小型专用RTU设计

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 2.86MB 77 页 15积分

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摘要

在环境保护和环境治理的大环境下，我国各水域对水质达标都有严格的规定，

特别在污水处理方面能够实时监测污水的排放情况是非常有意义的。SCADA 系统

在水文水利监控中的应用就是为了解决水情信息自动采集和处理的。RTU 作为

SCADA 系统的重要组成部分，主要负责采集现场的数据并上传到监控中心，起到

了至关重要的作用。

本课题就是来源于上海白龙港污水处理厂厂外闸门井信号采集改造项目，项

目要求能够设计一款远程监控系统，完成对现场信号的数据采集并通过工业以太

网将数据发送到上位机进行显示，实现监控功能。在开始设计工作之前，详细研

究了 SCADA 系统中的组成部分 RTU 的特点及其优缺点，对比目前做得较好的几

家公司的 RTU 产品功能和性能，最后结合上海工业自动化仪表研究院以往在类似

项目的经验，提出了一种基于 ARM Cortex-M3 的RTU 设计方案。本文围绕着 RTU

的硬件和软件实现方法进行设计和论证。

论文中首先从项目的功能需求入手，分析 RTU 所要达到的功能，提出硬件上

的设计原则，最后设计出 RTU 的硬件结构。在硬件上以 LPC1768 为核心处理器，

并以模块化方式设计出电源电路、模拟量测量电路、数字量测量电路、以太网通

讯电路、继电器输出电路以及液晶显示电路，各模块的输入输出接口采用了多种

隔离技术、防护措施。软件上采用 μCOS-II 操作系统作为软件任务的运行平台，

完成对工业现场的电流量、数字量和脉冲量的采集与处理，最后采用 Modbus TCP

通信协议通过工业以太网将现场采集到的数据传输给上位机，实现远程监控功能。

最后为了验证所设计的 RTU 功能，本中最后对所设计的 RTU 进行了测试，特

别是 Modbus TCP 的通信能力给出测试方法和结果，表明了 RTU 的设计达到预期

的功能的目标。

关键词：RTU，远程监控，数据采集，Modbus TCP 通信

ABSTRACT

In the environment of environmental protection and environmental governance, the

water quality standards in our country have strict rules,especially to the real-time

monitoring of sewage is very meaningful in wastewater treatment. The application of

SCADA system in hydrologic and water resources monitoring is to solve the hydrologic

information automatic acquisition and processing. RTU as the important part of SCADA

system, mainly responsible for collecting field data and send the data to the monitoring

center and played essential function in this process.

The design originates from the reconstruction of Shanghai Bailonggang sewage

treatment plant in order to acquire the well gate signal more accurately. The project

requirements to design a remote monitoring system, to gleanthe field data and send it to

the host computer through industrial Ethernet to realize remote monitoring. Before

starting work, I seriously study the characteristics of RTU a part of the SCADA system

and its advantages and disadvantages, and made a contrastiveof some RTU

products.Finally,combined with the experience of Shanghai Industrial Automation

Instrument Research Institute in the past similar project.We put forward a design

scheme of RTU dedicated to this project. This paper will demonstrate the RTU system

hardware and software.

Firstly, this paper starts from the functional requirements of the project, and

analysis the function of RTU system, presents the principle of hardware design.

Finally,we put forward a hardware structure of RTU system.The RTU uses LPC1768 as

the core processor, and design the power circuit, analog measurement circuit, digital

measurement circuit Ethernet communication circuit, relay output circuit and liquid

crystal display circuit in modular mode.We put a series of anti-interference measures in

order to ensure the system stability and high performance. In the software, we use

μCOS-II operating system as the platform for software tasks, and Modbus TCP is

employed as communication protocolto realize the remote control function.

At last, in order to verify the function of RTU system, we present some test

methods for our RTU system, especially the Modbus TCP communication ability, and

the results showed that the RTU system achieved the expected function.

