企业简介

作为中国自动化领域的权威旗舰网络媒体，控制网创立于1999年7月，是中国举行的第十四届IFAC （International Federation of Automatic Control）大会的中国官方组织机构的唯一指定网站。控制网是中国自动化学会专家咨询工作 委员会（ECC）的秘书处常设之地。是北京自控在线文化传播有限公司开设的网站。

  • 公司类型：其他

联系方式
  • 控制网
  • 地址：北京市海淀区上地十街辉煌国际2号楼1504室
  • 邮编：100085
  • 电话：010-57116291 / 59813326
  • 传真：010-59813329
  • 网址：http://www.kongzhi.net
  • Email：mahongliang@kongzhi.net
  • 联系人：市场部
案例详细
标题基于凌阳SPCE061A的自动投加破乳剂控制系统设计与实现
技术领域
行业
简介本文以凌阳公司16位Flash型单片机SPCE061A为核心，与三菱变频调速器FR―S540结合，设计出一种应用于石油生产过程中破乳剂自动投加系统。
内容
引言
        在石油生产过程中，原油进入沉降罐时，必须投入一定比例的破乳剂以实现油水分离。然而，这种破乳剂的价格昂贵，投加比例的控制直接影响油水分离质量。目前大多采油厂在对破乳剂的投加比例上，主要是凭经验，例如，在一些采油厂，他们用工频交流电机直接驱动加药泵，向沉降罐中加入破乳剂，而各个采油点输入沉降罐的原油量是变化的，因而无法实时控制破乳剂的投加量。故而设计一套可根据原油量的动态变化而动态调节破乳剂投放量的自动投加系统，具有现实意义。
1. 硬件设计
        控制器要测量的是流量计输出脉冲信号，信号进入控制器，经过控制规律计算，控制器输出0～10V的模拟电压，提供给变频器，变频器输出频率控制加药泵（活塞泵）加药速度，从而对破乳剂添加量进行控制。我们选择凌阳公司(Sunplus)开发的16位SPCE061A单片机，它的突出优点是低功耗和功能集成,其中集成有10位DAC，适合于自动信号采集、液晶显示智能化仪器等领域应用。本系统中设计输油管道最多为4路。


