上，i n t e l 公司起着重要的作用。 m c u 即微控制器( m i c r oc o m r o l l e ru n i t ) 阶段，主要的技术发展方向是：不 断扩展满足嵌入式应用，增添对象系统所要求的各种外围电路与接口电路，突显 其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展m c u 的重任落在那些生产电气、电子技术器件的厂家。从这一角度来看，i n t e l 逐渐淡 出m c u 的发展，这也是有其客观因素的。在发展m c u 方面，最著名的厂家当数 p h i l i p s 公司。 p h i l i p s 公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将m c s 5 l 从单片微型计算机 迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记i n t e l 和p h i l i p s 的历史功绩。 单片机在嵌入式系统的独立发展的道路中，向m c u 阶段发展的重要因素就是 寻求应用系统在芯片上的最大化解决。因此，对专用单片机的开发发展自然形成 了s o c 化趋势。随着微电子技术、i c 设计、e d a 工具的发展，对于基于s o c 的单 片机应用系统设计也随之会有较大的发展。因此，我们对单片机的理解可以从单 片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统【3 引。 2 1 2 单片机的发展 单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机 第二章课题研究的理论基础 诞生至今，已发展为上百种系列的近干个机种。 2 1 2 1 单片机发展简史 将8 位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史3 3 1 。大致可分为以下几个 阶段： 第一阶段( 1 9 7 6 1 9 7 8 ) ，单片机的探索阶段。以i n t e l 公司的m c s - 4 8 为代表。 m c s - 4 8 的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有m o t o r o l a 、z i l o g 等，都取得了满意的效果。这就是s c m 的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。 第二阶段( 1 9 7 8 1 9 8 2 ) ，单片机的完善阶段。i n t e l 公司在m c s - 4 8 基础上推出 了完善的、典型的单片机系列m c s 5 l 。它在以下几个方面奠定了典型的通用总 线型单片机体系结构。 完善的外部总线。m c s 5 l 设置了经典的8 位单片机的总线结构，包括8 位数 据总线、1 6 位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口；c p u # b 围功能单元的集中管理模式；体现工控特性的位地址空间及位操作方式；指令系 统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。 。第三阶段( 1 9 8 2 1 9 9 0 ) ，8 位单片机的巩固发展及1 6 位单片机的推出阶段，也 是单片机向微控制器发展的阶段。i n t e l 公司推出的m c s 9 6 系列单片机，将一些 用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了 单片机的微控制器特征。随着m c s 5 l 系列的j 。应用，许多电气厂商竞相使用 8 0 c 5 l 为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接l 技术、多通道a d 转换 部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路的功能，强化了智能控制 的特征。 第四阶段( 1 9 9 0 至今) ，微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域 全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8 位1 6 位3 2 位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。 2 1 2 2 单片机的现状 单片机经过了近3 0 年的发展，无论从技术还是从种类，或者从半导体制造工 艺以及从器件的封装技术，都有了很大的发展和更广阔的应用前景。r i s c 指令 集的单片机也开始占据市场，3 2 位单片机逐渐出现，但是需要注意的有三点：第 一，8 位单片机仍占据着计算机测控领域的主导地位：第二，5 l 系列依然具有强 大的生命力，其经典的体系结构和衍生产品仍受到市场的响应和好评；第三，s o c 技术的单片机在今后的应用系统中将会凸现其无以伦比的优势【3 3 1 。 