水下電子模塊嵌入式控制技術(shù)研究

劉佩森，李 磊，梁春平，劉啟蒙

(1.成都工業(yè)學(xué)院，四川成都 611730；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)中心，陜西寶雞 721002)

0 引言

在深海油氣開發(fā)過程中，除了興建大量的水面油氣生產(chǎn)平臺外，水下生產(chǎn)系統(tǒng)也已成為深海海洋工程技術(shù)的重要組成[1]。水下采油樹安裝于海底井口處，通過控制采油樹管線上的閥門，來控制整個采油系統(tǒng)的流程。水下控制模塊(subsea control module，SCM)是水下采油樹的復(fù)合電液控制系統(tǒng)，具有較高的技術(shù)難度和研究價值。水下電子模塊(subsea electronic module，SEM)是水下控制模塊的核心電控部件，是水下采油樹的關(guān)鍵技術(shù)之一?；谶@一背景，選取水下電子模塊硬件系統(tǒng)為研究對象，提出基于嵌入式控制技術(shù)的實現(xiàn)方案，研制一種性價比高、穩(wěn)定性好的水下電子模塊。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

水下采油樹電控系統(tǒng)由水上控制單元和水下控制單元組成。水下控制單元即水下電子模塊，主要完成與水上控制單元的遠距離通訊，水下電磁閥的控制，水下傳感器信號的采集和處理以及系統(tǒng)環(huán)境與狀態(tài)監(jiān)測等功能。由于工作環(huán)境特殊，并且應(yīng)用在石油石化領(lǐng)域，因此設(shè)計時遵循GB/T4798.6- 2012 (環(huán)境條件分類 環(huán)境參數(shù)組分類及其嚴酷程度分級 船用)[2]和API 17F-2014(Standard for Subsea Production Control System)[3]等標準規(guī)范。

水下電子模塊需要接收水上控制單元的命令，同時需要將海底監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給水上控制單元，設(shè)計滿足1 500 m水深，即水下電子模塊需要具備遠距離通訊技術(shù)。水下使用的電磁閥均為深海電液換向閥，可分為單電控和雙電控兩種。單電控用于節(jié)流閥步進執(zhí)行機構(gòu)的運動控制，可以利用設(shè)定步長的脈沖驅(qū)動電磁鐵；雙電控用于控制雙向運動能力的液壓閘閥，并且增加了液壓鎖定功能[4]。對電液換向閥的控制，需要水下電子模塊具備脈沖控制技術(shù)。水下電子模塊監(jiān)測用的傳感器均為深海傳感器，主要用于監(jiān)測壓力值和溫度值，包括模擬量傳感器和數(shù)字量傳感器，模擬量傳感器輸出信號為標準的4～20 mA信號，數(shù)字量傳感器輸出信號為標準RS485串口信號，即水下電子模塊需要具備模擬量和數(shù)字量采集技術(shù)。

根據(jù)控制需求和控制對象的特點，最終確定水下電子模塊包括6大模塊，即水下主控模塊、水下調(diào)制解調(diào)模塊、電磁閥控制模塊、模擬量數(shù)據(jù)采集模塊、串口通訊模塊和水下電源模塊。圖1給出了水下電子模塊總體設(shè)計方案圖。

圖1 水下電子模塊總體設(shè)計方案圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

水下電子模塊的實現(xiàn)包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，本文選取硬件設(shè)計為研究對象。硬件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，即按照功能將硬件分成各個模塊，借鑒成熟的設(shè)計逐一實現(xiàn)。模塊化設(shè)計思路清晰、易于查錯和更改、有利于擴充新功能[5]。元器件的選型是硬件設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一，不僅關(guān)系到生產(chǎn)成本、開發(fā)周期，還直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量。水下電子模塊硬件設(shè)計遵循“適當硬件配置，統(tǒng)一設(shè)計風(fēng)格”原則。在硬件選型上，不追求高配選適配，以獲得高性價比的產(chǎn)品。統(tǒng)一設(shè)計風(fēng)格要求在硬件選型上、電路板設(shè)計上遵循統(tǒng)一的風(fēng)格。在主控芯片選型中，選擇A3P系列FPGA芯片，充分利用其高性價比、豐富的外設(shè)、可獨立處理總線通訊和信號采集等優(yōu)勢。

