输油泵站机泵控制系统Word文档格式.docx
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关键词:
输油泵站;
单片机;
控制;
自动化;
仿真
ABSTRACT
Traditionaloilpumpingstationpumpingstationunattendedandsubstantialcostsforartificial.ThecompetentauthoritiescannotKeeppumpingstation.Thepumpingstationthehiddenequipmentcannotbefound.Inordertoimprovemanagementefficiency,wedesignedapumpingstationunattendedmonitoringstationsrunstate,centralizedmanagementofthepumpingstationautomaticcontrolsystem.
Thisdesignusesamicrocontrollerasthecontrolcoreoftheautomaticcontrolsystem.Theactualoperationoftheoilpumpingstationdesignthehardwareandsystemsoftwaretoautomaticallycontrolthetemperatureandpressureofthepipeline.Thisautomaticcontrolsystembytemperaturesensorsandpressuresensorscapturepotentialdata,thedataistransmittedthroughtheA/DconvertermoduletothethemicrocontrollerAT89C51systemdataprocessing.AnalogintodigitaldataobtainedintheliquidcrystaldisplayontheLCDdisplay.Theregulationofthetemperaturevaluesandpressurevaluescanberealizedthroughthebutton.LEDandbuzzeralarmsystem.ThesoftwareportionofthedesigniscompletedbytheClanguage,thesoftwaredesignisdividedintothemainprogram,A/Dconversionprocess,horseracelampprogram,displayprogram,toachieveautomaticcontrolofoilpumpingstation,withthesimulationcanviewthisintuitivesystemfunctions.
Inthispaper,thedesignoftheoilpumpingstationpumpcontrolsystemischaracterizedbylowcost,highefficiencymanagementcanbeachievedtheoillineworkingconditionmonitoring.
Keywords:
Oilpumpstation;
SCM;
Control;
Automation;
simulation
1绪论
1.1研究目的及意义
随着现代工业的进一步发展和全球化趋势的加强,世界对资源的需求在不断增加,作为目前最重要的能源之一----石油,为经济的发展及社会的进步提供了动力。
石油产业是现代文明发展的支柱,是国家的命脉所在,在国民经济中占有非常重要的地位,石油的质量和产量关系着国家生产部门的方方面面。
相比发达国家,我国石油工艺水平、生产技术手段及管道运输起步较晚,自动化管理水平较低。
输油泵站是长输管线的主要组成部分之一。
其任务是提供油流一定的能量(包括压力能、热力能),以使油品保质保量、安全经济的输送到目的地。
目前国内输油泵站数量较多且大部分处于偏远地区,位置分散,环境恶劣,交通不便,主管部门和监控部门对输油泵站的工作状态和输油管道的监测难度很大。
目前国内主要使用传统的人工定期巡检、巡查的方式对输油管道进行监测,导致在具体实施的过程中存在着较大的误差,监测流程复杂,监测周期较长,监测费用高等很多缺点,在技术上,经济上都不能适应管道监测的自动化、信息化发展的要求。
由于没有一种有效可行的现场设备的网络化监测管理系统,输油管道的监测秩序得不到安全、有效的保护,监测设备维护管理操作混乱,设备故障得不到及时的修复,这成为油田生产企业的一个重大难题。
由于输油管道分布范围广而且数量多,人工监测方式必定会使人员劳动强度加重,并且影响了输油管道数据采集的实时性和准确性,给输油管道的监测和数据的统计带来了许多不便。
因此,国内各大输油泵站需要一种低成本、高效率的自动控制系统,来解决实际生产问题。
1.2国内研究现状
我国管道自动化随着输送工艺、计算机应用、通信技术、自控技术的不断发展,经历了一个由低级向高级的发展过程。
80年代中期以来,我国先后在几条改建、新建的管道上实现自动化监控。
