基于总线控制的油田钻井玉柴发电机组监控

基于总线控制的油田钻井玉柴发电机组监控
　　
　　 玉柴发电机组是油田钻井设备的重要组成部分，是电动钻机的动力之源。柴油发电机组的运行状态直接影响到发电系统的设备性能和电能质量[1]。钻机控制中心通过触摸屏、显示屏、工控机、远程计算机实现对钻井设备的监控。所监控的参数主要有：柴油机组运行状态及参数、发电机运行状态及参数、变频器运行状态及参数、系统操作运行状态、MCC运行状态、游车运行状态和一体化钻井仪表等。监控中心对各个信号进行集中处理后，通过Profibus总线发送至系统各部分中去。目前，控制中心已可对钻机及控制单元、驱动及控制单元进行监控，而柴油发电机组及控制单元尚处于独立状态。为了完成钻机控制中心对各个控制单元的工作状况的监视与综合控制，需要通过控制中心PLC对柴油发电机组的运行进行监控，准确的采集柴油发电机组运行的各个参数并显示，根据实际需要对柴油发电机组进行控制和调节。


　　 2.监控系统特点
　　 CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线，具有 别的安全性，可以有效地支持分布式实时控制，通信速率达到1Mbps。CAN总线具有较强的抗干扰能力，能够在强噪声干扰和恶劣工作环境中可靠地工作。因此，适合应用于柴油发电机组现场。钻机柴油发电机组的监控是以DSP为核心，其内嵌通信模块为增强型控制器局域网总线eCAN。eCAN控制器的内部结构是32位，包括CAN协议内核(CPK)、CPU接口、接收控制单元、定时器管理单元、可以存储32个消息的邮箱存储器以及控制和状态寄存器。eCAN总线的标准数据帧长度为44~108b，扩展数据帧的长度为64~128b。此外，根据数据流代码的不同，标准帧可以扩充23个填充位，扩展帧可以扩充28个填充位，因此，标准帧的长度为131b，扩展帧的长度为156b，eCAN总线数据的各位主要包括：帧起始位、仲裁区域包括标识符和发送数据的类型、控制区域包括数据的长度、 多8B的数据、循环冗余码效验CRC、应答位、帧结束位。
　　 监控系统能够采集柴油发电机组运行参数，如柴油机的转速、发电机电压等信号，并将其发送给控制中心，显示于监控画面上。如有异常情况及时发出报警信号，控制中心对采集到的数据进行分析和处理后，将控制信号发送至柴油发电机组控制器，对其工作状态实时调整。
　　 3.系统总体结构
　　 电动钻机控制系统包括动力及其控制系统，驱动及其控制系统和MCC配电及其控制系统。其中主控制单元通常采用可编程控制器，由Profibus总线连接柴油发电机组及其控制单元、直流驱动柜或变频驱动柜、司钻控制房中的PLC从站、显示屏和触摸屏等设备。柴油发电机组的控制器以DSP为核心，通过控制柴油机速度和发电机电压，使柴油发电机组并网运行，为钻井现场提供动力及照明电能。
　　 钻机的各个现场控制单元通过Profibus总线连接到控制中心，实现数据的传输，完成监控、报警、参数修改等功能。由于柴油发电机组控制器核心采用内嵌具有CAN通信功能的DSP，需要建立CAN与Profibus的通信模块，使得柴油发电机组控制器能够与钻机主控制单元通信，将柴油发电组的工作状态实时传送至主控制单元，控制中心可以实时监视和控制柴油发电机组的工作状态。
　　 4.监控系统硬件设计
　　 4.1 柴油发电机组运行状态及参数的检测
　　 TMS320F2812是TI公司推出的32位定点DSP控制器，其频率高达150MHz，集成了高性能DSP内核、内部Flash存储器、高精确度模拟外设、数字控制及通信外设等，满足了监控系统实时和精确的要求。
