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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（昆侖數智科技有限責任公司，北京102206）

關鍵詞：SCM620；控制器；檢測

近年來，油田生產企業在信息化改造過程中，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平臺，以避免未來發展的曲折和糾紛。

1996年，國內的油田[1]自動化系統開始興建，此時的數據采集主要依靠有線通信和無線電臺相結合的方式實現，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芯片和軟件技術的進步，已經由過去單純的數據收集向可執行控制中心命令提升，通信方式也由過去的電臺或工業現場總線向4G/5G以及以太網通信方式發展，為油田數字化和智慧化發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技術的分類通信方式、文獻[3]提出的解決方案更多應用于井場或站場數據的采集。隨著通信網絡的覆蓋面擴大，主控類芯片成本下降，現場需求逐步增加，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核，以保證相關資源和功能正確使用。另外，以太網功能實現和外部存儲實現在資源使用上存在沖突，在實際使用時，可以通過硬開關或軟開關的方式實現兩種功能分時使用，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，本設計采用保留內存的功能進行設計實現，以太網功能通過其他方式實現。

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鍵設備，一般要收集采油井的溫度、壓力等數據，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據傳輸給井場RTU（Remote Terminal Unit）或直接與控制中心進行通信。總結起來，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）預留必要的資源或接口用于未來升級；（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，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、控制柜非法開啟使用。抽油機啟停控制有兩種實現方式，一種是SCM620直接控制繼電器來控制抽油機的啟動或關停，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停。ZigBee無線通信一般用于無線設備的數據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、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監測抽油機動力供電的質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進行初步評估或檢修、升級使用。考慮未來功能拓展，預留CAN總線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現框架

因SCM620內存使用與以太網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，以太網通信功能通過SPI總線外掛芯片實現。

2.1　SPI總線掛載DM9051的以太網通信功能設計

DM9051是臺灣Davicom（聯杰國際）推出的基于SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）總線擴展實現百兆以太網功能的芯片，其主要功能特點如下：

（1）SPI總線從設備模式下最高支持時鐘頻率為50MHz；

（2）支持以太網10M/100M基本通信協議；

（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SPI總線實現，另外需要一根復位信號線（SCM620控制DM9051的復位）和一根中斷信號線（DM9051發送給SCM620，通過電平的高低切換告知MCU以太網通信數據的接收和發送狀況），其整體架構如圖2所示。

圖2 DM9051實現以太網功能架構圖

在圖2中，晶振必須為25MHz，而EEROM可作預留設計，在實際電路中可以根據實際需要不焊接。DM9051芯片的初始設定和相關端口的上下拉電阻連接可參考文獻[5]，該文獻可作為DM9051芯片實現以太網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品應用環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。

在芯片驅動設計實現上，其過程如下：

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

確定網卡工作狀態（一般是工作在半雙工模式或全雙工模式，10M或100M）；

根據中斷狀態判定數據是接收還是發送，并根據數據的類型進行相關處理。

一般來說，對于控制器端，不會關注數據發送后的結果，因此軟件設計上一般關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協議棧進行處理。同時，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SPI總線實現數據的傳遞和對芯片的控制，其特點如下：

（1）SPI總線從設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，動態范圍5000：1內，非線性誤差＜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、三相四線制接線模式；

（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）根據工作場景，提供不同的工作模式，其休眠態功耗為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，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實現電壓電流檢測功能架構圖

在圖3中，RN8302B芯片的系統時鐘必須為8.192MHz，由芯片特性決定。調試接口一般做設計預留，實際不使用，電壓檢測與電流檢測設計上，根據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，分別是：電阻串聯分壓方式、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，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中斷的方式進行處理，對不同的任務賦值不同的優先級，按優先級的高低進行調度和處理，同時利用SCM620的高性能特性，對特殊任務進行最高優先級處理，其處理流程如圖4所示。

圖4 主程序處理機制框架圖

在主程序的任務處理機制中，當有多個任務同時出現時，將任務數量傳遞給調用任務處理模塊，調用任務處理模塊會根據其對應的中斷優先級進行任務處理。當一個任務在處理過程中，另一個更高級別的任務發出任務請求時（如定時器任務），調用任務模塊會對當前任務進行中斷嵌套處理，保護好當前未處理完成的任務狀態，優先處理更高級別的任務，處理完成后再返回未完成的任務繼續執行，此類嵌套數量不超過3個。遇到同一優先級的任務，按任務接收到的先后順序進行處理。

3.1　抽油機啟停功能的實現

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，同時在啟停瞬間，應通過控制器輸出對應的告警語音，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據是否發生變化，并判斷數據變化是否在正常范圍內，并將結果反饋給發送命令的控制室，若遇異常數據（一般是指過高的數值）持續時間過長，會根據相關設定及時告知控制中心，并啟動抽油機關停流程。

關停流程：當油田井口控制器收到抽油機關停命令時，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，對比電壓及電流數據是否變小并在一段時間后低于特定閾值，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的功能實現分為兩部分，一部分是芯片驅動的設計實現，另一部分是檢測功能的設計實現。

芯片驅動設計流程如下：

（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）打開寫使能，設置相關參數；

（4）檢測參數狀態是否與寫入的一致，參數正確后關閉寫使能。

電壓電流檢測功能的實現流程如下：

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

（2）設置增益參數（此增益主要起標定作用）；

（3）讀取相關數據（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，其實現過程如下：

（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

依據前文所述硬件、軟件設計的關鍵環節，配套相關的常規功能設計，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期目標，達到了油田井口控制器應具備的基本功能。同時，在一定程度上可以避免國外芯片供貨對產品的生產限制，剔除了產品供貨隱患。

油田井口控制器是油田生產過程中收集生產數據的基礎性節點控制器，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計，可實現油田井口控制器的基本功能，并在油田現場得到了實際應用，符合實際需要，具備一定的經濟效應。我們未來研究及設計的重點將圍繞全設計采用國內芯片及解決方案的落地實現，也會關注數據在傳輸過程中的安全功能設計和實現，并根據實際需求（偏遠獨立井場）適時增加4G傳輸（或北斗傳輸）功能，豐富產品的應用場景。

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網設備及應用。

朱潤平（1982-），河北張北人，學士，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、自動化控制。

韓宏志（1982-），男，黑龍江人，工程師，學士，現就職于昆侖數智科技有限責任公司，從事石油行業數字化轉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[J]. 新疆石油科技, 1996.

[2] 劉燕峰. POWERLINK在油氣田控制器中的應用研究[D]. 西安: 西安石油大學, 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方法[J]. 自動化博覽, 2014 (3) : 52 - 54.

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

[5] 聯杰國際. DM9051 DATA SHEET[R]. 臺灣: 聯杰國際, 2015 : 1 - 50

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

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

摘自《自動化博覽》2023年5月刊