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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）05-062-05中圖分類號：TP23

★伍儒彬，劉星，朱潤平，韓宏志（昆侖數(shù)智科技有限責任公司，北京102206）

關(guān)鍵詞：SCM620；控制器；檢測

近年來，油田生產(chǎn)企業(yè)在信息化改造過程中，提出“數(shù)字化”“智能化”的特性需求，因此，它們對于井口控制器的功能需求有進一步的提升和拓展。同時，隨著國際形勢的變化，在芯片平臺使用方面也提倡盡量使用國產(chǎn)平臺，以避免未來發(fā)展的曲折和糾紛。

1996年，國內(nèi)的油田[1]自動化系統(tǒng)開始興建，此時的數(shù)據(jù)采集主要依靠有線通信和無線電臺相結(jié)合的方式實現(xiàn)，油田井口控制器的概念初步形成。2010年，油田在信息化改造和升級過程中，積累并形成井口控制器的一些特性需求和規(guī)范。此后，油田井口控制器隨著芯片和軟件技術(shù)的進步，已經(jīng)由過去單純的數(shù)據(jù)收集向可執(zhí)行控制中心命令提升，通信方式也由過去的電臺或工業(yè)現(xiàn)場總線向4G/5G以及以太網(wǎng)通信方式發(fā)展，為油田數(shù)字化和智慧化發(fā)展提供了必要的硬件基礎(chǔ)。為提高數(shù)據(jù)通信效率，文獻[2]提出的基于POWERLINK技術(shù)的分類通信方式、文獻[3]提出的解決方案更多應(yīng)用于井場或站場數(shù)據(jù)的采集。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面擴大，主控類芯片成本下降，現(xiàn)場需求逐步增加，油田井口控制器的功能也在不斷增加和延伸，因此有必要對新形勢[4]下的井口控制器的功能需求、方案進行探索和研究。

1　SCM620介紹

SCM620是北京智芯微公司推出的一款基于Cortex-M4內(nèi)核的高性能32位微控制器，其主要功能特點如表1所示。

表1 SCM620微控制器主要功能及特性簡要表

表1中的一些特性需要特別注意，如支持紅外的端口和支持串口硬件流控的功能接口，需要在資源分配和功能使用時進行確認和復(fù)核，以保證相關(guān)資源和功能正確使用。另外，以太網(wǎng)功能實現(xiàn)和外部存儲實現(xiàn)在資源使用上存在沖突，在實際使用時，可以通過硬開關(guān)或軟開關(guān)的方式實現(xiàn)兩種功能分時使用，也可以只使用其中的一種功能，舍棄另一種功能。考慮到存儲的重要性，本設(shè)計采用保留內(nèi)存的功能進行設(shè)計實現(xiàn)，以太網(wǎng)功能通過其他方式實現(xiàn)。

2　油田井口控制器的硬件設(shè)計

油田井口控制器是油田地面工程信息收集及處理的關(guān)鍵設(shè)備，一般要收集采油井的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，同時需要對抽油機的啟停進行控制，對抽油機的用電電壓、電流及電功率進行采集并進行存儲；在通信方面需要把數(shù)據(jù)傳輸給井場RTU（Remote Terminal Unit）或直接與控制中心進行通信。總結(jié)起來，井口控制器至少需要具備如下功能：（1）數(shù)據(jù)（包含數(shù)字量與模擬量）采集功能；（2）有線通信功能；（3）無線通信功能；（4）380伏交流電電壓及電流檢測功能；（5）抽油機啟動及停止控制功能；（6）預(yù)留必要的資源或接口用于未來升級；（7）必要的歷史數(shù)據(jù)存儲空間。

根據(jù)油田井口控制器應(yīng)具備的功能，結(jié)合SCM620芯片特點，油田井口控制器的硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中模擬量輸入預(yù)留給流量計、位移、載荷等傳感器接入（一般是4～20毫安的有線接入設(shè)備），數(shù)字輸入功能一般用于井口圍欄非法入侵、控制柜非法開啟使用。抽油機啟停控制有兩種實現(xiàn)方式，一種是SCM620直接控制繼電器來控制抽油機的啟動或關(guān)停，另一種是SCM620輸出高低電平方式控制外部繼電器，通過外部繼電器來控制抽油機的啟動或關(guān)停。ZigBee無線通信一般用于無線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和通信命令控制（一般是指無線壓力、溫度儀表）。有線通信包括百兆以太網(wǎng)、RS485通信、RS232通信，百兆通信用于對上通信（控制中心或井場控制器），RS485與RS232用于控制柜觸摸屏（顯示板）或特殊數(shù)據(jù)采集及傳輸（如流量計、報警器、變頻器控制等）。電壓電流檢測功能主要用來監(jiān)測抽油機動力供電的質(zhì)量以及電能初步估算，是油田井口控制器的核心功能之一。指示燈及DEBUG（調(diào)試接口）主要用于設(shè)備維護人員對井口控制器本身的狀態(tài)進行初步評估或檢修、升級使用。考慮未來功能拓展，預(yù)留CAN總線接口保留功能升級或設(shè)備接入的接口。