2.1 水下主控模塊

水下主控模塊是水下電子模塊的核心，主要負責(zé)接收并執(zhí)行水上控制單元發(fā)送的命令，按照需要將采集的信息回傳至水上控制單元，并且當通訊中斷時，主控權(quán)切換至水下主控制模塊，水下主控制模塊將按照既定的工作流程獨立控制水下各個模塊。水下主控模塊對芯片的性能和處理速度要求高，確定選用“FPGA+DSP”的基本架構(gòu)。FPGA主要負責(zé)通信功能，包括與水下各個模塊的通訊，采用CAN總線的方式；與水上主控單元通訊，采用RS485串口通信的方式。DSP主要負責(zé)數(shù)據(jù)的處理，包括傳感器采集回傳的數(shù)據(jù)、各板卡監(jiān)測的數(shù)據(jù)等。DSP與FPGA之間通過外部存儲器接口(EMIF)連接，兩者的結(jié)合有效地降低了處理器的負荷，提高了運算效率和響應(yīng)速度[6]。

FPGA選用A3P250芯片。DSP選用主流高性能芯片TMS320C 6713，是32位浮點型DSP，主頻最高可達300 MHz。外擴FLASH存儲模塊，用于存儲離線數(shù)據(jù)，選用128GB容量的MT29F128G08芯片；外擴網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，用于網(wǎng)絡(luò)通訊與實驗室調(diào)試，選用單片網(wǎng)絡(luò)接口W5100芯片；外擴CAN總線通訊模塊，用于與水下各板卡通訊，選用CAN總線控制芯片MCP2515和隔離式CAN收發(fā)器ISO1050；外擴ADC模塊，用于模數(shù)轉(zhuǎn)換，用于轉(zhuǎn)換溫度與氣壓傳感器(用于水下電子模塊倉體內(nèi)的環(huán)境監(jiān)測)的數(shù)據(jù)，選用8通道18位精度的差分A/D芯片AD7606芯片。圖2給出了水下主控模塊原理框架圖。

2.2 水下調(diào)制解調(diào)模塊

水上控制單元使用臍帶纜將電力線纜和通訊線纜輸送到水下控制單元，按照設(shè)計要求需要實現(xiàn)1 500 m距離的通訊，遠距離通訊技術(shù)是水下電子模塊的技術(shù)難點。為了保證遠距離通訊的可靠性和穩(wěn)定性，使用抗干擾能力強和抗衰退性能好的二進制頻移鍵控(2FSK)技術(shù)來保證RS485串口數(shù)據(jù)遠距離的傳輸[7-8]。調(diào)制解調(diào)模塊在系統(tǒng)中成對使用，包括水上與和水下調(diào)制解調(diào)模塊，兩者設(shè)計原理完全相同。遠距離通訊采用雙余度通訊，使用“一用一備，自主切換”的設(shè)計，增加了通訊的可靠性。

調(diào)制解調(diào)模塊選用A3P600作為主控芯片，F(xiàn)PGA實現(xiàn)RS485串口數(shù)據(jù)與FSK數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，并完成通道的余度管理。外擴RS485收發(fā)模塊選用MAX3486芯片；外擴調(diào)制模塊選用波形發(fā)生器AD9833芯片和模擬調(diào)制電路；外擴解調(diào)模塊選用FSK解調(diào)器NJM2211芯片。圖3給出了水下調(diào)制解調(diào)模塊原理框架圖。

