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案例頻道引言
在石油生產(chǎn)過程中，原油進(jìn)入沉降罐時(shí)，必須投入一定比例的破乳劑以實(shí)現(xiàn)油水分離。然而，這種破乳劑的價(jià)格昂貴，投加比例的控制直接影響油水分離質(zhì)量。目前大多采油廠在對破乳劑的投加比例上，主要是憑經(jīng)驗(yàn)，例如，在一些采油廠，他們用工頻交流電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)加藥泵，向沉降罐中加入破乳劑，而各個(gè)采油點(diǎn)輸入沉降罐的原油量是變化的，因而無法實(shí)時(shí)控制破乳劑的投加量。故而設(shè)計(jì)一套可根據(jù)原油量的動(dòng)態(tài)變化而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)破乳劑投放量的自動(dòng)投加系統(tǒng)，具有現(xiàn)實(shí)意義。
1. 硬件設(shè)計(jì)
控制器要測量的是流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)，信號(hào)進(jìn)入控制器，經(jīng)過控制規(guī)律計(jì)算，控制器輸出0～10V的模擬電壓，提供給變頻器，變頻器輸出頻率控制加藥泵（活塞泵）加藥速度，從而對破乳劑添加量進(jìn)行控制。我們選擇凌陽公司(Sunplus)開發(fā)的16位SPCE061A單片機(jī)，它的突出優(yōu)點(diǎn)是低功耗和功能集成,其中集成有10位DAC，適合于自動(dòng)信號(hào)采集、液晶顯示智能化儀器等領(lǐng)域應(yīng)用。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)輸油管道最多為4路。
圖1 破乳劑自動(dòng)投加裝置硬件結(jié)構(gòu)圖
1.1 流量計(jì)信號(hào)(脈沖量)測量單元設(shè)計(jì)
安裝在輸油管道上流量傳感器，每轉(zhuǎn)一周發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，控制器通過IO口可以測得脈沖信號(hào)，頻率范圍1～10kHz。
1.2 SPCE061A輸出控制變頻器單元設(shè)計(jì)
將所測得的脈沖信號(hào)頻率在CPU中經(jīng)過特定的控制規(guī)律計(jì)算后，通過SPCE061A內(nèi)部的DAC模塊輸出0～3mA的電流，經(jīng)調(diào)理電路輸出0～10V模擬電壓給變頻調(diào)速器FR―S540。
1.3 變頻調(diào)速器FR―S540
變頻調(diào)速器FR―S540工作模式為EXT，該模式是利用FR－S540變頻調(diào)速器的模擬電壓輸入來控制變頻器的輸出，模擬電壓輸入與變頻器的輸出頻率之間呈線性關(guān)系，控制信號(hào)0～10V模擬電壓對應(yīng)變頻器輸出頻率0～60Hz。
1.4 其它輔助模塊設(shè)計(jì)
1.4 其它輔助模塊設(shè)計(jì)
為了便于對控制規(guī)律中某些參數(shù)的修改以適應(yīng)現(xiàn)場情況變化的需要，系統(tǒng)中還帶有鍵盤和液晶顯示器。當(dāng)把撥斷開關(guān)撥到ON端時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入?yún)?shù)修改模式，此時(shí)通過矩陣式鍵盤(4行×5列)，輸入流量計(jì)的每轉(zhuǎn)流量、各路流量計(jì)的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)以及控制比例系數(shù)等，輸入的參數(shù)存入單片機(jī)內(nèi)部的Flash中。液晶顯示器(240×128)用來顯示操作界面，并在修改參數(shù)前，顯示各輸油管道上流量傳感器測到的即時(shí)頻率。
由于SPCE061A為3.3V供電，而一些芯片需要＋5V或＋24V供電，因此系統(tǒng)中存在三種工作電壓，分別由SPY0029、L7805轉(zhuǎn)換提供。I/O口邏輯電平匹配需要特別注意，SPCE061A的I/O口電平與5VTTL電平兼容。
由于SPCE061A為3.3V供電，而一些芯片需要＋5V或＋24V供電，因此系統(tǒng)中存在三種工作電壓，分別由SPY0029、L7805轉(zhuǎn)換提供。I/O口邏輯電平匹配需要特別注意，SPCE061A的I/O口電平與5VTTL電平兼容。
2. 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)的軟件部分采用SPCE061A單片機(jī)支持的C以及匯編語言編制而成，因而程序具有簡明高效、人機(jī)界面友好完備等特點(diǎn)。程序主要由包含控制算法的主程序和用于控制參數(shù)設(shè)置人機(jī)界面程序組成。
2.1 系統(tǒng)控制算法
① 原油的流量計(jì)算
假設(shè)流量計(jì)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的液量為 
(單位：升/轉(zhuǎn))；流量計(jì)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖信號(hào)數(shù)為 
(單位：1/轉(zhuǎn))；流量計(jì)傳送過來的脈沖信號(hào)的頻率為 (單位：赫茲)， 為四路流量信號(hào)頻率之和。