圖1 油田井口控制器硬件整體實現(xiàn)框架

因SCM620內(nèi)存使用與以太網(wǎng)通信在資源使用上存在沖突，為解決此沖突，保持SCM620對內(nèi)存的使用，以太網(wǎng)通信功能通過SPI總線外掛芯片實現(xiàn)。

2.1　SPI總線掛載DM9051的以太網(wǎng)通信功能設(shè)計

DM9051是臺灣Davicom（聯(lián)杰國際）推出的基于SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）總線擴展實現(xiàn)百兆以太網(wǎng)功能的芯片，其主要功能特點如下：

（1）SPI總線從設(shè)備模式下最高支持時鐘頻率為50MHz；

（2）支持以太網(wǎng)10M/100M基本通信協(xié)議；

（3）支持DMA模式操作；

（4）內(nèi)置PHY（Physical）接口，可減少芯片設(shè)計數(shù)量；

（5）內(nèi)置16k-byte內(nèi)存用于發(fā)送/接收緩存使用；

（6）提供外掛EEPROM（一般用于存儲MAC地址）接口；

（7）支持IEEE802.3X協(xié)議全雙工模式；

（8）工作溫度范圍：-40℃～+85℃。

DM9051與SCM620的數(shù)據(jù)通信通過SPI總線實現(xiàn)，另外需要一根復(fù)位信號線（SCM620控制DM9051的復(fù)位）和一根中斷信號線（DM9051發(fā)送給SCM620，通過電平的高低切換告知MCU以太網(wǎng)通信數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送狀況），其整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 DM9051實現(xiàn)以太網(wǎng)功能架構(gòu)圖

在圖2中，晶振必須為25MHz，而EEROM可作預(yù)留設(shè)計，在實際電路中可以根據(jù)實際需要不焊接。DM9051芯片的初始設(shè)定和相關(guān)端口的上下拉電阻連接可參考文獻[5]，該文獻可作為DM9051芯片實現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能電路設(shè)計的基本依據(jù)。另外，在DM9051芯片與RJ45接口之間可根據(jù)自身產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的需要增加必要的抗靜電和浪涌等保護電路，可參考文獻[6]的設(shè)計，本文不再作詳述。

在芯片驅(qū)動設(shè)計實現(xiàn)上，其過程如下：

芯片初始化，根據(jù)芯片特點及功能需要配置芯片寄存器（此時應(yīng)確保SPI總線主從設(shè)備的正常通信）；

確定網(wǎng)卡工作狀態(tài)（一般是工作在半雙工模式或全雙工模式，10M或100M）；

根據(jù)中斷狀態(tài)判定數(shù)據(jù)是接收還是發(fā)送，并根據(jù)數(shù)據(jù)的類型進行相關(guān)處理。

一般來說，對于控制器端，不會關(guān)注數(shù)據(jù)發(fā)送后的結(jié)果，因此軟件設(shè)計上一般關(guān)注的是接收的數(shù)據(jù)如何作快速處理（硬件預(yù)留的緩存空間有限），多數(shù)情況下均是通過協(xié)議棧進行處理。同時，大批量的數(shù)據(jù)操作硬件方面提供了DMA模式，可加快數(shù)據(jù)的傳輸速度。

2.2　RN8302B電壓電流檢測功能硬件設(shè)計

RN8302B是深圳銳能微公司提供的三相電電量計量芯片，可通過SPI總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和對芯片的控制，其特點如下：

（1）SPI總線從設(shè)備模式下最高速度為3.5Mbps，提供寫保護功能；

（2）支持測量三相電壓及電流有效值；

（3）支持計量有功、無功、視在電能，動態(tài)范圍5000：1內(nèi)，非線性誤差＜0.1%；

（4）內(nèi)置防竊電功能；

（5）提供軟件校正功能；

（6）可適用于三相三線、三相四線制接線模式；

（7）內(nèi)置1.25V模數(shù)轉(zhuǎn)換器基準電壓，并提供外部基準供電接口；

（8）根據(jù)工作場景，提供不同的工作模式，其休眠態(tài)功耗為7μA；

（9）工作溫度范圍：-40℃～+85℃。

RN8302B與SCM620的通信方式也是通過SPI總線實現(xiàn)，同樣需要一根復(fù)位信號和中斷信號，其整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 RN8302B實現(xiàn)電壓電流檢測功能架構(gòu)圖

