文献标识码：B文章编号：1003-0492（2023）05-062-05中图分类号：TP23

★伍儒彬，刘星，朱润平，韩宏志（昆仑数智科技有限责任公司，北京102206）

关键词：SCM620；控制器；检测

近年来，油田生产企业在信息化改造过程中，提出“数字化”“智能化”的特性需求，因此，它们对于井口控制器的功能需求有进一步的提升和拓展。同时，随着国际形势的变化，在芯片平台使用方面也提倡尽量使用国产平台，以避免未来发展的曲折和纠纷。

1996年，国内的油田[1]自动化系统开始兴建，此时的数据采集主要依靠有线通信和无线电台相结合的方式实现，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级过程中，积累并形成井口控制器的一些特性需求和规范。此后，油田井口控制器随着芯片和软件技术的进步，已经由过去单纯的数据收集向可执行控制中心命令提升，通信方式也由过去的电台或工业现场总线向4G/5G以及以太网通信方式发展，为油田数字化和智慧化发展提供了必要的硬件基础。为提高数据通信效率，文献[2]提出的基于POWERLINK技术的分类通信方式、文献[3]提出的解决方案更多应用于井场或站场数据的采集。随着通信网络的覆盖面扩大，主控类芯片成本下降，现场需求逐步增加，油田井口控制器的功能也在不断增加和延伸，因此有必要对新形势[4]下的井口控制器的功能需求、方案进行探索和研究。

1　SCM620介绍

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

表1 SCM620微控制器主要功能及特性简要表

表1中的一些特性需要特别注意，如支持红外的端口和支持串口硬件流控的功能接口，需要在资源分配和功能使用时进行确认和复核，以保证相关资源和功能正确使用。另外，以太网功能实现和外部存储实现在资源使用上存在冲突，在实际使用时，可以通过硬开关或软开关的方式实现两种功能分时使用，也可以只使用其中的一种功能，舍弃另一种功能。考虑到存储的重要性，本设计采用保留内存的功能进行设计实现，以太网功能通过其他方式实现。

2　油田井口控制器的硬件设计

油田井口控制器是油田地面工程信息收集及处理的关键设备，一般要收集采油井的温度、压力等数据，同时需要对抽油机的启停进行控制，对抽油机的用电电压、电流及电功率进行采集并进行存储；在通信方面需要把数据传输给井场RTU（Remote Terminal Unit）或直接与控制中心进行通信。总结起来，井口控制器至少需要具备如下功能：（1）数据（包含数字量与模拟量）采集功能；（2）有线通信功能；（3）无线通信功能；（4）380伏交流电电压及电流检测功能；（5）抽油机启动及停止控制功能；（6）预留必要的资源或接口用于未来升级；（7）必要的历史数据存储空间。

根据油田井口控制器应具备的功能，结合SCM620芯片特点，油田井口控制器的硬件设计结构如图1所示。图中模拟量输入预留给流量计、位移、载荷等传感器接入（一般是4～20毫安的有线接入设备），数字输入功能一般用于井口围栏非法入侵、控制柜非法开启使用。抽油机启停控制有两种实现方式，一种是SCM620直接控制继电器来控制抽油机的启动或关停，另一种是SCM620输出高低电平方式控制外部继电器，通过外部继电器来控制抽油机的启动或关停。ZigBee无线通信一般用于无线设备的数据采集和通信命令控制（一般是指无线压力、温度仪表）。有线通信包括百兆以太网、RS485通信、RS232通信，百兆通信用于对上通信（控制中心或井场控制器），RS485与RS232用于控制柜触摸屏（显示板）或特殊数据采集及传输（如流量计、报警器、变频器控制等）。电压电流检测功能主要用来监测抽油机动力供电的质量以及电能初步估算，是油田井口控制器的核心功能之一。指示灯及DEBUG（调试接口）主要用于设备维护人员对井口控制器本身的状态进行初步评估或检修、升级使用。考虑未来功能拓展，预留CAN总线接口保留功能升级或设备接入的接口。

图1 油田井口控制器硬件整体实现框架

因SCM620内存使用与以太网通信在资源使用上存在冲突，为解决此冲突，保持SCM620对内存的使用，以太网通信功能通过SPI总线外挂芯片实现。

2.1　SPI总线挂载DM9051的以太网通信功能设计

DM9051是台湾Davicom（联杰国际）推出的基于SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）总线扩展实现百兆以太网功能的芯片，其主要功能特点如下：