通过引进国外先进技术及自行设计改造等方式,使我国输油管道自动化监控技术逐步提高,缩短了与国外的差距。
90年代,我国长输管道广泛地采用SCADA系统进行全线监视、生产管理、调度及控制。
新建的管道,如抚顺——营口成品油管道、轮南——库尔勒输油管道及复线、库尔勒——部善输油管道等均采用SCADA系统,管道自动化控制系统与管道同步投产。
我国长输管道的自动化水平有了很大的提高。
目前我国自行研制成功5000kW微机控制直接式原油加热炉,接近国际先进水平,加热炉效达91%。
输油管道用的5000kW及以下的加热炉己形成标准系列,己在东北、华北输油管道上广泛应用。
最大加热能力已达8000kW。
我国石油工业的不断发展,促进和带动了原油储运技术的进步。
目前我国已掌握了国际上通用的常温输送、加热输送、加剂输送、顺序输送、间歇输送及密闭输送等各种先进的管输工艺。
特别在高凝点、高枯度、高含蜡原油的加热输送,原油热处理以及加剂输送等方面己达国际水平。
同时输送工艺的进步也对设备材料的制造提出了更高的要求,通过不断的摸索与实践,使我国在埋地金属管道和储罐的防腐保温、阴极保护和腐蚀探测等研究领域也接近国际水平[1]。
1.3国外研究现状
目前,世界范围内的高粘、易凝原油管道长距离输送基本上仍是采用加热和稀释两种工艺。
针对现役管道输量逐年下降,稠油开采日益增多,以提高管道运行安全性、节能降耗为目的的各种新技术、组合工艺的研究日益成为热点,象物理场处理(磁处理、振动降粘)、水输(液环、悬浮、乳化)、器输(滑箱、膜袋)、充气降粘(充饱和气增加输量)、混输和顺序输送等等多种工艺的研究,有些己进入工业试验与短距离试输阶段。
总体来说,国外原油管道的输送工艺正朝着多元化和新型化的方向发展。
国外先进的原油管道普遍采用密闭输送工艺、高效加热炉和节能型输油泵;
运用高度自动化的计算机仿真系统模拟管道运行和事故工况,进行泄漏检测,优化管线的调度管理;
对现役管道定期进行安全检测和完整性评价。
例如:
美国的全美管线就是世界上最先进的一条热输原油管道,全长2715km,管径760,,全线采用计算机监控和管理系统(SCSS),在控制中心的调度人员通过计算机可实现管道流量、压力及泵、炉、阀等设备的自动控制,仿真系统软件可完成泄漏检测、定位、设备优化配置、运行模拟等功能。
世界各国尤其是盛产含蜡粘性原油的大国,都在大力进行长距离管道常温输送工艺的试验研究。
随着含蜡高粘原油开采量的增加以及原油开采向深海发展,各国都特别重视含蜡高粘原油输送及流动保障技术研究。
挪威、法国、英国、美国等石油工业发达国家在含蜡高粘原油流变性及其机理、管道蜡沉积预测等方面达到很高水平,并即将带来应用技术的新突破[1]。
1.4本文的主要研究内容
本设计是一个输油泵站自动控制系统,主要任务是长距离的输油管线进行实时数据采集和控制。
硬件上要求各测控站点之间有远程传感检测装置,如温度传感器压力传感器,而且要有远程控制装置,如泵站的启停、报警、加热装置等。
在总站上可以直观地了解控制各泵站的信息数据。
本系统的研发主要包括了系统硬件和系统软件的设计。
硬件的设计主要包括了各个功能模块的方案论证和电路设计;
软件设计主要包括主程序、LCD显示、A/D转换等子程序编制。
本系统的主要设计内容是以单片机系统为核心,结合现代通信技术,设计相应的硬件电路和系统软件实现对输油泵站的自动控制和无线监测。
采集传感器电位,通过电位放大后进行A/D转换,同时把数据上传给单片机进行处理分析。
电位精度达到0.5%,根据技术指标,硬件设计工作主要包括:
中央处理器设计、A/D转换电路设计、LCD液晶显示电路设计、时钟电路设计、跑马灯显示设计;
在软件方面则是利用单片机组成控制系统,编程实现温度、压力的数据输入、A/D数据转换及液晶显示等功能。
2设计需求
2.1系统的功能需求与技术指标
本次毕业设计系统的功能要求及技术指标:
(1)使用5VDC供电。
(2)环境温度:
-15~+60摄氏度。
(3)电位精度达到:
0.5%。
(4)实时数据显示。
(5)超过阀值自动报警,停止工作。
(6)可手动设置数据。
(7)系统具有仿真功能和良好的可视性。
2.2系统的总体设计方案
2.2.1输油泵站工作原理
油气集输是把油、气田生产的原油和天然气收集起来,通过计量、初加工(净化、稳定)和输送的全过程。
其任务是供给油流一定的能量(包括压力能、热力能),以使油品保质保量、安全经济的输送到目的地。
输油站按所处位置分为首站、中间站和末站,中间站按其功能还可分为加热站(只能提供热能)、加压站(只能提供压能)及热泵站(既提供热能又提供压能)。
首站:
是长输管线的起始站。
主要任务是接收来油,经计量后,加压加热向下站输送。
首站设有输油机泵和加热装置,还设置较大容积的储油罐,以满足计量及调节来油与输油间不平衡的需要。
中间站:
是长输管线沿途设置的输油站。
其主要任务是对所输油品按工艺要求供给一定的能量,使油品继续流动。
末站:
是长输管线的终点站。
主要任务是接收输油管线所输的全部油品,经过计量后将油储存起来或直接把油品输给用油单位,或以其它运输方式转运给用户。
2.2.2系统设计流程图
根据系统功能的要求和系统构成的需要其总体设计方案如图1所示。
系统硬件组成分为以下几个部分:
A/D转换电路、液晶显示电路、时钟电路、报警电路、跑马灯电路、加热加压电路、数据采集电路及核心控制电路。