在圖3中，RN8302B芯片的系統(tǒng)時鐘必須為8.192MHz，由芯片特性決定。調(diào)試接口一般做設(shè)計預(yù)留，實際不使用，電壓檢測與電流檢測設(shè)計上，根據(jù)油田的實際使用狀況，需要進行兩級處理：電壓前級處理的主要功能是將待檢測電壓進行限流和保護處理，電流前級處理的主要功能是將待檢測電流等比縮減至芯片可檢測范圍內(nèi)并提供突變保護處理。電壓檢測后級處理可通過三種方式實現(xiàn)，分別是：電阻串聯(lián)分壓方式、電流電壓互感器方式、電壓互感器方式，其具體示意圖可參考文獻[7]。一般來說，對于精度要求較高時，優(yōu)先選擇后兩種方式。電流檢測后級處理可通過電流互感器實現(xiàn)，其采樣電阻的大小需符合文獻[7]中提到的計算公式及限值范圍。在RN8302B設(shè)計需要特別關(guān)注高壓電路與低壓電路的隔離，高速信號與低速信號的參考地的區(qū)別處理，具體方法或注意事項見文獻[7]，此處不再敘述。

3　油田井口控制器的軟件設(shè)計

井口控制器的軟件設(shè)計采用任務(wù)中斷的方式進行處理，對不同的任務(wù)賦值不同的優(yōu)先級，按優(yōu)先級的高低進行調(diào)度和處理，同時利用SCM620的高性能特性，對特殊任務(wù)進行最高優(yōu)先級處理，其處理流程如圖4所示。

圖4 主程序處理機制框架圖

在主程序的任務(wù)處理機制中，當有多個任務(wù)同時出現(xiàn)時，將任務(wù)數(shù)量傳遞給調(diào)用任務(wù)處理模塊，調(diào)用任務(wù)處理模塊會根據(jù)其對應(yīng)的中斷優(yōu)先級進行任務(wù)處理。當一個任務(wù)在處理過程中，另一個更高級別的任務(wù)發(fā)出任務(wù)請求時（如定時器任務(wù)），調(diào)用任務(wù)模塊會對當前任務(wù)進行中斷嵌套處理，保護好當前未處理完成的任務(wù)狀態(tài)，優(yōu)先處理更高級別的任務(wù)，處理完成后再返回未完成的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行，此類嵌套數(shù)量不超過3個。遇到同一優(yōu)先級的任務(wù)，按任務(wù)接收到的先后順序進行處理。

3.1　抽油機啟停功能的實現(xiàn)

抽油機的啟停功能是油田井口控制器的重要功能之一，應(yīng)具備中央控制室遠程控制功能，同時在啟停瞬間，應(yīng)通過控制器輸出對應(yīng)的告警語音，提醒在抽油機附近的人員遠離即將工作或停機的抽油機，其實現(xiàn)過程如下：

啟動流程：當油田井口控制器收到抽油機啟動命令時，控制器打開語音播報功能，并開始倒計時，倒計時完成后，控制繼電器吸合，使抽油機開始上電工作。同時，對比電壓電流檢測電路收集的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，并判斷數(shù)據(jù)變化是否在正常范圍內(nèi)，并將結(jié)果反饋給發(fā)送命令的控制室，若遇異常數(shù)據(jù)（一般是指過高的數(shù)值）持續(xù)時間過長，會根據(jù)相關(guān)設(shè)定及時告知控制中心，并啟動抽油機關(guān)停流程。

關(guān)停流程：當油田井口控制器收到抽油機關(guān)停命令時，控制器打開語音播報功能，并開始倒計時，倒計時完成后，控制繼電器斷開，讓抽油機停電暫停工作。同時，對比電壓及電流數(shù)據(jù)是否變小并在一段時間后低于特定閾值，并將最終結(jié)果反饋給控制中心。