(單位：升/轉(zhuǎn))；流量計(jì)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)輸出的脈沖信號(hào)數(shù)為 (單位：1/轉(zhuǎn))；流量計(jì)傳送過來的脈沖信號(hào)的頻率為 (單位：赫茲)， 為四路流量信號(hào)頻率之和。令原油的流量為
，則有：
，則有：
(單位：升/秒)
(單位：毫升/秒) (1)② 活塞泵（加藥泵）的工作頻率與泵電機(jī)電源頻率之間的關(guān)系
根據(jù)活塞泵銘牌上的標(biāo)稱，在50Hz額定電源頻率下，活塞泵工作次數(shù)為
(單位：次/分)。
(單位：次/分)。我們現(xiàn)假設(shè)活塞泵工作次數(shù)
隨泵電機(jī)電源頻率
(單位：赫茲) 線性變化，即
。不妨令 
，則有活塞泵的工作頻率與泵電機(jī)電源頻率之間的關(guān)系式：
隨泵電機(jī)電源頻率 (單位：赫茲) 線性變化，即 。不妨令 ，則有活塞泵的工作頻率與泵電機(jī)電源頻率之間的關(guān)系式：
(單位：次/分)
(單位：次/秒) (2)③ 活塞泵容積的計(jì)算
根據(jù)活塞泵銘牌上的標(biāo)稱，在50Hz額定電源頻率下，活塞泵的額定流量為
(單位：升/小時(shí))，活塞泵的額定工作次數(shù)為
(單位：次/分)。
(單位：升/小時(shí))，活塞泵的額定工作次數(shù)為 (單位：次/分)。假設(shè)活塞泵的額定體積為
(單位：毫升)，則有
(單位：毫升)，則有
(單位：毫升) 實(shí)際上，我們并不一定使活塞泵工作在額定工作狀態(tài)。在本系統(tǒng)中，我們假定活塞泵的工作體積為：
(單位：毫升)
(單位：毫升) (3)式中α＝1，2，…，10。例如，當(dāng)α＝5時(shí)，表示加藥泵工作的實(shí)際工作容積為額定容積的十分之五。
④ 活塞泵打藥的速率
令活塞泵打藥的速率為ｑ，由(2)、(3)式有：
(單位：毫升/秒)
(單位：毫升/秒)
(單位：毫升/秒) (4)⑤ 破乳劑的濃度以及投放比例
破乳劑的投放比例為：
(單位：ppm)
(單位：ppm)
(單位：ppm)
的單位為ppm，考慮到在CPU中運(yùn)算的需要，故我們令：
其中 的取值為大于零的整數(shù)，例如當(dāng)
時(shí)，表示加入的破乳劑比例為200ppm。
的取值為大于零的整數(shù)，例如當(dāng) 時(shí)，表示加入的破乳劑比例為200ppm。 在實(shí)際操作過程中，投放到原油中的并非純破乳劑，而是破乳劑與水的混合物，假設(shè)我們不考慮破乳劑與水混合后體積的變化，即我們假定在1升破乳劑中加入1升水后的體積為2升，設(shè)破乳劑的濃度為
：
：式中破乳劑與水的體積均采用相同的單位，故 不帶量綱。
不帶量綱。的取值為0～1之間的小數(shù)，考慮到在CPU中運(yùn)算的需要，故我們令
其中 的取值為1～100之間的整數(shù)。例如，當(dāng)L2＝50時(shí)，表示破乳劑在混和液中的比例為50%。
的取值為1～100之間的整數(shù)。例如，當(dāng)L2＝50時(shí)，表示破乳劑在混和液中的比例為50%。所以，
(單位：立方厘米/秒)
(單位：立方厘米/秒)
(單位：立方厘米/秒) (單位：立方厘米/秒)而實(shí)際加入的是破乳劑與水的混合物。
所以，
(單位：立方厘米/秒)而混合物的投放速率即為活塞泵打藥的速率為ｑ (單位：立方厘米/秒)。
所以，
(單位：立方厘米/秒)由上式與(4)式可得：
(5)
(5)⑥ 變頻器與DAC之間的關(guān)系
關(guān)系如圖所示：
由上圖的曲線可得：
(6)
(6)其中 
為變頻器的輸出頻率(單位：Hz)， 
為D/A轉(zhuǎn)換寄存器中的數(shù)值。
為變頻器的輸出頻率(單位：Hz)， 為D/A轉(zhuǎn)換寄存器中的數(shù)值。根據(jù)(5)、(6)式可得：
2.2 主程序流程
主程序主要完成參數(shù)的設(shè)置、保存和顯示以及控制變頻器起停，并實(shí)時(shí)檢測各路流量計(jì)的輸出脈沖頻率，經(jīng)過控制規(guī)律的計(jì)算來控制變頻器的輸出。
流程如下：
圖3 主程序流程
2.3 流量計(jì)輸出脈沖信號(hào)的測量
通過單片機(jī)的IO口測量脈沖信號(hào)的頻率，我們所采用的方法是分時(shí)測量的方法，即依次循環(huán)檢測四路輸入信號(hào)的頻率，四路測量完成后，按控制規(guī)律計(jì)算輸出，然后再測量、計(jì)算和輸出，這樣循環(huán)下去。在測量各路脈沖信號(hào)的頻率時(shí)，我們在定時(shí)器A中定時(shí)，在定時(shí)的這段時(shí)間內(nèi)，對脈沖信號(hào)的跳變(包括上跳和下跳)進(jìn)行計(jì)數(shù)，根據(jù)所計(jì)得的數(shù)值算出頻率值。
為減小干擾，我們采用了滑動(dòng)平均濾波算法。
3. 結(jié)束語
該控制系統(tǒng)目前已經(jīng)成功地應(yīng)用于長慶油田。實(shí)踐表明，它具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制精度高等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，通過SPCE061A單片機(jī)的使用，極大地簡化了控制器軟、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
參考文獻(xiàn)
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北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)