基于總線控制的鉆機柴油發電機組監控

西安石油大學電子工程學院 張奇志

陜西省鉆機控制技術重點實驗室 康 杰

1.引言

柴油發電機組是油田鉆井設備的重要組成部分，是電動鉆機的動力之源。柴油發電機組的運行狀態直接影響到發電系統的設備性能和電能質量[1]。鉆機控制中心通過觸摸屏、顯示屏、工控機、遠程計算機實現對鉆井設備的監控。所監控的參數主要有：柴油機組運行狀態及參數、發電機運行狀態及參數、變頻器運行狀態及參數、系統操作運行狀態、MCC運行狀態、游車運行狀態和一體化鉆井儀表等。監控中心對各個信號進行集中處理后，通過Profibus總線發送至系統各部分中去。目前，控制中心已可對鉆機及控制單元、驅動及控制單元進行監控，而柴油發電機組及控制單元尚處于獨立狀態。為了完成鉆機控制中心對各個控制單元的工作狀況的監視與綜合控制，需要通過控制中心PLC對柴油發電機組的運行進行監控，準確的采集柴油發電機組運行的各個參數并顯示，根據實際需要對柴油發電機組進行控制和調節。

2.監控系統特點

CAN總線是一種串行多主站控制器局域網總線，具有高級別的安全性，可以有效地支持分布式實時控制，通信速率最高達到1Mbps。CAN總線具有較強的抗干擾能力，能夠在強噪聲干擾和惡劣工作環境中可靠地工作。因此，非常適合應用于柴油發電機組現場。鉆機柴油發電機組的監控是以DSP為核心，其內嵌通信模塊為增強型控制器局域網總線eCAN。eCAN控制器的內部結構是32位，包括CAN協議內核(CPK)、CPU接口、接收控制單元、定時器管理單元、可以存儲32個消息的郵箱存儲器以及控制和狀態寄存器。eCAN總線的標準數據幀長度為44～108b，擴展數據幀的長度為64～128b。此外，根據數據流代碼的不同，標準幀可以擴充23個填充位，擴展幀可以擴充28個填充位，因此，標準幀的最大長度為131b，擴展幀的最大長度為156b，eCAN總線數據的各位主要包括：幀起始位、仲裁區域包括標識符和發送數據的類型、控制區域包括數據的長度、最多8B的數據、循環冗余碼效驗CRC、應答位、幀結束位[2]。

監控系統能夠采集柴油發電機組運行參數，如柴油機的轉速、發電機電壓等信號，并將其發送給控制中心，顯示于監控畫面上。如有異常情況及時發出報警信號，控制中心對采集到的數據進行分析和處理后，將控制信號發送至柴油發電機組控制器，對其工作狀態實時調整。

3.系統總體結構

電動鉆機控制系統包括動力及其控制系統，驅動及其控制系統和MCC配電及其控制系統。其中主控制單元通常采用可編程控制器，由Profibus總線連接柴油發電機組及其控制單元、直流驅動柜或變頻驅動柜、司鉆控制房中的PLC從站、顯示屏和觸摸屏等設備。柴油發電機組的控制器以DSP為核心，通過控制柴油機速度和發電機電壓，使柴油發電機組并網運行，為鉆井現場提供動力及照明電能。

鉆機的各個現場控制單元通過Profibus總線連接到控制中心，實現數據的傳輸，完成監控、報警、參數修改等功能。由于柴油發電機組控制器核心采用內嵌具有CAN通信功能的DSP，需要建立CAN與Profibus的通信模塊，使得柴油發電機組控制器能夠與鉆機主控制單元通信[3]，將柴油發電組的工作狀態實時傳送至主控制單元，控制中心可以實時監視和控制柴油發電機組的工作狀態。鉆機監控系統結構如圖1所示。

4.監控系統硬件設計

4.1 柴油發電機組運行狀態及參數的檢測

TMS320F2812是TI公司推出的32位定點DSP控制器，其頻率高達150MHz，集成了高性能DSP內核、內部Flash存儲器、高精確度模擬外設、數字控制及通信外設等，滿足了監控系統實時和精確的要求。

柴油發電機組的控制單元主要包括柴油機轉速的控制以及發電機電壓的控制。柴油機轉速的檢測環節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對光電編碼器的輸出脈沖進行解碼，從而得到柴油機的轉速[4]。發電機的電壓檢測環節是將發電機輸出的交流電壓經過信號調理、直流采樣后轉換成統一的標準電平信號送給DSP。將柴油發電機的轉速和電壓信號與給定信號進行比較，經過一定的運算后輸出，來控制柴油發電機組的運行，并通過DSP的eCAN模塊將數據傳輸到PLC中進行實時監控。柴油發電機組控制器結構如圖2所示。