第二章课题研究的理论基础 2 1 2 3 单片机的发展趋势 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展趋势将是进一步向着c m o s 化、 低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。 下面是单片机的主要发展趋势【3 朋。 c m o s 化，近年，由于c h m o s 技术的进步，大大地促进了单片机的c m o s 化。c m o s 芯片除了低功耗特性之外，还具有功耗的可控性，使单片机可以工作 在功耗精细管理状态。这也是今后以8 0 c 5 l 取代8 0 5 l 为标准m c u 芯片的原因。因 为单片机芯片多数是采用c m o s ( 金属栅氧化物) 半导体工艺生产。c m o s 电路 的特点是低功耗、高密度、低速度、低价格。采用双极型半导体工艺的t t l 电路 速度快，但功耗和芯片面积较大。随着技术和工艺水平的提高，又出现了h m o s ( 高密度、高速度m o s ) 和c h m o s 工艺。c h m o s 和h m o s 工艺的结合。目前生 产的c h m o s 电路已达至t j l s t t l 的速度，传输延迟时间小于2 n s ，它的综合优势已 在于t t l 电路。因而，在单片机领域c m o s 正在逐渐取代t t l 电路。 低功耗化，单片机的功耗已达m a 级，甚至在l u a 以下；使用电压在3 6 v 之 间，完全适应电池工作。低功耗化的效应不仅是功耗低，而且带来了产品的高可 靠性、高抗干扰能力以及产品的便携化。 低电压化，几乎所有的单片机都有w a i t 、s t o p 等省电运行方式。允许使用 的电压范围越来越宽，一般在3 6 v 范围内工作。低电压供电的单片机电源下限 已可达l 2 v 。目前0 8 v 供电的单片机已经问世。 低噪声与高可靠性，为提高单片机的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的 工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机厂家在单片机内部电 路中都采用了新的技术措施。 大容量化，以往单片机内的r o m 为l k b - 4 k b ，r a m 为6 4 1 2 8 b 。但在需要复 杂控制的场合，该存储容量是不够的，必须进行外接扩充。为了适应这种领域的 要求，须运用新的工艺，使片内存储器大容量化。目前，单片机内r o m 最大可 达6 4 k b ，r a m 最大为2 k b 。 高性能化，主要是指进一步改进c p u 的性能，加快指令运算的速度和提高系 统控制的可靠性。采用精简指令集( r i s c ) 结构和流水线技术，可以大幅度提 高运行速度。现指令速度最高者已达1 0 0m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o np e rs e c o n d s ， 即兆指令每秒) ，并加强了位处理功能、中断和定时控制功能。这类单片机的运 算速度比标准的单片机高出l o 倍以上。由于这类单片机有极高的指令速度，就可 以用软件模拟其i o 功能，由此引入了虚拟外设的新概念。 小容量、低价格化，与上述相反，以4 位、8 位机为中心的小容量、低价格化 也是发展动向之一。这类单片机的用途是把以往用数字逻辑集成电路组成的控制 第二章课题研究的理论基础 电路单片化，可广泛用于家电产品。 外围电路内装化，这也是单片机发展的主要方向。随着集成度的不断提高， 有可能把众多的各种外围功能器件集成在片内。除了一般必须具有的c p u 、 r o m 、r a m 、定时器计数器等以外，片内集成的部件还有模数转换器、d m a 控制器、声音发生器、监视定时器、液晶显示驱动器、彩色电视机和录像机用的 锁相电路等。 串行扩展技术，在很长一段时间里，通用型单片机通过三个总线结构扩展外 围器件成为单片机应用的主流结构。随着低价位o t p ( o n et i m ep r o g r a m m a b l e ) 及各种类型片内程序存储器的发展，加之外围接口不断进入片内，推动了单片机 “单片”应用结构的发展。特别是：i c 、s p i 等串行总线的引入，可以使单片机的 引脚设计得更少，单片机系统结构更加简化及规范化【3 5 】。 随着半导体集成工艺的不断发展，单片机的集成度将更高、体积将更小、功 能将列强。在单片机家族中，8 0 c 5 l 系列是其中的佼佼者，加之i n t e l 公司将其 m c s 5 l 系列中的8 0 c 5 l 内核使用权以专利互换或出售形式转让给全世界许多著 名i c 制造厂商，女 1 p h i l i p s 、n e c 、a t m e l 、a m d 、华邦等，这些公司都在保持与 8 0 c 5 1 单片机兼容的基础上改善了8 0 c 5 l 的许多特性【3 6 】。这样，8 0 c 5 l 就变成有众 多制造厂商支持的、发展出上百品种的大家族，现统称为8 0 c 5 l 系列。8 0 c 5 l 单 片机已成为单片机发展的主流。专家认为，虽然世界上的m c u 品种繁多，功能 各异，开发装置也互不兼容，但是客观发展表明，8 0 c 5 l 可能最终形成事实上的 标准m c u 芯片2 | 。 2 1 3 单片机的特点和分类 2 1 3 1 单片机的特