Key Word：RTU system, Remote monitoring,Data acquisition, Modbus TCP

communication

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

1.1 课题研究的来源与意义 ........................................ 1

1.2 RTU 在国内外研究现状 ........................................ 1

1.3 课题研究内容与目标 .......................................... 3

1.4 本文内容安排 ................................................ 4

第二章基本概念及理论 .............................................. 5

2.1 SCADA 系统简介 .............................................. 5

2.2 数据采集系统简介 ............................................ 6

2.3 嵌入式操作系统简介 .......................................... 7

2.4 Modbus TCP 协议简介 ......................................... 8

2.4.1 Modbus TCP 协议概述 .................................... 8

2.4.2 Modbus TCP 协议通信描述 ................................ 9

2.4.3 Modbus TCP 数据帧 ..................................... 10

2.4.4 Modbus TCP 连接管理 .................................. 11

2.5 本章小节 ................................................... 12

第三章 RTU 的总体设计 ............................................. 13

3.1 功能需求分析 ............................................... 13

3.1.1 数据的采集及处理 ..................................... 13

3.1.2 数据通信 ............................................. 14

3.1.3 液晶显示 ............................................. 14

3.1.4 继电器控制 ........................................... 14

3.1.5 电源要求 ............................................. 14

3.2 设计原则 ................................................... 14

3.3 总体结构设计 ............................................... 15

3.4 小结 ....................................................... 17

第四章 RTU 的硬件设计 ............................................. 18

4.1 概述 ....................................................... 18

4.2 CPU 处理模块 ............................................... 18

4.3 电源模块 ................................................... 19

4.4 模拟信号测量模块 ........................................... 21

4.4.1 信号转换及调理电路 ................................... 21

4.4.2 A/D 转换电路 .......................................... 24

4.4.3 模拟采集电路的误差分析 ............................... 25

4.5 数字信号测量模块 ........................................... 27

4.6 继电器输出模块 ............................................. 28

4.7 以太网通信模块 ............................................. 29

4.8 液晶显示模块 ............................................... 29

4.9 小结 ....................................................... 30

第五章 RTU 的软件设计 ............................................. 31

5.1 软件功能概述 ............................................... 31

5.1.1 软件状态机分析 ....................................... 32

5.1.2 软件的任务划分 ....................................... 35

