基于国产龙芯 CPU 的气井工业网关研究与设计（一）

        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。