刘尔康

摘要本文以海上油田生产指挥系统设计为对象，从系统总体构架、系统软件设计等角度展开了研究，提出了海上中继站、油井平台、关键组件之间的通信接口等各子模块的设计思路，并对软件设计的总体结构、初始化模块等的实现方式进行了研究，可为类似系统的设计提供参考。

关键词海上油田；系统设计；软件结构设计

随着我国石油开采逐步向海洋油田方向发展，海上石油生产已经成为我国重要的石油发展战略。但海上石油生产较之于陆上油田具有更高的风险性，在项目建设过程中需要根据油田特性和油田所在环境等相关因素设计符合实际的生产指挥系统，这类问题的研究已经成为当前我国海洋油田安全生产的热点问题之一。海上石油生产系统本质上是一类专门设计的自动化系统，涉及到通讯、网络等技术手段，集成实时监测和采集网络来获取如油压、流量、温度、产液量等与海上油田生产密切相关的生产指挥信息的大型系统。而在油田生产中，各油井平台之间的数据传输是生产指挥系统的关键环节，本文以某海上3座油田远程站为对象，实现通过对其远程监控，对油压实时控制，利用嵌入控制系统为基础设计了一套海上油田生产指挥系统，可有效提高通讯的稳定性和安全性。

1总体构架设计

1.1总体思路

本次设计的海上油田生产指挥系统主要有陆地基地主控系统和海上油井平台测控系统两大部分组成。在陆地基地主控系统方面，其工作流程为接收到海上油井平台数据后，在后台处理接收到的数据并整理，然后在前台展示各油井的生产参数并实时监控，当确定海上油井出现异常情况后，可通过人机界面进行油井安全阀的远程操控，可实施启闭操作。在油井平台测控系统方面，其主要功能是实现对海上油井生产各项生产参数的数据收集、井下安全阀的关闭、以及潜油泵电机的远控，其技术路线为采用无线传感器网络技术，将采集到的信息传输至网关节点，实现油井平台测控系统信息与外界的交互。

1.2实现方式

1）海上中继站

由于海上油田通常都远离海岸，因为为了达到稳定的通讯传输效果一般都需要建立海上通信中继站，以通信中转的方式实现数据传输。其主要技术途径为以无线数字传送电台的TCP/IP式接收油井平台数据，以TCP/IP接入海上中继站网络并进入油田公司局域网。陆基基地主控中心和海上中继站之间的通信流程可概括为陆基基站客户端一监控中心计算机一油田公司网络一海上中继站网络→主MCU→从MCU→无线传输模块→油井监测数据。海上中继站的主要传输的油井监测内容包括：（1）井口压力监测数据。主要内容包括井口油压、回压和套压的实时侦测，依靠安装于井口的无线传感器向工控模块发送数据；（2）安全阀控制。为实现陆上基地对海上油井安全阀的远程关闭，采用继电器和油井井口安全阀控制装置连接的方式，以工控模块控制安全阀的关闭操作，工控模块和油井安全阀为一一对应关系。（3）潜油泵电机控制潜油泵电机的远程调速空值以工业控制机和油井平台的变频器连接为基础，在保留油井平台现场操作功能的前提下，以修改变频器参数的方式来实现潜油泵电机的远程调速控制。

2）海上油井平台测控系统

海上油井平台与陆地基地之间的连接以中继站为中转实现，对海上油井平台各井口（可能一个平台不止一口油井）均监测进口压力、井下温度和压力、并对井下安全阀和潜油泵电机进行调速控制。由于海上油井平台需要接收来自中继站的数据，因此采用3套MCU的方式组件网络，其中主MCU通过RS232的方式的连接电台和无线传输模块，无线传输模块则采集油压、套压和回压数据。MCU1承担采集和传输井下安全阀实时数据的任务，并以无线传输模块来实现与主MCU的连接，MCU2承担采集电泵变频器、井下压力、井下温度等信息的采集，其中电泵变频器数据有RS485实现与MCU2的连接，MCU2与主MCU的连接以CAN总线方式实现。