5.1.3 任务优先级设置 ....................................... 37

5.1.4 任务之间的通信 ....................................... 38

5.2 μC/OS-II 系统移植 ......................................... 40

5.2.1 μC/OS-II 的移植步骤 .................................. 40

5.2.2 OS_CPU.H 文件的修改 ................................... 41

5.2.3 OS_CPU_C.C 文件的修改 ................................. 42

5.2.4 OS_CPU_A.ASM 文件的修改 ............................... 42

5.3 Modbus TCP 通信设计 ........................................ 43

5.3.1 TCP/IP 以太网通信设计 ................................. 43

5.3.2 Modbus TCP 协议设计 ................................... 49

5.3.3 Modbus 应用层设计 ..................................... 51

5.4 其他任务软件设计 ........................................... 54

5.4.1 模拟量测量软件设计 ................................... 55

5.4.2 A/D 线性校准软件设计 .................................. 57

5.4.3 Flash 数据存储软件设计 ................................ 59

5.5 小结 ....................................................... 60

第六章 RTU 通信测试 ............................................... 61

6.1 测试方案 ................................................... 61

6.2 测试过程 ................................................... 61

6.3 测试结果分析 ............................................... 63

6.4 小结 ....................................................... 68

第七章总结与展望 ................................................. 69

参考文献 ........................................................... 70

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 73

致谢 ............................................................... 74

第一章绪论

1.1 课题研究的来源与意义

于由我国各水域对水质达标都有严格的规定，作为上海市污水治理二期工程

的一个重要组成部分上海白龙港污水处理厂更是发挥着极其重要的作用。上海白

龙港污水处理厂充分利用现有的污水处理构筑物，一部分污水进入高效沉淀池处

理，另一部分进入新建多模式生物反应池处理，两部分尾水达标后通过出口泵房、

高位井深水排放到长江[1]。在此过程中实时监测污水排放的水流总量及瞬时流量，

并通过闸门的开和关来控制污水的排放是极具意义和重要的。

此次课题是上海工业自动化仪表研究院承接上海白龙港污水处理厂厂外闸门

井信号采集改造项目的一部分。根据要求，每个闸门井房所需采集的信号为两台

电动闸门的状态信号，以及两台流量计的流量信号，需要测量流量计的累积脉冲

信号和瞬时模拟信号。使用 RTU 来对现场的各项数据进行采集，各站点 RTU 模块

与中控室之间通过 3G 设备连接至运营商 3G 总头，各节点连接采用 3G 无线交换

机。3G 网络将选用 VPN 专线通道，使用 VPN 专线通道在数据信息传输过程中将

更安全，更稳定。现场控制层仍然采用工业以太网通讯。现场数据采集后将统一

传输至中控室操作电脑，并通过 OPC 通讯将现场数据转发至相关数据库，为监测

系统显示界面及报表系统提供数据源，实现对闸门污水流量状态等信息的实时监

控，为开关闸门和对污水处理分析所需数据提供依据。

1.2 RTU 在国内外研究现状

SCADA 系统即监测监控及数据采集系统，它是计算机通信与自动化技术相结

合的应用系统。从整体上来讲，它主要包括监控中心，RTU(远程监控单元)和数据

通信三大部分，RTU 用于实时采集现场的数据，然后通过数据通信将数据发送到

监控中心，实现对工业现场的本地或是远程监视和控制，为生产、管理以及调度

提供可靠的数据。

RTU 是一种用于远程测控单元装置，根据不同的系统复杂度、对模拟量测量

的精度、数据通信方法、对实时性的要求以及对报警报告等其他功能的要求，RTU

可利用各种不同的硬件的软件方法来实现，从普通低成本的单片机到高端的嵌入

式处理器。通常情况下，RTU 都要求具有优良的通讯能力和较大的存储容量，能

够提供更多更快的计算功能和控制能力，并且能够适用于各种极端恶劣的温度和

湿度环境[2]~[3]。

目前，在各领域中使用的 RTU 类型非常繁多复杂，按内部结构来分主要有两

大类，分别是集中式微机控制型的 RTU 以及分布式的多 CPU 型RTU[4]。这两类

RTU 各有优缺点。

上海理工大学硕士学位论文

集中控制式的 RTU的主要优势是价格便宜，其所有功能都是由一颗 CPU完成，

但其结构单一且扩展性差，标准化程度不高，一般用在现场环境较理想，实时要