2.3 電磁閥控制模塊

電磁閥控制模塊用于控制電液換向閥，水下采油樹使用電液換向閥均為24 V DC電壓驅(qū)動型電磁閥。按照控制需求，電磁閥控制模塊實現(xiàn)了40路24 V DC的輸出，且每路輸出時長可控，可控時長為0.25 s×n(1≤n≤65 535)。為了確保上電安全，每次輸出時應(yīng)先通過驅(qū)動線路發(fā)出一個150 μs的確認脈沖信號，由驅(qū)動電路板檢測反饋信號是否正常，檢測到短路或斷路時，拒絕執(zhí)行驅(qū)動動作，并通過水下主控制模塊向水上主控模塊發(fā)出報警信號。

圖2 水下主控模塊原理框架圖

電磁閥控制模塊選用A3P600作為主控芯片，F(xiàn)PGA實現(xiàn)與水下主控模塊的CAN總線通訊，控制對應(yīng)通道的電磁閥及輸出時長，并在輸出前檢測信號是否正常并通報水下主控模塊。外擴電磁閥驅(qū)動模塊用于40路24 V DC的激勵，選用電源開關(guān) BT S4141芯片；外擴電流采集模塊與ADC模塊，用于監(jiān)測反饋信號，選用電流監(jiān)測芯片AD8212和A/D采樣芯片AD7606；外擴EEPROM模塊，用于CAN總線協(xié)議存儲，選用AT24C64D芯片；外擴CAN總線通訊模塊，用于與水下主控模塊通訊，選用CAN總線控制芯片MCP2515和隔離式CAN收發(fā)器ISO1050。圖4給出了電磁閥控制模塊原理框架圖。

圖4 電磁閥控制模塊原理框架圖

2.4 模擬量數(shù)據(jù)采集模塊

模擬量數(shù)據(jù)采集模塊用于模擬量傳感器的數(shù)據(jù)采集。水下采油樹使用的溫度和壓力傳感器均為電流型傳感器，輸出信號為標準的兩線制4～20 mA信號。每塊模擬量數(shù)據(jù)采集板實現(xiàn)14路模擬量數(shù)據(jù)的采集，并采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)需要配置模擬量數(shù)據(jù)采集板的數(shù)量。

模擬量數(shù)據(jù)采集模塊選用A3P250作為主控芯片，F(xiàn)PGA實現(xiàn)與水下主控模塊的CAN總線通訊，并按照命令完成對應(yīng)通道的激勵與數(shù)據(jù)采集。外擴通道選擇模塊與ADC模塊，用于14路通道的選擇、信號采集、激勵監(jiān)測和A/D轉(zhuǎn)換[9]，選用通道選擇芯片ADG408，選用高性能A/D采樣芯片AD7671；外擴EEPROM模塊，用于CAN總線協(xié)議存儲，選用AT24C64D芯片；外擴CAN總線通訊模塊，用于與水下主控模塊通訊，選用CAN總線控制芯片MCP2515和隔離式CAN收發(fā)器ISO1050。圖5給出了模擬量數(shù)據(jù)采集模塊原理框架圖。

圖5 模擬量數(shù)據(jù)采集模塊原理框架圖

2.5 串口通訊模塊

串口通訊模塊用于數(shù)字量傳感器的數(shù)據(jù)采集，主要用于水下壓力溫度傳感器(DHPT)等監(jiān)測。串口通訊模塊實現(xiàn)了6路RS485信號的通訊與電源激勵。串口通訊模塊選用A3P600作為主控芯片，F(xiàn)PGA實現(xiàn)與水下主控模塊的CAN總線通訊，對應(yīng)通道傳感器的激勵與數(shù)據(jù)采集。外擴通道選擇模塊與A/D模塊，用于6路通道的選擇、激勵監(jiān)測和A/D轉(zhuǎn)換，選用通道選擇芯片ADG408，選用高性能A/D采樣芯片AD7671；外擴RS485收發(fā)模塊，選用MAX3486芯片；外擴CAN總線通訊模塊，用于與水下主控模塊通訊，選用CAN總線控制芯片MCP2515和隔離式CAN收發(fā)器ISO1050。

