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

★伍儒彬，劉星，朱潤平，韓宏志（昆侖數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(lái)，油田生產(chǎn)企業(yè)在信息化改造過(guò)程中，提出“數字化”“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(jìn)一步的提升和拓展。同時(shí)，隨著(zhù)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(lái)發(fā)展的曲折和糾紛。

1996年，國內的油田[1]自動(dòng)化系統開(kāi)始興建，此時(shí)的數據采集主要依靠有線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)電臺相結合的方式實(shí)現，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(guò)程中，積累并形成井口控制器的一些特性需求和規范。此后，油田井口控制器隨著(zhù)芯片和軟件技術(shù)的進(jìn)步，已經(jīng)由過(guò)去單純的數據收集向可執行控制中心命令提升，通信方式也由過(guò)去的電臺或工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)向4G/5G以及以太網(wǎng)通信方式發(fā)展，為油田數字化和智慧化發(fā)展提供了必要的硬件基礎。為提高數據通信效率，文獻[2]提出的基于POWERLINK技術(shù)的分類(lèi)通信方式、文獻[3]提出的解決方案更多應用于井場(chǎng)或站場(chǎng)數據的采集。隨著(zhù)通信網(wǎng)絡(luò )的覆蓋面擴大，主控類(lèi)芯片成本下降，現場(chǎng)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(jìn)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內核的高性能32位微控制器，其主要功能特點(diǎn)如表1所示。

表1 SCM620微控制器主要功能及特性簡(jiǎn)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(shí)進(jìn)行確認和復核，以保證相關(guān)資源和功能正確使用。另外，以太網(wǎng)功能實(shí)現和外部存儲實(shí)現在資源使用上存在沖突，在實(shí)際使用時(shí)，可以通過(guò)硬開(kāi)關(guān)或軟開(kāi)關(guān)的方式實(shí)現兩種功能分時(shí)使用，也可以只使用其中的一種功能，舍棄另一種功能?？紤]到存儲的重要性，本設計采用保留內存的功能進(jìn)行設計實(shí)現，以太網(wǎng)功能通過(guò)其他方式實(shí)現。

2　油田井口控制器的硬件設計

油田井口控制器是油田地面工程信息收集及處理的關(guān)鍵設備，一般要收集采油井的溫度、壓力等數據，同時(shí)需要對抽油機的啟停進(jìn)行控制，對抽油機的用電電壓、電流及電功率進(jìn)行采集并進(jìn)行存儲；在通信方面需要把數據傳輸給井場(chǎng)RTU（Remote Terminal Unit）或直接與控制中心進(jìn)行通信?？偨Y起來(lái)，井口控制器至少需要具備如下功能：（1）數據（包含數字量與模擬量）采集功能；（2）有線(xiàn)通信功能；（3）無(wú)線(xiàn)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(dòng)及停止控制功能；（6）預留必要的資源或接口用于未來(lái)升級；（7）必要的歷史數據存儲空間。

根據油田井口控制器應具備的功能，結合SCM620芯片特點(diǎn)，油田井口控制器的硬件設計結構如圖1所示。圖中模擬量輸入預留給流量計、位移、載荷等傳感器接入（一般是4～20毫安的有線(xiàn)接入設備），數字輸入功能一般用于井口圍欄非法入侵、控制柜非法開(kāi)啟使用。抽油機啟?？刂朴袃煞N實(shí)現方式，一種是SCM620直接控制繼電器來(lái)控制抽油機的啟動(dòng)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(guò)外部繼電器來(lái)控制抽油機的啟動(dòng)或關(guān)停。ZigBee無(wú)線(xiàn)通信一般用于無(wú)線(xiàn)設備的數據采集和通信命令控制（一般是指無(wú)線(xiàn)壓力、溫度儀表）。有線(xiàn)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(chǎng)控制器），RS485與RS232用于控制柜觸摸屏（顯示板）或特殊數據采集及傳輸（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(lái)監測抽油機動(dòng)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（調試接口）主要用于設備維護人員對井口控制器本身的狀態(tài)進(jìn)行初步評估或檢修、升級使用?？紤]未來(lái)功能拓展，預留CAN總線(xiàn)接口保留功能升級或設備接入的接口。

