基于国产龙芯 CPU 的气井工业网关研究与设计

Posted 2023-03-04 深圳信迈科技DSP+ARM+FPGA

        当前，我国气田的自动化控制程度还未完全普及，并且与世界已普及的气井站的自 动化程度也存在一定的差距。而在天然气资源相对丰富的国家，开采过程中设备研发资 金投入较大，研发周期较长，更新了一代又一代的自动化开采系统，因此自动化程度越 高，数字监控系统的发展越成熟。 比如国际上最著名的壳牌公司等能源巨头企业，在自动化控制领域已经形成了非常 完备的系统，不仅提高能源产量，而且增加了回报与盈利。因此气井自动化系统的研发 与推广就显得尤为重要。而将国产龙芯 CPU 应用到气井控制器中的研发思路不仅可拓展 龙芯的应用领域，而且也为气井控制器提供了一种新的研发思路。故本研究框架的构思 是一种新的技术革新，对天然气等能源的开发和处理器的应用领域都提出了新的发展方 向。 其次， CPU 的发展代表了信息科技产业的核心技术的发展，同时也是各国军事信息 化的关键部件。前期我国 CPU 芯片研发进展缓慢，主要依赖于外国进口，所以相关产业 的信息化发展也一直受到他国制约，同时进口芯片对国家安全也造成巨大隐患 [7] 。故自 主研发属于中国自主知识产权的 CPU ，带动整个行业的发展迫在眉睫。国产龙芯 CPU 的 成功开发和应用推动了中国信息行业的迅速发展，解决了我国信息产业的 “ 无芯 ” 之困。 利用龙芯芯片的低功耗、价格低廉、执行效率高、适用于野外环境的特性实现对气井的 远程控制，对于我国提升自主研发水平、减轻对国外核心零部件的依赖具有重要意义。 其次在提高我国核心研发能力的同时，也降低了我国天然气开采过程中数据的采集、监 控成本，提高了能源的开发效率。 综上所述，基于龙芯 CPU 的气井控制器研究是一种新的尝试，本文以龙芯为硬件平 台，移植 Linux 操作系统，根据系统需求进行定制，可有效降低软件开发成本。将龙芯 CPU 应用到气井控制器的设计中，对国内龙芯的推广以及气井控制器国产化具有重要的 产业和现实意义。 2.2 系统需求分析 根据对长庆气田的调研发现，目前天然气井场 RTU 主要有以下 3 个主要的应用需 求。 （ 1 ）数据采集与监控需求 本课题以下古天然气气井和上古天然气井为例，下古天然气气藏的主要特点是：含 有二氧化碳、硫化氢等成分，是高碳硫比的干气气藏。气井井口一般采用无阻生产方式， 在井口不进行计量，计量工作由集气站完成，气井生产压力较高，现场一般只采集气井 油压、套压等数据。上古天然气气井主要位于长庆油田苏里格区域，基本不含二氧化碳、 硫化氢等化学成分 [16] ，含有少量 C7+ 以上重烃湿气。除了井口油压、套压的需要采集之 外，还需要采集气井流量、紧急截断阀状态等信息。 （ 2 ）安防的需求 1 ）实现图片采集与上传 由于气井其特殊性，经常处于偏远地区，环境恶劣，因此对于数字化管理来说需要 实现对现场图片的监控和采集上传功能，但是一方面受限于现场通信方式的制约，另一 方面受限于现有气井 RTU 功能限制，图片上传率较低。 2 ）语音告警 采气井一般属于高压危险设备，同时由于气井一般为无人值守，且处于比较偏远的 位置，避免出现当地村民闯入，给井场设备造成损害或者对闯入人员造成人身生命危害， 需要在井场现场安装红外探测装置和语音告警装置。被动红外报警装置与语音告警及图 片抓拍形成一个闭环，实现安防报警触发、告警、抓拍、留存，实现现场留痕和可追溯。 （ 3 ）宽适应性的需求 1 ）仪表类型的多样性 目前在气田应用中，包含多种类型、多种规格、多种厂家、不同协议的仪表产品。 为了适应现场数字化接入需求，气井 RTU 需要具有良好的二次开发功能。 2 ）现场网络的多样性 鉴于气井数据传输的多样性，因此气井 RTU 需要具备丰富的通信端口，能够灵活的 接入多种通信网络，实现数据上传功能。 3 ）供电方式特殊性 气井目前基本上现场没有直接接入工业电，井场设备一般采用风光互补的供电系统， 供电电压 DC24V 。但是由于受气候环境、雨雪天气的影响供电电压不稳定，变幅较大， 因此对气井设备的供电系统设计需要更高的适应性和可靠度。 2.3 系统总体框架设计 本文设计的 RTU 以及选用的安控集成光伏控制器安装于天然气井站附近，监控中心 现场装有主机监控系统，该主机将采集到的天然气井站的实时数据存储在数据库中并进 行分析，从而实现对天然气井站的控制。根据对系统需求分析，本文将采集压力变送器、 气体流量计的数据通过通信端口传入监控中心，实时监控气井站情况，监控中心通过数 据分析进行紧急截断阀控制、图片采集、语音告警等的智能操作，提高气井站的自动化 生产水平。气井站监控系统结构示意图如图 2-2 所示。 根据本文的设计需求，主要设计宽电源端口、模拟量输入端口、 TTS 语音输出端口、 RS232 通信端口、 RS485 通信端口、 4G 通信端口、以太网通信端口等主要端口。气井控 制器系统设计的主要技术参数如表 2-1 所示。

2.4 Loongson 1B 核心板介绍

本文设计的气井控制器的主控模块选择的是深圳信迈设计开发的 Loongson 1B 核心板，该核心板选用龙芯中科技术有限公司的 Loongson 1B 作为主控模 块的主控处理器，核心板上集成 64MB 的 DDR2 SDRAM 存储器、 128MB 的 NAND FLASH 存储器以及 512KB 的 SPI FLASH 存储器，能够满足低价格云终端、数据采集、网络设备等领域的需求[17]。此外，Loongson 1B 核心板的工作电压为 3.3V，该电源由外接电源经气井 RTU 底板上的电源转换电路提供。如图 2-3 所示是 Loongson 1B 核心板实物图，核心板设计参数如表 2-2 所示。 Loongson 1B 是基于 GS232 处理器内核的芯片系统 [18] ，是一款双发射处理器，频率 范围为 200-233MHZ ，最高可配置为 266MHZ 。为了提高流水线工作效率，采用了分支 预测、寄存器重命名、无序发射、路预测指令缓存、非阻塞数据缓存、写入合并采集技 术 [19] 。该 CPU 具有较高的性价比，在工业控制，家庭网关，信息点，医疗设备和安全应 用等领域应用广泛。该处理器的一个比较大的优势为拥有丰富的外设，对 RTU 来说需要 大量的 IO 及通信功能无需通过扩展即可实现，此外，该处理器功耗小，工作状态功率仅 为 0.3-0.5 瓦，节约了很多的成本。

信迈提供龙芯软硬一体解决方案。