图1 破乳剂自动投加装置硬件结构图

1.1 流量计信号(脉冲量)测量单元设计
        安装在输油管道上流量传感器，每转一周发出一定数量的脉冲，控制器通过IO口可以测得脉冲信号，频率范围1～10kHz。
1.2 SPCE061A输出控制变频器单元设计
        将所测得的脉冲信号频率在CPU中经过特定的控制规律计算后，通过SPCE061A内部的DAC模块输出0～3mA的电流，经调理电路输出0～10V模拟电压给变频调速器FR―S540。
1.3 变频调速器FR―S540
        变频调速器FR―S540工作模式为EXT，该模式是利用FR－S540变频调速器的模拟电压输入来控制变频器的输出，模拟电压输入与变频器的输出频率之间呈线性关系，控制信号0～10V模拟电压对应变频器输出频率0～60Hz。
1.4 其它辅助模块设计
       为了便于对控制规律中某些参数的修改以适应现场情况变化的需要，系统中还带有键盘和液晶显示器。当把拨断开关拨到ON端时，系统进入参数修改模式，此时通过矩阵式键盘(4行×5列)，输入流量计的每转流量、各路流量计的每转脉冲数以及控制比例系数等，输入的参数存入单片机内部的Flash中。液晶显示器(240×128)用来显示操作界面，并在修改参数前，显示各输油管道上流量传感器测到的即时频率。
        由于SPCE061A为3.3V供电，而一些芯片需要＋5V或＋24V供电，因此系统中存在三种工作电压，分别由SPY0029、L7805转换提供。I/O口逻辑电平匹配需要特别注意，SPCE061A的I/O口电平与5VTTL电平兼容。
2. 软件设计
        本系统的软件部分采用SPCE061A单片机支持的C以及汇编语言编制而成，因而程序具有简明高效、人机界面友好完备等特点。程序主要由包含控制算法的主程序和用于控制参数设置人机界面程序组成。
2.1 系统控制算法
① 原油的流量计算
        假设流量计每转一转输出的液量为 (单位：升/转)；流量计每转一转输出的脉冲信号数为 (单位：1/转)；流量计传送过来的脉冲信号的频率为 (单位：赫兹)， 为四路流量信号频率之和。
令原油的流量为 ，则有：
  (单位：升/秒)
  (单位：毫升/秒)  (1)
② 活塞泵（加药泵）的工作频率与泵电机电源频率之间的关系
根据活塞泵铭牌上的标称，在50Hz额定电源频率下，活塞泵工作次数为 (单位：次/分)。
我们现假设活塞泵工作次数 随泵电机电源频率 (单位：赫兹) 线性变化，即 。不妨令 ，则有活塞泵的工作频率与泵电机电源频率之间的关系式：
  (单位：次/分)
  (单位：次/秒)  (2)
③ 活塞泵容积的计算
         根据活塞泵铭牌上的标称，在50Hz额定电源频率下，活塞泵的额定流量为 (单位：升/小时)，活塞泵的额定工作次数为 (单位：次/分)。
假设活塞泵的额定体积为 (单位：毫升)，则有
  (单位：毫升)
        实际上，我们并不一定使活塞泵工作在额定工作状态。在本系统中，我们假定活塞泵的工作体积为：
  (单位：毫升)
  (单位：毫升)  (3)
式中α＝1，2，…，10。例如，当α＝5时，表示加药泵工作的实际工作容积为额定容积的十分之五。
④ 活塞泵打药的速率
令活塞泵打药的速率为ｑ，由(2)、(3)式有：
  (单位：毫升/秒)
(单位：毫升/秒)
  (单位：毫升/秒)  (4)
⑤ 破乳剂的浓度以及投放比例
破乳剂的投放比例为：
  (单位：ppm)
  (单位：ppm)
  (单位：ppm)
的单位为ppm，考虑到在CPU中运算的需要，故我们令：
        其中 的取值为大于零的整数，例如当 时，表示加入的破乳剂比例为200ppm。
        在实际操作过程中，投放到原油中的并非纯破乳剂，而是破乳剂与水的混合物，假设我们不考虑破乳剂与水混合后体积的变化，即我们假定在1升破乳剂中加入1升水后的体积为2升，设破乳剂的浓度为 ：
式中破乳剂与水的体积均采用相同的单位，故 不带量纲。
的取值为0～1之间的小数，考虑到在CPU中运算的需要，故我们令
其中 的取值为1～100之间的整数。例如，当L2＝50时，表示破乳剂在混和液中的比例为50%。
所以，
(单位：立方厘米/秒)     
    (单位：立方厘米/秒)
而实际加入的是破乳剂与水的混合物。
所以，
(单位：立方厘米/秒)
而混合物的投放速率即为活塞泵打药的速率为ｑ (单位：立方厘米/秒)。
所以，
  (单位：立方厘米/秒)
由上式与(4)式可得：

  (5)
⑥ 变频器与DAC之间的关系
关系如图所示：
由上图的曲线可得：  (6)
其中 为变频器的输出频率(单位：Hz)， 为D/A转换寄存器中的数值。
根据(5)、(6)式可得：
2.2 主程序流程
        主程序主要完成参数的设置、保存和显示以及控制变频器起停，并实时检测各路流量计的输出脉冲频率，经过控制规律的计算来控制变频器的输出。
流程如下：

图3 主程序流程
2.3 流量计输出脉冲信号的测量
        通过单片机的IO口测量脉冲信号的频率，我们所采用的方法是分时测量的方法，即依次循环检测四路输入信号的频率，四路测量完成后，按控制规律计算输出，然后再测量、计算和输出，这样循环下去。在测量各路脉冲信号的频率时，我们在定时器A中定时，在定时的这段时间内，对脉冲信号的跳变(包括上跳和下跳)进行计数，根据所计得的数值算出频率值。
为减小干扰，我们采用了滑动平均滤波算法。
 
3. 结束语
        该控制系统目前已经成功地应用于长庆油田。实践表明，它具有运行稳定可靠，控制精度高等特点，在设计开发过程中，通过SPCE061A单片机的使用，极大地简化了控制器软、硬件系统的设计，并提高了整个系统的可靠性。
 
参考文献
[1]薛钧义，张彦斌，虞鹤松，樊波。凌阳十六为单片机原理及应用[M]。北京航空航天大学出版社，2003
[2]张培仁，张志坚，高修峰。十六位单片微处理器原理及应用（凌阳SPCE061A）。清华大学出版社，2005
[3]胡寿松。自动控制原理（第四版）。国防工业出版社，2002
[4]刘文生，李锦林。取样技术原理与应用。科学出版社，1981