3）CAN通信设计

由于总线是系统和工控机之间的通信基础，在系统设计中占据重要位置，因此本部分亦简述在总线方面的关键设计概要。在CAN总线设计时主要有两种思路，一是基于微控制器方案，即选择本身集成有CAN控制器的芯片。二是采用独立CAN控制器，但需要依赖于外界微处理器运行。考虑到系统中设备数量多，为节约处理器端口资源并简化接口电路的设计复杂程度，本文中选择第一种方案，即选用自带CAN总线控制器的微型控制器来搭建硬件系统。

4）其他通信接口设计

工控机、变频器以及PC通信时，采用UART0增强型串口，该串口设计方式可支持多处理器通信，以便于实现在系统中存在的全双工异步或半双工同步。工控机和PC之间的通信以RS232为从基础，该接口在实践中得到了广泛应用，很适合于本地设备间的通信且可靠性高，因此本文在设计时采用RS232接口来完成工控机和PC通信。工控机和变频器之间的通信采用RS485通信，采用该设计可支持多点互联，可大幅节约信号线。

2生产指挥系统软件设计

2.1总体结构

在前文基本硬件组成设计的基础上，还需进行系统软件设计，针对海上石油生产中对实时性高的特点，在进行程序设计时采用前台和后台配合的方式，即系统主程序采用前后台接头，循环等待中断，对于各个组成部分采用模块化和结构化设计方法。总体上看，系统软件可分为监控程序和控制程序，在获得实时监控数据的前提下实现对各类硬件设施的有效操控。主要包括的模块有工控机与变频器通信模块、无线模块间通讯、工控机与无线模块通讯控制、传感器A/D采样模块以及主工控机和从工控机之间的通讯模块。若按系统软件的工作流程来看，主要分为系统的初始化模块设计、主MCU程序模块设计以及各MCU程序模块设计。

2.2初始化模块设计

该模块主要完成对系统中涉及到的各硬件设备的初始化。各类初始化内容概括如下：1）看门狗初始化。该初始化主要利用MCU内部系统时钟编程实现；2）I/0交叉开关初始化。该类初始化主要针对单片机，依据配置向导软件来完成I/0管脚配置；3）定时器和计数器的初始化。根据海上油田控制系统的实际情况，在定时器0设置为16位定时器方式，完成定时采样。其中系统采用频率设定为500HZ，定时器串口通信波特率设定为4800bps；4）中断初始化。为中断系统中的中断源按低优先级中断服务程序可被高优先级中断所打断设计、同级中断则按固定的优先级顺序确定得到服务的顺序；5）A/D转换电压基准初始化。该类初始化的转换以软件命令、硬件信号触发等方式来完成连续转换，转换完成后数据由寄存器存储。

2.3主MCU程序模块

主MCU程序模块的主要任务是设备采样、A/D转换以及通过RS232将数据外送以及与其他子MCU之间的监测信息和控制信息的传输与反馈。在字节接收时按接受中断的方式编写，其基本流程为：接收字节→RIO置1→中断处理→RIO软件清零一字节存储一继续读取数据并存储。编程方面的主要步骤是设置变量初值、初始化、开启所有中断以及发送字符给子MCU等环节。

2.4从MCU程序模块

从的主要功能是从主MCU处接受数据和命令，并经由RS232实现数据的无线传输，并由传动机构控制继电器进而操控电磁阀。在编程方面主要是实现变量初值设定、开启中断、判断接收、读取变频器参数及发送信息等步骤。

3结论

海上油田生产指挥系统对于海上油田开采的自动化水平和生产的安全性具有重要意义，本文从系统总体结构和软件结构的角度展开探讨，给出了该系统中主要构件和模块之间的关系，对于类似系统的设计具有参考价值。