实现输油泵站自动控制功能的总体思路如下:
系统由电源进行供电,当启动自动控制系统后,加热加压电路和跑马灯电路(模拟油路的传输)开始工作。
采集的温度和压力电位数据通过A/D转换模块将模拟量转换成数字量,同时传递给单片机系统进行数据分析并处理。
液晶显示模块LM016L显示数据。
通过按键实现对温度值和压力值的调节。
当压力低于5MPa时,系统低压报警,加压电路开始加压;
当压力高于20MPa时,系统高压报警,减压电路开始减压;
当温度低于30摄氏度时,系统低温报警,加热电路开始加热;
当温度高于50摄氏度时,系统高温报警,加热电路停止加热。
系统原理框图如图1所示:
图1系统组成的原理框图
2.3系统的相关技术
2.3.1单片机技术
随着微电子科技的不断发展,计算机技术也得到快速发展,并且由芯片的集成度的提高而使计算机微型化,出现了单片微型计算机(SingleChipComputer),简称单片机,也可称为微控制器MCU(MicrocontrollerUnit)。
单片机,即集成在一块芯片上的计算机,集成了中央处理器CPU(CentralProcessingUnit)、随机存储器RAM(RandomAccessMemory)、只读存储器(ReadOnlyMemory)、定时器/计数器以及I/O接口电路等主要计算机部件。
单片机具有功能强,体积小,成本低,功耗小,配置灵活等特点,使其在工业控制、智能仪表、技术改造、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到应用。
从1976年9月Intel公司推出MCS—48系列单片机以来,世界上的一些著名的器件公司都纷纷推出各自系列的单片机产品。
主要有Intel公司的MCS—48、51、96系列单片机;
Motorola公司的MC6801、6805系列单片机;
Zilog公司的Z8系列单片机;
近年有Atmel公司的AT89系列单片机和Microchip公司的PIC系列单片机等。
各种系列的单片机由于其内部功能、单元组成及指令系统的不尽相同,形成了各具特色的系列产品。
本设计采用的是Atmel公司开发的AT89C51单片机。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
2.3.2传感器技术
传感器是自动化系统最基础、最重要的组成部分之一,其可靠性和精度直接影响系统工作的可靠性和性能。
正确地选择、合理地使用传感器,对设计自动化系统具有重要意义。
对于输油泵站和输油管道自动控制系统,从油田生产和实际需要的角度出发,传感器需要满足以下要求:
可靠性。
传感器要具有较强的防爆、防水、防磁、抗震和耐高、低温特性;
传感器超量程不损坏;
设备在正常使用情况下,主要部件平均无故障时间大于1年,使用寿命不小于10年;
自动控制机构误动作发生率不高于1/10000。
准确性。
主要参数(压力、温度等)的计量误差不高于O.5%;
各项参数的年漂移量不大于O.1%FS;
采集误差不高于1/10000。
安全性。
系统采用防爆结构,保证不因系统问题而导致事故[2]。
温度传感器的选择:
一体化温度变送器是将热电阻或热电偶检测出的温度或温差,通过温度变送电路转换成标准的4--20mA直流电流信号或1--5V直流电压信号的温度检测仪表。
现在已利用集成电路技术,将变送电路做成小型模块,安装在铂电阻或热电阻的接线盒内,直接安装在现场,这样可以最大限度地减少线路电阻的影响,从而获得较高的精确度,安装和使用十分方便。
一体化温度变送器不需要经过二次转换,直接接入计算机,进行显示和控制[2]。
压力传感器的选择:
振弦式压力变送器利用谐振元件(振弦)随压力变化改变其固有频率的特性来测量压力。
正弦式压力变送器由振弦、磁铁、激振器、膜片及测频电路组成,振弦式压力传感器依靠测量频率来确定压力,而频率信号在传输过程中可以忽略导线电阻、电感、电容等的影响,有较高的准确度,精度可达到O.01级,可作为高精度压力传感器来用[2]。
本设计中为了仿真需要,使用DS18B20数字温度传感器代替一体化温度变送器;
使用滑动变阻器和ADC0832数模转换器代替振弦式压力变送器。
2.3.3通信技术
目前国内油田油井数量较多且大部分处于偏远地区,位置分散,环境恶劣,距离很远。
通过专门的通讯电缆线或者是利用现场总线技术实现数据传输,这些方法传输距离有限,成本也比较高。
随着电子、计算机及信息技术的飞速发展,工业无线网络是从新兴的无线传输发展而来,具有低能耗,低成本,扩展性强,灵活度高等特点,已经成为现在的研究热点。
无线数据采集要将恶劣,复杂的现场环境下的采集量完整的采集,还要将采集到的数据传送给远端的控制室。
主要应用的领域包括:
石油管道无线监测系统;
工业遥测系统;
无线数据传输;
安全设备无线监控;
城市管网压力、温度监测;
电力无线报警等。
无线的远程数据传输方式主要有移动蜂窝网络通信、微波通信和卫星通信三种。
由于移动蜂窝网络通信高带宽、高可靠性、低延时、低成本和使用方便等特点被广泛使用在长管道运输中。
LTE是目前快速发展的4G移动网络,LTE实现了网络时延的减少、更高的数据速率、系统容量和覆盖。