2.6 水下電源模塊

水下電源模塊用于水下電子模塊的供電。水下電源來源于水上電源系統(tǒng)，通過臍帶纜傳輸?？紤]到水下供電的重要性，在設(shè)計時均考慮供電冗余[10]，即水上電源系統(tǒng)有兩套獨立供電設(shè)備，同時為水下控制單元供電，并且具備自主切換的功能。水下電源模塊包括電源整流板和電源變壓板。電源整流板用于將輸送到水下的交流電整流為直流電，設(shè)計選用寬壓輸入的整流芯片KBPC106，并選用共模扼流圈RN214，用于減少電磁干擾。電源變壓板用于將整流板處理后的直流電轉(zhuǎn)換為水下電子模塊需要的24 V DC和5 V DC，設(shè)計選用寬壓輸入的變壓芯片MDCM270P280M500A40。同時外擴了電源監(jiān)測模塊，對輸入與輸出電源進行實時監(jiān)測，并將監(jiān)測值通過串口發(fā)送給水下主控模塊。

3 實驗室測試

完成水下電子模塊硬件設(shè)計和軟件調(diào)試階段后，進入到實驗室測試階段。實驗室測試主要目的是對水下電子模塊的功能和穩(wěn)定性進行驗證，并為工業(yè)現(xiàn)場測試提供數(shù)據(jù)支撐以及積累經(jīng)驗。為了更好地在實驗室內(nèi)驗證水下電子模塊實現(xiàn)的功能，設(shè)計了便于安裝和調(diào)試的實驗盒，水下各板卡之間連線均通過實驗盒背板連接，對外連線均由轉(zhuǎn)接盒接出。圖6給出實驗盒、轉(zhuǎn)接盒實物圖。

圖6 實驗盒、轉(zhuǎn)接盒實物圖

實驗室測試時，使用萬用表、示波器、電流源等儀器，并開發(fā)了專用的測試軟件。對水下電子模塊進行了大數(shù)據(jù)測試和長時工作測試，測試結(jié)果合格。對各個電路板的功能進行了測試，測試結(jié)果合格。表1給出電磁閥控制板的輸出電壓和時長測試報表(選取部分通道)，表2給出模擬量數(shù)據(jù)采集板的電流采集測試報表。

4 工業(yè)現(xiàn)場測試

完成實驗室測試后，進入工業(yè)現(xiàn)場測試階段?，F(xiàn)場測試前，首先檢查水下電子模塊內(nèi)部與外部接線的正確性。然后給水下電子模塊上電，通過遠程監(jiān)控軟件判斷通訊是否連接。確定通訊連接無誤后，通過遠程監(jiān)控軟件給水下電子模塊發(fā)送命令，并監(jiān)控反饋狀態(tài)與數(shù)值。經(jīng)現(xiàn)場測試，研制的水下電子模塊滿足了控制需求，達到了測試效果。圖7給出了工業(yè)現(xiàn)場測試圖。

表1 電磁閥控制板輸出電壓和時長測試報表

表2 模擬量數(shù)據(jù)采集板的電流采集測試報表

圖7 工業(yè)現(xiàn)場測試圖

5 結(jié)束語

本文以水下電子模塊硬件系統(tǒng)為研究對象，在充分了解其控制需求的基礎(chǔ)上，確定采用嵌入式控制技術(shù)來實現(xiàn)水下電子模塊的研制。硬件系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，大量使用FPGA控制芯片。選用主流的A3P系列FPGA芯片，充分利用其高性能、高穩(wěn)定性和靈活開發(fā)的優(yōu)勢。水下主控模塊是水下電子模塊的核心，采用“FPGA+DSP”的架構(gòu)來保證水下主控模塊的性能需求。水下電子模塊各電路板經(jīng)出廠測試，性能均達到了預(yù)期的指標，并且具有性能穩(wěn)定、可靠性高的特點。隨著光纖通訊技術(shù)應(yīng)用的日益普遍，在進一步的研究中，將逐步考慮將RS485串口通訊升級為通訊速率更快速的光纖通訊，以適應(yīng)數(shù)據(jù)量更大、實時性要求更高的新系統(tǒng)。