求不高的场合。

分布式 RTU 采用模块化设计方法，不同功能的 RTU 设备负责特定的功能，最

后通过总线方式与其他设备进行数据的交换，因此根据不同的功能要求可以对整

个系统进行扩展，又由于整个系统中使用了多个 CPU 来共同完成所需的工作，因

此实时性非常好，数据处理能力强大，但是整体系统的价格较为昂贵。

以下选取国内外几家典型的 RTU 产品作简要介绍，这些 RTU 在功能上都能够

满足我们的项目要求。

1. 埃波罗公司 IMP：IMP是英国施伦伯杰公司的产品，该产品具有通用性好，

使用灵活的优点，但品种较少，只有直流模拟量输入、电阻量输入、直流模拟量

输出及开关量输入/输出等少数几个种类[5]。其通用性表现在同一个产品可接收多

种类型的输入信号，给使用者带来极大的自由度，在用户使用中非常受欢迎。

2. 悉雅特公司 MOX Unity：澳大利亚悉雅特公司 MOX Unity 现场控制器是

专为 SCADA 行业应用而设计的，具备强大的数据处理和控制功能。典型的 MOX

现场控制站点包括直流电源、MOX Unity 现场控制器和可选扩展 I/O 模块，提供

灵活的可选 I/O 配置满足各种现场的应用。

3. 北京安控的 SuperE：SuperE 系统 RTU 的每一块 RTU 内部都具有可配置的

模拟量输入/输出、开关量输入/输出、脉冲量输入等 5种类型的信号通道，这些产

品中最大可配置 35 个通道数[6]。用户在选型时只需要根据具体使用情况确定要采

集的信号类型以及通道数，然后根据所需的通道数和信号类型进行配置。

其他产品还有西斯耐特(SIXNET)、ELPRO、ROSEMOUNTRTU 等。这些产品

的功能都非常强大，可扩展性强。但应用到我们的这个具体项目中时有些问题，

主要有以下两点：

1. 对于 IMP 以及 893-IDCB 这些产品在使用过程中，特别要注意同一个 RTU

只能接收同一类型的信号，因此在现场配线时，必定有部分信号的连接电缆加长，

更主要的是需要更多数量和不同输入类型的 RTU。

2. 像MOX Unity 和SuperE 这样混合型信号输入输出的 RTU，因为采用了模

块化结构设计思想，其输入输出点数还可以根据具体需求可以适当变动，但在有

多个输入类型的应用场合，RTU 通过组合方式达到所需功能后，体积庞大，成本

高，特别在小型应用系统中会造成极大的资源浪费。

从以上具体的产品也可看出集中控制式的 RTU 缺点较为明显，单个 RTU 不能

够满足我们项目中多种信号的输入的测量，而使用分布式的 RTU 又是大材小用，

第一章绪论

总体价格非常高。因此在充分考虑我们的课题项目的特点后，结合上海工业自动

化仪表研究院以往在其他污水处理厂自动化控制系统工程中总结的实际经验以及

两类 RTU 各自的优缺点，提出了一种基于 ARM Cortex-M3 的低成本、多功能、高

性能、专门应用于此次项目中厂外闸门进信号采集改造的 RTU 设计方案，该 RTU

在整体上还是采用集中控制式结构设计，但在输入信号上又是混合型信号输入输

出的 RTU，因此具有成本低，体积小，可接多种类型输入信号的特点。

1.3 课题研究内容与目标

课题研究的 RTU 包括硬件和软件设计，具体内容包括以下几点：

1) 分析和设计系统各功能模块的硬件电路，并对所有元件参数进行计算，达

到硬件的最优设计

2) 实现实时操作系统 μC/OS-II 的移植，为功能设计的实现搭建软件运行平台

3) 编写软件代码，对各模块功能进行单独调试，使其达到功能要求

4) 进行系统的整体调试，使系统能可靠、稳定地运行并覆盖所有功能需求

功能上最终要求达到的目标为：

1) 能够测量 8路标准工业仪器仪表的（4~20）mA 信号电流，主要用于接收

现场流量计的瞬时流量模拟信号。要求每秒能完成 8路模拟信号的采集，电流的

测量精度要求为千分之一。

2) 能够测量 2路脉冲输入量，用于采集现场流量计的累计脉冲信号，其中一

个脉冲信号表示 10m3，最高计数脉冲频率为 10kHz，脉冲的占空比为 1:1。另外脉

冲输入到 RTU 需分有源和无源两种方式，有源方式时脉冲的高电平电压典型值为

24V，低电平电压最大为 1.5V，最大电流为 20mA，无源方式时需要 RTU 给外部

供电，供电电压最大不能超过 32V。脉冲计数由 CPU 内部计数器功能实现，CPU

每秒读取一次累加器的值并进行显示和传输。

3) 能够测量 6路数字开关量，用于检测现场电动闸门的开关状态，数字开关

量同样也分有源和无源两种方式，高电平时电压典型值为 24V，低电平最大不超

过1.5V，由 RTU 供电时最大电压不超过 32V，要求每秒完成一次采集。

4) 至少有 1路继电器输出控制，最终用于控制现场无线设备供电，该无线设

备的供电电压为 AC100V~240V （50~60）Hz，最大工作电流为 0.6A。在工作过

程中一旦发现 RTU 与无线设备无法进行通信时就开始启动该功能，使得无线设备

在出现异常死机的情况下，通过这路继电器进行断电上电，达到重启无线设备的

作用。

5) 具有液晶显示功能，实现监控数据的本地显示。

6) 能通过 Modbus TCP 协议将现场采集到的数据统一传输至中控室操作电脑，

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摘要：

摘要在环境保护和环境治理的大环境下，我国各水域对水质达标都有严格的规定，特别在污水处理方面能够实时监测污水的排放情况是非常有意义的。SCADA系统在水文水利监控中的应用就是为了解决水情信息自动采集和处理的。RTU作为SCADA系统的重要组成部分，主要负责采集现场的数据并上传到监控中心，起到了至关重要的作用。本课题就是来源于上海白龙港污水处理厂厂外闸门井信号采集改造项目，项目要求能够设计一款远程监控系统，完成对现场信号的数据采集并通过工业以太网将数据发送到上位机进行显示，实现监控功能。在开始设计工作之前，详细研究了SCADA系统中的组成部分RTU的特点及其优缺点，对比目前做得较好的几家公司的RT...

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