西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院 張奇志

陜西省鉆機(jī)控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 康 杰

1.引言

柴油發(fā)電機(jī)組是油田鉆井設(shè)備的重要組成部分，是電動(dòng)鉆機(jī)的動(dòng)力之源。柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)直接影響到發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備性能和電能質(zhì)量[1]。鉆機(jī)控制中心通過觸摸屏、顯示屏、工控機(jī)、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆井設(shè)備的監(jiān)控。所監(jiān)控的參數(shù)主要有：柴油機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、變頻器運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)、系統(tǒng)操作運(yùn)行狀態(tài)、MCC運(yùn)行狀態(tài)、游車運(yùn)行狀態(tài)和一體化鉆井儀表等。監(jiān)控中心對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行集中處理后，通過Profibus總線發(fā)送至系統(tǒng)各部分中去。目前，控制中心已可對(duì)鉆機(jī)及控制單元、驅(qū)動(dòng)及控制單元進(jìn)行監(jiān)控，而柴油發(fā)電機(jī)組及控制單元尚處于獨(dú)立狀態(tài)。為了完成鉆機(jī)控制中心對(duì)各個(gè)控制單元的工作狀況的監(jiān)視與綜合控制，需要通過控制中心PLC對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，準(zhǔn)確的采集柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的各個(gè)參數(shù)并顯示，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)。

2.監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，具有高級(jí)別的安全性，可以有效地支持分布式實(shí)時(shí)控制，通信速率最高達(dá)到1Mbps。CAN總線具有較強(qiáng)的抗干擾能力，能夠在強(qiáng)噪聲干擾和惡劣工作環(huán)境中可靠地工作。因此，非常適合應(yīng)用于柴油發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)。鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控是以DSP為核心，其內(nèi)嵌通信模塊為增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)總線eCAN。eCAN控制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是32位，包括CAN協(xié)議內(nèi)核(CPK)、CPU接口、接收控制單元、定時(shí)器管理單元、可以存儲(chǔ)32個(gè)消息的郵箱存儲(chǔ)器以及控制和狀態(tài)寄存器。eCAN總線的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度為44～108b，擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度為64～128b。此外，根據(jù)數(shù)據(jù)流代碼的不同，標(biāo)準(zhǔn)幀可以擴(kuò)充23個(gè)填充位，擴(kuò)展幀可以擴(kuò)充28個(gè)填充位，因此，標(biāo)準(zhǔn)幀的最大長(zhǎng)度為131b，擴(kuò)展幀的最大長(zhǎng)度為156b，eCAN總線數(shù)據(jù)的各位主要包括：幀起始位、仲裁區(qū)域包括標(biāo)識(shí)符和發(fā)送數(shù)據(jù)的類型、控制區(qū)域包括數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、最多8B的數(shù)據(jù)、循環(huán)冗余碼效驗(yàn)CRC、應(yīng)答位、幀結(jié)束位[2]。

監(jiān)控系統(tǒng)能夠采集柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，如柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)電壓等信號(hào)，并將其發(fā)送給控制中心，顯示于監(jiān)控畫面上。如有異常情況及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，控制中心對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理后，將控制信號(hào)發(fā)送至柴油發(fā)電機(jī)組控制器，對(duì)其工作狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整。

3.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

電動(dòng)鉆機(jī)控制系統(tǒng)包括動(dòng)力及其控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)和MCC配電及其控制系統(tǒng)。其中主控制單元通常采用可編程控制器，由Profibus總線連接柴油發(fā)電機(jī)組及其控制單元、直流驅(qū)動(dòng)柜或變頻驅(qū)動(dòng)柜、司鉆控制房中的PLC從站、顯示屏和觸摸屏等設(shè)備。柴油發(fā)電機(jī)組的控制器以DSP為核心，通過控制柴油機(jī)速度和發(fā)電機(jī)電壓，使柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，為鉆井現(xiàn)場(chǎng)提供動(dòng)力及照明電能。

鉆機(jī)的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元通過Profibus總線連接到控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，完成監(jiān)控、報(bào)警、參數(shù)修改等功能。由于柴油發(fā)電機(jī)組控制器核心采用內(nèi)嵌具有CAN通信功能的DSP，需要建立CAN與Profibus的通信模塊，使得柴油發(fā)電機(jī)組控制器能夠與鉆機(jī)主控制單元通信[3]，將柴油發(fā)電組的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)傳送至主控制單元，控制中心可以實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制柴油發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài)。鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

4.監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)的檢測(cè)

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點(diǎn)DSP控制器，其頻率高達(dá)150MHz，集成了高性能DSP內(nèi)核、內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器、高精確度模擬外設(shè)、數(shù)字控制及通信外設(shè)等，滿足了監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)和精確的要求。

柴油發(fā)電機(jī)組的控制單元主要包括柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的控制以及發(fā)電機(jī)電壓的控制。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)環(huán)節(jié)主要是由光電編碼器組成，通過DSP事件管理器EV中的正交編碼脈沖電路QEP對(duì)光電編碼器的輸出脈沖進(jìn)行解碼，從而得到柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速[4]。發(fā)電機(jī)的電壓檢測(cè)環(huán)節(jié)是將發(fā)電機(jī)輸出的交流電壓經(jīng)過信號(hào)調(diào)理、直流采樣后轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)送給DSP。將柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電壓信號(hào)與給定信號(hào)進(jìn)行比較，經(jīng)過一定的運(yùn)算后輸出，來(lái)控制柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，并通過DSP的eCAN模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。柴油發(fā)電機(jī)組控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 Profibus總線組態(tài)與監(jiān)控

