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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2023）05-062-05中圖分類號(hào)：TP23

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

關(guān)鍵詞：SCM620；控制器；檢測(cè)

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(shù)字化”“智能化”的特性需求，因此，它們對(duì)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)，隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，在芯片平臺(tái)使用方面也提倡盡量使用國(guó)產(chǎn)平臺(tái)，以避免未來(lái)發(fā)展的曲折和糾紛。

1996年，國(guó)內(nèi)的油田[1]自動(dòng)化系統(tǒng)開(kāi)始興建，此時(shí)的數(shù)據(jù)采集主要依靠有線通信和無(wú)線電臺(tái)相結(jié)合的方式實(shí)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(jí)過(guò)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(jìn)步，已經(jīng)由過(guò)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(guò)去的電臺(tái)或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(xiàn)[2]提出的基于POWERLINK技術(shù)的分類通信方式、文獻(xiàn)[3]提出的解決方案更多應(yīng)用于井場(chǎng)或站場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面擴(kuò)大，主控類芯片成本下降，現(xiàn)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(duì)新形勢(shì)[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(nèi)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(rèn)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(shí)現(xiàn)和外部存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)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(xiàn)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。考慮到存儲(chǔ)的重要性，本設(shè)計(jì)采用保留內(nèi)存的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以太網(wǎng)功能通過(guò)其他方式實(shí)現(xiàn)。

2　油田井口控制器的硬件設(shè)計(jì)

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(shí)需要對(duì)抽油機(jī)的啟停進(jìn)行控制，對(duì)抽油機(jī)的用電電壓、電流及電功率進(jìn)行采集并進(jìn)行存儲(chǔ)；在通信方面需要把數(shù)據(jù)傳輸給井場(chǎng)RTU（Remote Terminal Unit）或直接與控制中心進(jìn)行通信。總結(jié)起來(lái)，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(wú)線通信功能；（4）380伏交流電電壓及電流檢測(cè)功能；（5）抽油機(jī)啟動(dòng)及停止控制功能；（6）預(yù)留必要的資源或接口用于未來(lái)升級(jí)；（7）必要的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(diǎn)，油田井口控制器的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中模擬量輸入預(yù)留給流量計(jì)、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(kāi)啟使用。抽油機(jī)啟停控制有兩種實(shí)現(xiàn)方式，一種是SCM620直接控制繼電器來(lái)控制抽油機(jī)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(jī)的啟動(dòng)或關(guān)停。ZigBee無(wú)線通信一般用于無(wú)線設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和通信命令控制（一般是指無(wú)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(duì)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(shù)據(jù)采集及傳輸（如流量計(jì)、報(bào)警器、變頻器控制等）。電壓電流檢測(cè)功能主要用來(lái)監(jiān)測(cè)抽油機(jī)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(diào)試接口）主要用于設(shè)備維護(hù)人員對(duì)井口控制器本身的狀態(tài)進(jìn)行初步評(píng)估或檢修、升級(jí)使用。考慮未來(lái)功能拓展，預(yù)留CAN總線接口保留功能升級(jí)或設(shè)備接入的接口。

圖1 油田井口控制器硬件整體實(shí)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(duì)內(nèi)存的使用，以太網(wǎng)通信功能通過(guò)SPI總線外掛芯片實(shí)現(xiàn)。

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

DM9051是臺(tái)灣Davicom（聯(lián)杰國(guó)際）推出的基于SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)接口）總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)功能的芯片，其主要功能特點(diǎn)如下：

（1）SPI總線從設(shè)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(nèi)置PHY（Physical）接口，可減少芯片設(shè)計(jì)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(chǔ)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(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)，另外需要一根復(fù)位信號(hào)線（SCM620控制DM9051的復(fù)位）和一根中斷信號(hào)線（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(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(shí)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(jì)，在實(shí)際電路中可以根據(jù)實(shí)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(xiàn)[5]，該文獻(xiàn)可作為DM9051芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能電路設(shè)計(jì)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(hù)電路，可參考文獻(xiàn)[6]的設(shè)計(jì)，本文不再作詳述。