圖1 油田井口控制器硬件整體實(shí)現框架

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

2.1　SPI總線(xiàn)掛載DM9051的以太網(wǎng)通信功能設計

DM9051是臺灣Davicom（聯(lián)杰?chē)H）推出的基于SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）總線(xiàn)擴展實(shí)現百兆以太網(wǎng)功能的芯片，其主要功能特點(diǎn)如下：

（1）SPI總線(xiàn)從設備模式下最高支持時(shí)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）內置PHY（Physical）接口，可減少芯片設計數量；

（5）內置16k-byte內存用于發(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的數據通信通過(guò)SPI總線(xiàn)實(shí)現，另外需要一根復位信號線(xiàn)（SCM620控制DM9051的復位）和一根中斷信號線(xiàn)（DM9051發(fā)送給SCM620，通過(guò)電平的高低切換告知MCU以太網(wǎng)通信數據的接收和發(fā)送狀況），其整體架構如圖2所示。

圖2 DM9051實(shí)現以太網(wǎng)功能架構圖

在圖2中，晶振必須為25MHz，而EEROM可作預留設計，在實(shí)際電路中可以根據實(shí)際需要不焊接。DM9051芯片的初始設定和相關(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(shí)現以太網(wǎng)通信功能電路設計的基本依據。另外，在DM9051芯片與RJ45接口之間可根據自身產(chǎn)品應用環(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]的設計，本文不再作詳述。

在芯片驅動(dòng)設計實(shí)現上，其過(guò)程如下：

芯片初始化，根據芯片特點(diǎn)及功能需要配置芯片寄存器（此時(shí)應確保SPI總線(xiàn)主從設備的正常通信）；

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）；

根據中斷狀態(tài)判定數據是接收還是發(fā)送，并根據數據的類(lèi)型進(jìn)行相關(guān)處理。

一般來(lái)說(shuō)，對于控制器端，不會(huì )關(guān)注數據發(fā)送后的結果，因此軟件設計上一般關(guān)注的是接收的數據如何作快速處理（硬件預留的緩存空間有限），多數情況下均是通過(guò)協(xié)議棧進(jìn)行處理。同時(shí)，大批量的數據操作硬件方面提供了DMA模式，可加快數據的傳輸速度。

2.2　RN8302B電壓電流檢測功能硬件設計

RN8302B是深圳銳能微公司提供的三相電電量計量芯片，可通過(guò)SPI總線(xiàn)實(shí)現數據的傳遞和對芯片的控制，其特點(diǎn)如下：

（1）SPI總線(xiàn)從設備模式下最高速度為3.5Mbps，提供寫(xiě)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(wú)功、視在電能，動(dòng)態(tài)范圍5000：1內，非線(xiàn)性誤差＜0.1%；

（4）內置防竊電功能；

（5）提供軟件校正功能；

（6）可適用于三相三線(xiàn)、三相四線(xiàn)制接線(xiàn)模式；

（7）內置1.25V模數轉換器基準電壓，并提供外部基準供電接口；

（8）根據工作場(chǎng)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(guò)SPI總線(xiàn)實(shí)現，同樣需要一根復位信號和中斷信號，其整體架構如圖3所示。

圖3 RN8302B實(shí)現電壓電流檢測功能架構圖

在圖3中，RN8302B芯片的系統時(shí)鐘必須為8.192MHz，由芯片特性決定。調試接口一般做設計預留，實(shí)際不使用，電壓檢測與電流檢測設計上，根據油田的實(shí)際使用狀況，需要進(jìn)行兩級處理：電壓前級處理的主要功能是將待檢測電壓進(jìn)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并提供突變保護處理。電壓檢測后級處理可通過(guò)三種方式實(shí)現，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(lái)說(shuō)，對于精度要求較高時(shí)，優(yōu)先選擇后兩種方式。電流檢測后級處理可通過(guò)電流互感器實(shí)現，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別處理，具體方法或注意事項見(jiàn)文獻[7]，此處不再敘述。