输油泵站和输油线路的运行参数可以更快更可靠的传送到监控中心,从而可以以泵站监控中心为平台,依靠局部无线通讯网络,全程、全天候、全方位的对远距离故障点管道、设备抢维修技术支持,危险点运行参数的实时检测,实现科学决策、精确指挥、经济节能降耗、生产高效运营的目标,从而使企业管理运行达到新的精细化高度[3]。
图2输油泵站通信示意图
3系统的硬件设计
本章详细介绍硬件电路的设计。
系统硬件电路包括以下几个部分:
以单片机为中央处理器、A/D转换电路、跑马灯电路、液晶显示电路、时钟电路、温度传感电路和加热加压电路。
详细阐明芯片的选择比较,所选用芯片的内部组成、功能特点、外围电路及其接口电路,并设计出具体的硬件电路。
3.1中央处理电路
单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最小系统。
单片机是将中央处理器、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、计数器、定时器及输入输出接口电路等计算机主要器件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
本设计的输油泵站机泵控制系统的中央处理电路采用美国ATMEL公司生产的单片机AT89C51来实现。
3.1.1中央处理器电路核心芯片
中央处理电路是以AT89C51为核心芯片,AT89C51是一种附带4K字节可编程、可擦除的只读存储器CMOS8位微处理器。
与MCS-51系列产品指令系统兼容。
其主要功能特性:
(1)存储器可写入、擦除1000次。
(2)存储数据保存时间是10年。
(3)4K字节可重复擦写Flash存储器
(4)三级可加密程序存储器
(5)128×
8字节内部随机存储器
(6)32个可编程I/O口线
(7)两组16位定时、计数器
(8)六个中断源
(9)可编程串行通道
(10)低功耗的掉电和闲置模式
(11)片内部振荡器和时钟电路
图3AT89C51引脚图
单片机AT89C51引脚如图3所示,AT89C51引脚功能说明:
VCC:
供电。
GND:
接地。
P0接口:
P0接口是一个8位开路双向I/O接口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0接口的管脚第1次写1时,被定义为高阻输入。
P0接口能够用于外部程序数据存储器,它可被定义为数据、地址的低8位。
在FIASH编程时,P0接口作为原码输入接口,当FIASH进行校验时,P0接口输出原码,此时P0接口外部必须接上拉电阻。
P1接口:
P1接口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O接口,P1接口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1接口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1接口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1接口作为低8位地址接收。
P2接口:
P2接口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O接口,P2接口缓冲器可接收、输出4个TTL门电流,当P2接口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2接口的管脚被外部拉低,输出电流。
P2接口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口接输出地址的高8位。
在给出地址“1”时,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2接口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2接口在FLASH编程和校验时接收高8位地址信号和控制信号。
P3接口:
P3接口管脚是八个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3接口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3接口将输出电流(ILL)。
P3接口也可作为AT89C51的一些特殊功能接口,如下表所示:
接口管脚备选功能
P3.0RXD(串行输入接口)
P3.1TXD(串行输出接口)
P3.2/INT0(外部中断0)
P3.3/INT1(外部中断1)
P3.4T0(计时器0外部输入)
P3.5T1(计时器1外部输入)
P3.6/WR(外部数据存储器写选通)
P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
P3接口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST:
复位输入。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
加密方式1时,/EA都将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此
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