在芯片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，其過(guò)程如下：

芯片初始化，根據(jù)芯片特點(diǎn)及功能需要配置芯片寄存器（此時(shí)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(jìn)行相關(guān)處理。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于控制器端，不會(huì)關(guān)注數(shù)據(jù)發(fā)送后的結(jié)果，因此軟件設(shè)計(jì)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(guò)協(xié)議棧進(jìn)行處理。同時(shí)，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(cè)功能硬件設(shè)計(jì)

RN8302B是深圳銳能微公司提供的三相電電量計(jì)量芯片，可通過(guò)SPI總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和對(duì)芯片的控制，其特點(diǎn)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(hù)功能；

（2）支持測(cè)量三相電壓及電流有效值；

（3）支持計(jì)量有功、無(wú)功、視在電能，動(dòng)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(zhǔn)電壓，并提供外部基準(zhǔn)供電接口；

（8）根據(jù)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總線實(shí)現(xiàn)，同樣需要一根復(fù)位信號(hào)和中斷信號(hào)，其整體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 RN8302B實(shí)現(xiàn)電壓電流檢測(cè)功能架構(gòu)圖

在圖3中，RN8302B芯片的系統(tǒng)時(shí)鐘必須為8.192MHz，由芯片特性決定。調(diào)試接口一般做設(shè)計(jì)預(yù)留，實(shí)際不使用，電壓檢測(cè)與電流檢測(cè)設(shè)計(jì)上，根據(jù)油田的實(shí)際使用狀況，需要進(jìn)行兩級(jí)處理：電壓前級(jí)處理的主要功能是將待檢測(cè)電壓進(jìn)行限流和保護(hù)處理，電流前級(jí)處理的主要功能是將待檢測(cè)電流等比縮減至芯片可檢測(cè)范圍內(nèi)并提供突變保護(hù)處理。電壓檢測(cè)后級(jí)處理可通過(guò)三種方式實(shí)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(xiàn)[7]。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于精度要求較高時(shí)，優(yōu)先選擇后兩種方式。電流檢測(cè)后級(jí)處理可通過(guò)電流互感器實(shí)現(xiàn)，其采樣電阻的大小需符合文獻(xiàn)[7]中提到的計(jì)算公式及限值范圍。在RN8302B設(shè)計(jì)需要特別關(guān)注高壓電路與低壓電路的隔離，高速信號(hào)與低速信號(hào)的參考地的區(qū)別處理，具體方法或注意事項(xiàng)見(jiàn)文獻(xiàn)[7]，此處不再敘述。

3　油田井口控制器的軟件設(shè)計(jì)

井口控制器的軟件設(shè)計(jì)采用任務(wù)中斷的方式進(jìn)行處理，對(duì)不同的任務(wù)賦值不同的優(yōu)先級(jí)，按優(yōu)先級(jí)的高低進(jìn)行調(diào)度和處理，同時(shí)利用SCM620的高性能特性，對(duì)特殊任務(wù)進(jìn)行最高優(yōu)先級(jí)處理，其處理流程如圖4所示。

圖4 主程序處理機(jī)制框架圖

在主程序的任務(wù)處理機(jī)制中，當(dāng)有多個(gè)任務(wù)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，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(huì)根據(jù)其對(duì)應(yīng)的中斷優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)處理。當(dāng)一個(gè)任務(wù)在處理過(guò)程中，另一個(gè)更高級(jí)別的任務(wù)發(fā)出任務(wù)請(qǐng)求時(shí)（如定時(shí)器任務(wù)），調(diào)用任務(wù)模塊會(huì)對(duì)當(dāng)前任務(wù)進(jìn)行中斷嵌套處理，保護(hù)好當(dāng)前未處理完成的任務(wù)狀態(tài)，優(yōu)先處理更高級(jí)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(guò)3個(gè)。遇到同一優(yōu)先級(jí)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(jī)啟停功能的實(shí)現(xiàn)