（1）SPI总线从设备模式下最高支持时钟频率为50MHz；

（2）支持以太网10M/100M基本通信协议；

（3）支持DMA模式操作；

（4）内置PHY（Physical）接口，可减少芯片设计数量；

（5）内置16k-byte内存用于发送/接收缓存使用；

（6）提供外挂EEPROM（一般用于存储MAC地址）接口；

（7）支持IEEE802.3X协议全双工模式；

（8）工作温度范围：-40℃～+85℃。

DM9051与SCM620的数据通信通过SPI总线实现，另外需要一根复位信号线（SCM620控制DM9051的复位）和一根中断信号线（DM9051发送给SCM620，通过电平的高低切换告知MCU以太网通信数据的接收和发送状况），其整体架构如图2所示。

图2 DM9051实现以太网功能架构图

在图2中，晶振必须为25MHz，而EEROM可作预留设计，在实际电路中可以根据实际需要不焊接。DM9051芯片的初始设定和相关端口的上下拉电阻连接可参考文献[5]，该文献可作为DM9051芯片实现以太网通信功能电路设计的基本依据。另外，在DM9051芯片与RJ45接口之间可根据自身产品应用环境的需要增加必要的抗静电和浪涌等保护电路，可参考文献[6]的设计，本文不再作详述。

在芯片驱动设计实现上，其过程如下：

芯片初始化，根据芯片特点及功能需要配置芯片寄存器（此时应确保SPI总线主从设备的正常通信）；

确定网卡工作状态（一般是工作在半双工模式或全双工模式，10M或100M）；

根据中断状态判定数据是接收还是发送，并根据数据的类型进行相关处理。

一般来说，对于控制器端，不会关注数据发送后的结果，因此软件设计上一般关注的是接收的数据如何作快速处理（硬件预留的缓存空间有限），多数情况下均是通过协议栈进行处理。同时，大批量的数据操作硬件方面提供了DMA模式，可加快数据的传输速度。

2.2　RN8302B电压电流检测功能硬件设计

RN8302B是深圳锐能微公司提供的三相电电量计量芯片，可通过SPI总线实现数据的传递和对芯片的控制，其特点如下：

（1）SPI总线从设备模式下最高速度为3.5Mbps，提供写保护功能；

（2）支持测量三相电压及电流有效值；

（3）支持计量有功、无功、视在电能，动态范围5000：1内，非线性误差＜0.1%；

（4）内置防窃电功能；

（5）提供软件校正功能；

（6）可适用于三相三线、三相四线制接线模式；

（7）内置1.25V模数转换器基准电压，并提供外部基准供电接口；

（8）根据工作场景，提供不同的工作模式，其休眠态功耗为7μA；

（9）工作温度范围：-40℃～+85℃。

RN8302B与SCM620的通信方式也是通过SPI总线实现，同样需要一根复位信号和中断信号，其整体架构如图3所示。

图3 RN8302B实现电压电流检测功能架构图

在图3中，RN8302B芯片的系统时钟必须为8.192MHz，由芯片特性决定。调试接口一般做设计预留，实际不使用，电压检测与电流检测设计上，根据油田的实际使用状况，需要进行两级处理：电压前级处理的主要功能是将待检测电压进行限流和保护处理，电流前级处理的主要功能是将待检测电流等比缩减至芯片可检测范围内并提供突变保护处理。电压检测后级处理可通过三种方式实现，分别是：电阻串联分压方式、电流电压互感器方式、电压互感器方式，其具体示意图可参考文献[7]。一般来说，对于精度要求较高时，优先选择后两种方式。电流检测后级处理可通过电流互感器实现，其采样电阻的大小需符合文献[7]中提到的计算公式及限值范围。在RN8302B设计需要特别关注高压电路与低压电路的隔离，高速信号与低速信号的参考地的区别处理，具体方法或注意事项见文献[7]，此处不再叙述。

3　油田井口控制器的软件设计

井口控制器的软件设计采用任务中断的方式进行处理，对不同的任务赋值不同的优先级，按优先级的高低进行调度和处理，同时利用SCM620的高性能特性，对特殊任务进行最高优先级处理，其处理流程如图4所示。

图4 主程序处理机制框架图

在主程序的任务处理机制中，当有多个任务同时出现时，将任务数量传递给调用任务处理模块，调用任务处理模块会根据其对应的中断优先级进行任务处理。当一个任务在处理过程中，另一个更高级别的任务发出任务请求时（如定时器任务），调用任务模块会对当前任务进行中断嵌套处理，保护好当前未处理完成的任务状态，优先处理更高级别的任务，处理完成后再返回未完成的任务继续执行，此类嵌套数量不超过3个。遇到同一优先级的任务，按任务接收到的先后顺序进行处理。

3.1　抽油机启停功能的实现

抽油机的启停功能是油田井口控制器的重要功能之一，应具备中央控制室远程控制功能，同时在启停瞬间，应通过控制器输出对应的告警语音，提醒在抽油机附近的人员远离即将工作或停机的抽油机，其实现过程如下：