3　油田井口控制器的軟件設計

井口控制器的軟件設計采用任務(wù)中斷的方式進(jìn)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(jìn)行調度和處理，同時(shí)利用SCM620的高性能特性，對特殊任務(wù)進(jìn)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(gè)任務(wù)同時(shí)出現時(shí)，將任務(wù)數量傳遞給調用任務(wù)處理模塊，調用任務(wù)處理模塊會(huì )根據其對應的中斷優(yōu)先級進(jìn)行任務(wù)處理。當一個(gè)任務(wù)在處理過(guò)程中，另一個(gè)更高級別的任務(wù)發(fā)出任務(wù)請求時(shí)（如定時(shí)器任務(wù)），調用任務(wù)模塊會(huì )對當前任務(wù)進(jìn)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)繼續執行，此類(lèi)嵌套數量不超過(guò)3個(gè)。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(jìn)行處理。

3.1　抽油機啟停功能的實(shí)現

抽油機的啟停功能是油田井口控制器的重要功能之一，應具備中央控制室遠程控制功能，同時(shí)在啟停瞬間，應通過(guò)控制器輸出對應的告警語(yǔ)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(shí)現過(guò)程如下：

啟動(dòng)流程：當油田井口控制器收到抽油機啟動(dòng)命令時(shí)，控制器打開(kāi)語(yǔ)音播報功能，并開(kāi)始倒計時(shí)，倒計時(shí)完成后，控制繼電器吸合，使抽油機開(kāi)始上電工作。同時(shí)，對比電壓電流檢測電路收集的數據是否發(fā)生變化，并判斷數據變化是否在正常范圍內，并將結果反饋給發(fā)送命令的控制室，若遇異常數據（一般是指過(guò)高的數值）持續時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )根據相關(guān)設定及時(shí)告知控制中心，并啟動(dòng)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(shí)，控制器打開(kāi)語(yǔ)音播報功能，并開(kāi)始倒計時(shí)，倒計時(shí)完成后，控制繼電器斷開(kāi)，讓抽油機停電暫停工作。同時(shí)，對比電壓及電流數據是否變小并在一段時(shí)間后低于特定閾值，并將最終結果反饋給控制中心。

3.2　RN8302B電壓電流檢測功能軟件設計

RN8302B的功能實(shí)現分為兩部分，一部分是芯片驅動(dòng)的設計實(shí)現，另一部分是檢測功能的設計實(shí)現。

芯片驅動(dòng)設計流程如下：

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

（3）打開(kāi)寫(xiě)使能，設置相關(guān)參數；

（4）檢測參數狀態(tài)是否與寫(xiě)入的一致，參數正確后關(guān)閉寫(xiě)使能。

電壓電流檢測功能的實(shí)現流程如下：

（1）設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整實(shí)際接線(xiàn)相序）；

（2）設置增益參數（此增益主要起標定作用）；

（3）讀取相關(guān)數據（包括電壓大小、電流大小、電功率數值等）。

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，對應的采樣電阻不一樣，會(huì )影響最終的計算值。電能的計算需要選取一個(gè)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(gè)特色，其實(shí)現過(guò)程如下：

（1）設定標準源的電壓及電流，設定PF為1.0；

（2）根據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，設定PF為0.5；

（5）根據有功功率的誤差，校正功率相位。

4　結語(yǔ)

依據前文所述硬件、軟件設計的關(guān)鍵環(huán)節，配套相關(guān)的常規功能設計，如串口通信、數字量輸入輸出、模擬量輸入、無(wú)線(xiàn)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期目標，達到了油田井口控制器應具備的基本功能。同時(shí)，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(guò)程中收集生產(chǎn)數據的基礎性節點(diǎn)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(guò)SCM620為主控平臺的功能設計，可實(shí)現油田井口控制器的基本功能，并在油田現場(chǎng)得到了實(shí)際應用，符合實(shí)際需要，具備一定的經(jīng)濟效應。我們未來(lái)研究及設計的重點(diǎn)將圍繞全設計采用國內芯片及解決方案的落地實(shí)現，也會(huì )關(guān)注數據在傳輸過(guò)程中的安全功能設計和實(shí)現，并根據實(shí)際需求（偏遠獨立井場(chǎng)）適時(shí)增加4G傳輸（或北斗傳輸）功能，豐富產(chǎn)品的應用場(chǎng)景。

作者簡(jiǎn)介：

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

劉　星（1981-），男，湖北黃岡人，工程師，碩士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，主要研究方向為物聯(lián)網(wǎng)設備及應用。

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

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

參考文獻：

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