抽油機(jī)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(yuǎn)程控制功能，同時(shí)在啟停瞬間，應(yīng)通過(guò)控制器輸出對(duì)應(yīng)的告警語(yǔ)音，提醒在抽油機(jī)附近的人員遠(yuǎn)離即將工作或停機(jī)的抽油機(jī)，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

啟動(dòng)流程：當(dāng)油田井口控制器收到抽油機(jī)啟動(dòng)命令時(shí)，控制器打開(kāi)語(yǔ)音播報(bào)功能，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)完成后，控制繼電器吸合，使抽油機(jī)開(kāi)始上電工作。同時(shí)，對(duì)比電壓電流檢測(cè)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(guò)高的數(shù)值）持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)根據(jù)相關(guān)設(shè)定及時(shí)告知控制中心，并啟動(dòng)抽油機(jī)關(guān)停流程。

關(guān)停流程：當(dāng)油田井口控制器收到抽油機(jī)關(guān)停命令時(shí)，控制器打開(kāi)語(yǔ)音播報(bào)功能，并開(kāi)始倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)完成后，控制繼電器斷開(kāi)，讓抽油機(jī)停電暫停工作。同時(shí)，對(duì)比電壓及電流數(shù)據(jù)是否變小并在一段時(shí)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(cè)功能軟件設(shè)計(jì)

RN8302B的功能實(shí)現(xiàn)分為兩部分，一部分是芯片驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，另一部分是檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

芯片驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程如下：

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

（3）打開(kāi)寫使能，設(shè)置相關(guān)參數(shù)；

（4）檢測(cè)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(cè)功能的實(shí)現(xiàn)流程如下：

（1）設(shè)置電壓電流檢測(cè)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(shí)際接線相序）；

（2）設(shè)置增益參數(shù)（此增益主要起標(biāo)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(jì)算需要注意采樣電阻值的大小，不同的電路，對(duì)應(yīng)的采樣電阻不一樣，會(huì)影響最終的計(jì)算值。電能的計(jì)算需要選取一個(gè)EC值，選值范圍由測(cè)量值的大小決定，測(cè)量值與EC值成正比關(guān)系（EC值不可超出芯片手冊(cè)給出的最大值）。

校正功能是RN8302B的一個(gè)特色，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

（1）設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)源的電壓及電流，設(shè)定PF為1.0；

（2）根據(jù)輸入值校準(zhǔn)各相的電壓、電流的增益；

（3）校準(zhǔn)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(yǔ)

依據(jù)前文所述硬件、軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，配套相關(guān)的常規(guī)功能設(shè)計(jì)，如串口通信、數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、無(wú)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(biāo)，達(dá)到了油田井口控制器應(yīng)具備的基本功能。同時(shí)，在一定程度上可以避免國(guó)外芯片供貨對(duì)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(shù)據(jù)的基礎(chǔ)性節(jié)點(diǎn)控制器，是作為遠(yuǎn)程控制抽油機(jī)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(tái)的功能設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)油田井口控制器的基本功能，并在油田現(xiàn)場(chǎng)得到了實(shí)際應(yīng)用，符合實(shí)際需要，具備一定的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。我們未來(lái)研究及設(shè)計(jì)的重點(diǎn)將圍繞全設(shè)計(jì)采用國(guó)內(nèi)芯片及解決方案的落地實(shí)現(xiàn)，也會(huì)關(guān)注數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中的安全功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)實(shí)際需求（偏遠(yuǎn)獨(dú)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(yīng)用場(chǎng)景。

作者簡(jiǎn)介：

伍儒彬（1982-），男，湖北武穴人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)就職于昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(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(zé)任公司，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備及應(yīng)用。

朱潤(rùn)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(zé)任公司，主要研究方向?yàn)榍度胧綉?yīng)用、自動(dòng)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(zé)任公司，從事石油行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型咨詢及項(xiàng)目管理工作。

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摘自《自動(dòng)化博覽》2023年5月刊