電動(dòng)鉆機(jī)電控系統(tǒng)以Profibus總線方式連接各個(gè)單元，以PC機(jī)作為PLC主站。在PC機(jī)內(nèi)置一塊CP5611通信卡，通過此模塊與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在Step7中建立一個(gè)PC Station，在組態(tài)網(wǎng)絡(luò)中，OPC服務(wù)器建立一個(gè)新的連接，本地ID為S7 connection_1，在組態(tài)王軟件的設(shè)備中新建一個(gè)OPC服務(wù)器完成S7-300的硬件組態(tài)。用組態(tài)王軟件開發(fā)人機(jī)界面，進(jìn)行各種畫面的組態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)主要功能：

對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。

實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行期間的各種參數(shù)（柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)三相電壓、三相電流等）。

根據(jù)需要對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置。

系統(tǒng)異常狀態(tài)的報(bào)警與歷史數(shù)據(jù)的記錄[5]。

4.3 CAN總線接口電路

CAN總線的接口電路主要由CAN總線收發(fā)器SN65HVD230構(gòu)成。SN65HVD230是德州儀器公司生產(chǎn)的3.3VCAN總線收發(fā)器，符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)且具有差分的接收和發(fā)送能力，最高傳輸速率為1Mb/s。CAN總線的接口電路如圖3所示。把CAN控制器的出口端CANTX和CANRX經(jīng)過隔離后與CAN總線收發(fā)器SN65HVD230的D和R端相連，CAN總線再和SN65HVD230的CANH、CANL相連[6]。

5.軟件設(shè)計(jì)

5.1 eCAN模塊程序設(shè)計(jì)

eCAN模塊程序主要由模塊的初始化、發(fā)送程序和接收程序以及中斷程序組成。在使用eCAN模塊之前，需要對(duì)其進(jìn)行初始化。先將CCR置1使eCAN工作在初始化模式，通過對(duì)位時(shí)序配置寄存器的配置完成初始化。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先要配置發(fā)送郵箱，使能發(fā)送郵箱后，將發(fā)送寄存器相應(yīng)的位置為1，就可將該郵箱數(shù)據(jù)發(fā)送至總線；接收數(shù)據(jù)時(shí)，配置相應(yīng)的接收郵箱并使能，設(shè)置相關(guān)寄存器，當(dāng)郵箱接收到數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的中斷，判斷接收數(shù)據(jù)的郵箱并讀取數(shù)據(jù)[7]。eCAN中斷程序主要完成柴油發(fā)電機(jī)組的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的上傳和電控系統(tǒng)PLC的相關(guān)指令的接收。eCAN模塊的初始化、發(fā)送程序和接收程序流程圖如圖5～6所示。

圖1 鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 柴油發(fā)電機(jī)組控制器結(jié)構(gòu)圖

5.2 CAN節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

CAN節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要由CAN控制器SJA1000的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)的接收組成。首先使SJA1000進(jìn)入復(fù)位模式，然后分別對(duì)其各個(gè)寄存器進(jìn)行配置，最后將SJA1000設(shè)置進(jìn)入正常工作模式。

圖3 CAN總線的接口電路圖

圖4 初始化流程

圖5 郵箱發(fā)送數(shù)據(jù)流程

圖6 郵箱接收數(shù)據(jù)流程

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，程序把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中待發(fā)送的數(shù)據(jù)取出，組成信息幀，并將主機(jī)的ID地址填入幀頭，然后將信息幀發(fā)送到CAN控制器的發(fā)送緩沖區(qū)。在接收到主機(jī)的發(fā)送請(qǐng)求后，發(fā)送程序啟動(dòng)發(fā)送命令。信息從CAN控制器到總線是由CAN控制器自動(dòng)完成的。信息從CAN總線到CAN控制器的接收緩沖區(qū)也是由CAN控制器自動(dòng)完成的。接收程序只需從接收緩沖區(qū)讀取信息，并將其存儲(chǔ)子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。

6.結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了基于CAN總線的鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)，鉆機(jī)柴油發(fā)電機(jī)組以DSP為控制核心，通過其內(nèi)嵌的eCAN模塊以及所設(shè)計(jì)的CAN總線實(shí)現(xiàn)柴油發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控。通過Profibus總線與CAN總線的通信設(shè)計(jì)將柴油發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)與鉆機(jī)監(jiān)控中心結(jié)合為一個(gè)整體，使鉆機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視和控制柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。

本文創(chuàng)新點(diǎn)介紹：針對(duì)電動(dòng)鉆機(jī)動(dòng)力設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的柴油發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)，將獨(dú)立的柴油發(fā)電機(jī)組加入了監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)控制中心對(duì)控制單元的整體監(jiān)控。

[1]張奇志,李琳.電動(dòng)鉆機(jī)自動(dòng)化技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2006.

[2]蘇奎峰等編著.TMS320F2812原理與開發(fā)[M].電子工業(yè)出版社,2005.

[3]祁雪梅,呂修亞,高級(jí),等.虛擬數(shù)據(jù)采集及處理器設(shè)計(jì)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2006,25(7):27-29.

[4]閆宏亮.TMS320F2812DSP在柴油發(fā)電機(jī)組頻率測(cè)量中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009(3):103-104.

[5]蘇曉東.發(fā)電機(jī)組監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)研制[D].南京理工大學(xué),2002.

[6]SN65HVD230 Data Sheet[Z].Texas Instruments,2003.

[7]唐苗,吳旭光等.eCAN模塊與SJA1000的應(yīng)用比較[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2005,53(5):47-49.