3.2　RN8302B電壓電流檢測功能軟件設(shè)計

RN8302B的功能實現(xiàn)分為兩部分，一部分是芯片驅(qū)動的設(shè)計實現(xiàn)，另一部分是檢測功能的設(shè)計實現(xiàn)。

芯片驅(qū)動設(shè)計流程如下：

（1）上電復(fù)位，初始化，讀取RN8302B芯片ID，確保ID號與芯片手冊一致；（2）處理復(fù)位信號；

（3）打開寫使能，設(shè)置相關(guān)參數(shù)；

（4）檢測參數(shù)狀態(tài)是否與寫入的一致，參數(shù)正確后關(guān)閉寫使能。

電壓電流檢測功能的實現(xiàn)流程如下：

（1）設(shè)置電壓電流檢測范圍，判定相序狀態(tài)是否與理論一致（不一致的部分需要調(diào)整實際接線相序）；

（2）設(shè)置增益參數(shù)（此增益主要起標定作用）；

（3）讀取相關(guān)數(shù)據(jù)（包括電壓大小、電流大小、電功率數(shù)值等）。

電壓電流值的計算需要注意采樣電阻值的大小，不同的電路，對應(yīng)的采樣電阻不一樣，會影響最終的計算值。電能的計算需要選取一個EC值，選值范圍由測量值的大小決定，測量值與EC值成正比關(guān)系（EC值不可超出芯片手冊給出的最大值）。

校正功能是RN8302B的一個特色，其實現(xiàn)過程如下：

（1）設(shè)定標準源的電壓及電流，設(shè)定PF為1.0；

（2）根據(jù)輸入值校準各相的電壓、電流的增益；

（3）校準有功功率增益；

（4）電壓電流不變的條件下，設(shè)定PF為0.5；

（5）根據(jù)有功功率的誤差，校正功率相位。

4　結(jié)語

依據(jù)前文所述硬件、軟件設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，配套相關(guān)的常規(guī)功能設(shè)計，如串口通信、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、無線通信、音頻輸出等功能電路，基于SCM620的油田井口控制器在功能和性能上符合預(yù)期目標，達到了油田井口控制器應(yīng)具備的基本功能。同時，在一定程度上可以避免國外芯片供貨對產(chǎn)品的生產(chǎn)限制，剔除了產(chǎn)品供貨隱患。

油田井口控制器是油田生產(chǎn)過程中收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性節(jié)點控制器，是作為遠程控制抽油機啟停命令的終端控制角色，其作用十分重要。它通過SCM620為主控平臺的功能設(shè)計，可實現(xiàn)油田井口控制器的基本功能，并在油田現(xiàn)場得到了實際應(yīng)用，符合實際需要，具備一定的經(jīng)濟效應(yīng)。我們未來研究及設(shè)計的重點將圍繞全設(shè)計采用國內(nèi)芯片及解決方案的落地實現(xiàn)，也會關(guān)注數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全功能設(shè)計和實現(xiàn)，并根據(jù)實際需求（偏遠獨立井場）適時增加4G傳輸（或北斗傳輸）功能，豐富產(chǎn)品的應(yīng)用場景。

作者簡介：

伍儒彬（1982-），男，湖北武穴人，高級工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責任公司，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)及應(yīng)用。

劉　星（1981-），男，湖北黃岡人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責任公司，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及應(yīng)用。

朱潤平（1982-），河北張北人，學(xué)士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責任公司，主要研究方向為嵌入式應(yīng)用、自動化控制。

韓宏志（1982-），男，黑龍江人，工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責任公司，從事石油行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型咨詢及項目管理工作。

參考文獻：

[1] 王會堂, 王書惠. 彩南油田自動化系統(tǒng)[J]. 新疆石油科技, 1996.

[2] 劉燕峰. POWERLINK在油氣田控制器中的應(yīng)用研究[D]. 西安: 西安石油大學(xué), 2019.

[3] 黃兵, 郭月明, 謝華鋒. 一種RTU控制器可擴展功能的軟硬件實現(xiàn)方法[J]. 自動化博覽, 2014 (3) : 52 - 54.

[4] 郭可為. 中美貿(mào)易戰(zhàn): 動機分析與情景推演[J]. 國際經(jīng)濟合作, 2018 (5) : 7.

[5] 聯(lián)杰國際. DM9051 DATA SHEET[R]. 臺灣: 聯(lián)杰國際, 2015 : 1 - 50

[6] 敖奇. 以太網(wǎng)接口ESD/浪涌保護電路設(shè)計[J]. 鐵路通信信號工程技術(shù), 2012, 9 (5) : 4.

[7] 銳能微科技. 銳能微RN8302/RN8302B應(yīng)用筆記[R]. 深圳: 銳能微科技, 2014 : 1 - 24.

摘自《自動化博覽》2023年5月刊