　　 柴油发电机组的控制单元主要包括柴油机转速的控制以及发电机电压的控制。柴油机转速的检测环节主要是由光电编码器组成，通过DSP事件管理器EV中的正交编码脉冲电路QEP对光电编码器的输出脉冲进行解码，从而得到柴油机的转速。发电机的电压检测环节是将发电机输出的交流电压经过信号调理、直流采样后转换成统一的标准电平信号送给DSP。将柴油发电机的转速和电压信号与给定信号进行比较，经过一定的运算后输出，来控制柴油发电机组的运行，并通过DSP的eCAN模块将数据传输到PLC中进行实时监控。
　　 4.2 Profibus总线组态与监控
　　 电动钻机电控系统以Profibus总线方式连接各个单元，以PC机作为PLC主站。在PC机内置一块CP5611通信卡，通过此模块与PLC进行数据通信。在Step7中建立一个PC Station，在组态网络中，OPC服务器建立一个新的连接，本地ID为S7 connection_1，在组态王软件的设备中新建一个OPC服务器完成S7-300的硬件组态。用组态王软件开发人机界面，进行各种画面的组态实现对柴油发电机组运行状态的监控。
　　 监控系统主要功能：
　　 对柴油发电机组运行状态的监控。
　　 实时显示设备运行期间的各种参数（柴油机转速、发电机三相电压、三相电流等）。
　　 根据需要对各种参数进行修改和设置。
　　 系统异常状态的报警与历史数据的记录。
　　 4.3 CAN总线接口电路
　　 CAN总线的接口电路主要由CAN总线收发器SN65HVD230构成。SN65HVD230是仪器公司生产的3.3VCAN总线收发器，符合ISO11898标准且具有差分的接收和发送能力，传输速率为1Mb/s。把CAN控制器的出口端CANTX和CANRX经过隔离后与CAN总线收发器SN65HVD230的D和R端相连，CAN总线再和SN65HVD230的CANH、CANL相连[6]。
　　 5.软件设计
　　 5.1 eCAN模块程序设计
　　 eCAN模块程序主要由模块的初始化、发送程序和接收程序以及中断程序组成。在使用eCAN模块之前，需要对其进行初始化。先将CCR置1使eCAN工作在初始化模式，通过对位时序配置寄存器的配置完成初始化。发送数据时，首先要配置发送邮箱，使能发送邮箱后，将发送寄存器相应的位置为1，就可将该邮箱数据发送至总线；接收数据时，配置相应的接收邮箱并使能，设置相关寄存器，当邮箱接收到数据时，会产生相应的中断，判断接收数据的邮箱并读取数据。eCAN中断程序主要完成柴油发电机组的相关运行参数的上传和电控系统PLC的相关指令的接收。
　　 5.2 CAN节点软件设计
　　 CAN节点的软件设计主要由CAN控制器SJA1000的初始化、数据发送和数据的接收组成。首先使SJA1000进入复位模式，然后分别对其各个寄存器进行配置， 后将SJA1000设置进入正常工作模式。
　　 发送数据时，程序把数据存储区中待发送的数据取出，组成信息帧，并将主机的ID地址填入帧头，然后将信息帧发送到CAN控制器的发送缓冲区。在接收到主机的发送请求后，发送程序启动发送命令。信息从CAN控制器到总线是由CAN控制器自动完成的。信息从CAN总线到CAN控制器的接收缓冲区也是由CAN控制器自动完成的。接收程序只需从接收缓冲区读取信息，并将其存储子数据存储区。
　　 6.结束语
　　 本文主要研究了基于CAN总线的钻机柴油发电机组的监控系统，钻机柴油发电机组以DSP为控制核心，通过其内嵌的eCAN模块以及所设计的CAN总线实现柴油发电机组的监控。通过Profibus总线与CAN总线的通信设计将柴油发电机组控制系统与钻机监控中心结合为一个整体，使钻机监控系统能够实时监视和控制柴油发电机组的运行。
　　 本文创新点介绍：针对电动钻机动力设备的特点，设计了基于CAN总线的柴油发电机组监控系统，将独立的柴油发电机组加入了监控系统中，实现了钻机控制中心对控制单元的整体监控。