4.2 Profibus總線組態與監控

電動鉆機電控系統以Profibus總線方式連接各個單元，以PC機作為PLC主站。在PC機內置一塊CP5611通信卡，通過此模塊與PLC進行數據通信。在Step7中建立一個PC Station，在組態網絡中，OPC服務器建立一個新的連接，本地ID為S7 connection_1，在組態王軟件的設備中新建一個OPC服務器完成S7-300的硬件組態。用組態王軟件開發人機界面，進行各種畫面的組態實現對柴油發電機組運行狀態的監控。

監控系統主要功能：

對柴油發電機組運行狀態的監控。

實時顯示設備運行期間的各種參數（柴油機轉速、發電機三相電壓、三相電流等）。

根據需要對各種參數進行修改和設置。

系統異常狀態的報警與歷史數據的記錄[5]。

4.3 CAN總線接口電路

CAN總線的接口電路主要由CAN總線收發器SN65HVD230構成。SN65HVD230是德州儀器公司生產的3.3VCAN總線收發器，符合ISO11898標準且具有差分的接收和發送能力，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經過隔離后與CAN總線收發器SN65HVD230的D和R端相連，CAN總線再和SN65HVD230的CANH、CANL相連[6]。

5.軟件設計

5.1 eCAN模塊程序設計

eCAN模塊程序主要由模塊的初始化、發送程序和接收程序以及中斷程序組成。在使用eCAN模塊之前，需要對其進行初始化。先將CCR置1使eCAN工作在初始化模式，通過對位時序配置寄存器的配置完成初始化。發送數據時，首先要配置發送郵箱，使能發送郵箱后，將發送寄存器相應的位置為1，就可將該郵箱數據發送至總線；接收數據時，配置相應的接收郵箱并使能，設置相關寄存器，當郵箱接收到數據時，會產生相應的中斷，判斷接收數據的郵箱并讀取數據[7]。eCAN中斷程序主要完成柴油發電機組的相關運行參數的上傳和電控系統PLC的相關指令的接收。eCAN模塊的初始化、發送程序和接收程序流程圖如圖5～6所示。

圖1 鉆機監控系統結構圖

圖2 柴油發電機組控制器結構圖

5.2 CAN節點軟件設計

CAN節點的軟件設計主要由CAN控制器SJA1000的初始化、數據發送和數據的接收組成。首先使SJA1000進入復位模式，然后分別對其各個寄存器進行配置，最后將SJA1000設置進入正常工作模式。

圖3 CAN總線的接口電路圖

圖4 初始化流程

圖5 郵箱發送數據流程

圖6 郵箱接收數據流程

發送數據時，程序把數據存儲區中待發送的數據取出，組成信息幀，并將主機的ID地址填入幀頭，然后將信息幀發送到CAN控制器的發送緩沖區。在接收到主機的發送請求后，發送程序啟動發送命令。信息從CAN控制器到總線是由CAN控制器自動完成的。信息從CAN總線到CAN控制器的接收緩沖區也是由CAN控制器自動完成的。接收程序只需從接收緩沖區讀取信息，并將其存儲子數據存儲區。

6.結束語

本文主要研究了基于CAN總線的鉆機柴油發電機組的監控系統，鉆機柴油發電機組以DSP為控制核心，通過其內嵌的eCAN模塊以及所設計的CAN總線實現柴油發電機組的監控。通過Profibus總線與CAN總線的通信設計將柴油發電機組控制系統與鉆機監控中心結合為一個整體，使鉆機監控系統能夠實時監視和控制柴油發電機組的運行。

本文創新點介紹：針對電動鉆機動力設備的特點，設計了基于CAN總線的柴油發電機組監控系統，將獨立的柴油發電機組加入了監控系統中，實現了鉆機控制中心對控制單元的整體監控。

[1]張奇志,李琳.電動鉆機自動化技術[M].北京:石油工業出版社,2006.

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

[3]祁雪梅,呂修亞,高級,等.虛擬數據采集及處理器設計[J].國外電子測量技術,2006,25(7):27-29.

[4]閆宏亮.TMS320F2812DSP在柴油發電機組頻率測量中的應用[J].現代電子技術,2009(3):103-104.

[5]蘇曉東.發電機組監控檢測系統研制[D].南京理工大學,2002.

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

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