启动流程：当油田井口控制器收到抽油机启动命令时，控制器打开语音播报功能，并开始倒计时，倒计时完成后，控制继电器吸合，使抽油机开始上电工作。同时，对比电压电流检测电路收集的数据是否发生变化，并判断数据变化是否在正常范围内，并将结果反馈给发送命令的控制室，若遇异常数据（一般是指过高的数值）持续时间过长，会根据相关设定及时告知控制中心，并启动抽油机关停流程。

关停流程：当油田井口控制器收到抽油机关停命令时，控制器打开语音播报功能，并开始倒计时，倒计时完成后，控制继电器断开，让抽油机停电暂停工作。同时，对比电压及电流数据是否变小并在一段时间后低于特定阈值，并将最终结果反馈给控制中心。

3.2　RN8302B电压电流检测功能软件设计

RN8302B的功能实现分为两部分，一部分是芯片驱动的设计实现，另一部分是检测功能的设计实现。

芯片驱动设计流程如下：

（1）上电复位，初始化，读取RN8302B芯片ID，确保ID号与芯片手册一致；（2）处理复位信号；

（3）打开写使能，设置相关参数；

（4）检测参数状态是否与写入的一致，参数正确后关闭写使能。

电压电流检测功能的实现流程如下：

（1）设置电压电流检测范围，判定相序状态是否与理论一致（不一致的部分需要调整实际接线相序）；

（2）设置增益参数（此增益主要起标定作用）；

（3）读取相关数据（包括电压大小、电流大小、电功率数值等）。

电压电流值的计算需要注意采样电阻值的大小，不同的电路，对应的采样电阻不一样，会影响最终的计算值。电能的计算需要选取一个EC值，选值范围由测量值的大小决定，测量值与EC值成正比关系（EC值不可超出芯片手册给出的最大值）。

校正功能是RN8302B的一个特色，其实现过程如下：

（1）设定标准源的电压及电流，设定PF为1.0；

（2）根据输入值校准各相的电压、电流的增益；

（3）校准有功功率增益；

（4）电压电流不变的条件下，设定PF为0.5；

（5）根据有功功率的误差，校正功率相位。

4　结语

依据前文所述硬件、软件设计的关键环节，配套相关的常规功能设计，如串口通信、数字量输入输出、模拟量输入、无线通信、音频输出等功能电路，基于SCM620的油田井口控制器在功能和性能上符合预期目标，达到了油田井口控制器应具备的基本功能。同时，在一定程度上可以避免国外芯片供货对产品的生产限制，剔除了产品供货隐患。

油田井口控制器是油田生产过程中收集生产数据的基础性节点控制器，是作为远程控制抽油机启停命令的终端控制角色，其作用十分重要。它通过SCM620为主控平台的功能设计，可实现油田井口控制器的基本功能，并在油田现场得到了实际应用，符合实际需要，具备一定的经济效应。我们未来研究及设计的重点将围绕全设计采用国内芯片及解决方案的落地实现，也会关注数据在传输过程中的安全功能设计和实现，并根据实际需求（偏远独立井场）适时增加4G传输（或北斗传输）功能，丰富产品的应用场景。

作者简介：

伍儒彬（1982-），男，湖北武穴人，高级工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，主要研究方向为嵌入式系统及应用。

刘　星（1981-），男，湖北黄冈人，工程师，硕士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，主要研究方向为物联网设备及应用。

朱润平（1982-），河北张北人，学士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，主要研究方向为嵌入式应用、自动化控制。

韩宏志（1982-），男，黑龙江人，工程师，学士，现就职于昆仑数智科技有限责任公司，从事石油行业数字化转型咨询及项目管理工作。

参考文献：

[1] 王会堂, 王书惠. 彩南油田自动化系统[J]. 新疆石油科技, 1996.

[2] 刘燕峰. POWERLINK在油气田控制器中的应用研究[D]. 西安: 西安石油大学, 2019.

[3] 黄兵, 郭月明, 谢华锋. 一种RTU控制器可扩展功能的软硬件实现方法[J]. 自动化博览, 2014 (3) : 52 - 54.

[4] 郭可为. 中美贸易战: 动机分析与情景推演[J]. 国际经济合作, 2018 (5) : 7.

[5] 联杰国际. DM9051 DATA SHEET[R]. 台湾: 联杰国际, 2015 : 1 - 50

[6] 敖奇. 以太网接口ESD/浪涌保护电路设计[J]. 铁路通信信号工程技术, 2012, 9 (5) : 4.

[7] 锐能微科技. 锐能微RN8302/RN8302B应用笔记[R]. 深圳: 锐能微科技, 2014 : 1 - 24.

摘自《自动化博览》2023年5月刊