基于CortexM0的智能加药控制器设计.docx
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基于CortexM0的智能加药控制器设计
本科学生毕业设计
基于Cortex-M0的智能加药控制器设计
院系名称:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
韩喜春
职称:
教授
黑龙江工程学院
二○一二年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
DesignofIntelligentAddingChemicalMedicineControllerBasedonCortex-M0
Candidate:
Specialty:
ControlTechnologyandInstrument
Class:
Supervisor:
ProfessorHanXichun
HeilongjiangInstituteofTechnology
2012-06·Harbin
摘要
随着油田开发进入中后期,油藏压力下降、综合含水上升,会导致产量下降、井筒结垢腐蚀,严重影响油井正常生产。
目前油井注水和添加化学药剂是解决因油藏压力下降和井筒防腐防垢的主要手段。
如何实现药剂科学合理、便捷的投加成为原油生产的关键。
油井采用的人工加药方式存在许多缺陷,比如一次性加药不能连续发挥药效;路况差油井和偏远油井加药质量无法保证;技术人员劳动强度大。
在本设计中用液位的变化导致出水口流速变化的原理来模拟油井出油管流量的改变。
该智能加药控制器基于Cortex-M0内核单片机为控制单元,通过流量计检测模拟出油管的流量,当流量小于设定值时,单片机控制电磁阀打开,向模拟油井中添加已经调制好的药剂,添加的药剂使模拟油井液位上升导致模拟出油管流速加大,当模拟出油管流量达到要求值,则停止加药,完成自动加药过程。
关键词:
Cortex-M0;单片机;液位;流量计;电磁阀;智能加药
ABSTRACT
Alongwiththemid-lateperiodofoilfielddevelopment,thedeclineinoutputandoilwellbeingerodedcausedbyoilpoolpressuredecliningandcomprehensivemoisturecontentrisinghaveseriousinfluenceonthenormalproductionofoilwell.Atpresentwaterinjectionandadditionofchemicalmedicineinoilwellaremainmethodofsolvingoilpoolpressuredecliningandcomprehensivemoisturecontentrising.Itisthekeyforthenormalproductionofoilwelltoaddchemicalmedicineinoilscientifically.Theman-madeadditionofchemicalmedicineinoilwellhasmanyshortcomings.Forexample,theonce-throughadditionofchemicalmedicinecannotmakefulluseofthechemicalmedicine.Thequalityoftheadditionofchemicalmedicineinremoteoilwellcannotbeguaranteed,thequantityofworkistooheavyforworkers.
Inthesystem,theflowrateofwateroutletcausedbythechangeofliquidlevelistheanalogyofoilwelloutlet.ThisintelligentaddingchemicalmedicinecontrollerisbasedontheSingle-chipMicrocomputerwhosecoreisCortex-M0,theSingle-chipMicrocomputercontroltheelectromagneticvalvebycheckingtheflowrateofwateroutlet.Theelectromagneticvalvewillopenandaccomplishtheadditionofchemicalmedicinewhenthepresentflowrateissmallerthansettingvalue,thenwaterlevelwillcausethegrowingoftheflowrate,whentheflowrateisgreaterthanrequiredvalue,theSingle-chipMicrocomputerwillgivetheelectromagneticvalvetheinformationwhatitshouldbecloseandstopaddingchemicalmedicine,thentheadditionofchemicalmedicineprocessisaccomplished.
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Keywords:
Cortex-M0;Single-chipMicrocomputer;liquidlevel;flowsensor;electromagneticvalve;intelligentaddingchemicalmedicine
第1章引言
1.1课题目的及意义
原油的开采大部分采用注水驱油的办法,这种办法是补充地层能量、维持油田较长期高产稳产的有效、易行的方法,对原油生产具有举足轻重的作用[1]。
我国大部分油田已进入开发中后期,油藏量大幅下降,油压明显减小,并且高含水带来了井下管和杆柱的结垢与腐蚀;同时部分油井原油具有含蜡量高、腐蚀性高、黏度高等特征,容易导致油井结蜡、设备腐蚀以及油井开采寿命降低等问题,所以需要向油井中适量添加药剂。
如何实现药剂科学合理、便捷的投加成为该项工艺的关键[2-4]。
油井采用的人工加药方式存在以下缺陷:
一次性加药不能连续发挥药效;路况差油井和偏远油井加药质量无法保证;人工全天候值守成本高,劳动强度大;无法达到多点实时监控以及协调操作等[5-7]。
针对油井人工添加药剂的缺点,该智能加药控制器采用单片机为控制单元,对模拟出油管进行实时监测,单片机检测出油管的流量,控制水罐和药罐的计量泵来实现对加水量、加药量的控制[8-10]。
该自动加药控制系统克服了传统的人工估算加药量、人工调整加药泵的缺点,阶段性加药能连续发挥药效,节省加药成本,降低工人劳动强度,提高了油井自动化管理水平[11-14]。
1.2国内外研究现状
在智能技术快速发展今天,智能仪器广泛应用用工业生产,油用智能加药控制器已经应用于国内外各地的油田[5]。
国外早在六十年代就开始研制各种自动加药装置,现在油用智能加药控制器的研究已经非常成熟,在国内工业生产也已经广泛应用[15-16]。
智能加药控制器主要以计量泵型为主,比较典型的有DRC型加药机、克尔帕默型胶管式微量加药机等,比较著名的有美国纳尔科公司、美国大湖公司、日本粟田公司、德国科隆尔公司等[17-18]。
虽然国外产品性能可靠,但是有着价格昂贵、系统安装复杂、后期维护费用大等不足之处。
智能加药控制器的发展在国内也日趋成熟,涌现出许多科技公司,他们研制的智能加药装置得到广泛应用,比如海和科技公司的油田联合站自动加药控制系统,该智能加药控制系统可应用于分级沉降工艺的油田联合站,该系统主要由物位界面仪、加药泵变频电机和实时监测智能加药分析系统组成,它可以根据加药点来液量、来液温度等参数自动调整加药量。
通过自动调整合适的加药量,减少了人工调整加药量时为了保证克服了传统的人工估算加药量、人工调整加药泵的缺点,达到了节省人力、节省药剂的目的。
2001年,浙江大学流体传动及控制国家重点实验室与杭州星辰石油机械有限公司针对地面集输工程和地面注水工程中现行人工加药方法的缺点,研制的油用自动加药系统的研制也投入使用。
该系统采用西门子可编程逻辑控制器为控制单元,自动检测输油管流量,根据流量及设定加药量或浓度值控制计量泵加药量,可适时显示加药量、加药浓度、主流量以及累积加药量,并设有多种故障报警系统及按键互锁功能。
采用该自动加药系统,无需工人值班,降低了工人的劳动强度,避免了原有加药装置不能随着管道流量变化动态调节加药量,由此带来加药不足或加药过量的弊病,提高了加药精度,从而提高了油田生产效率及管理水平。
首批自动加药系统已在江苏油田联合站使用,用户反应良好。
研制组会把工作重点放在多点监控及协调上,以进一步提到油田的生产管理水平[19]。
1.3课题设计思想
由于智能加药控制器应用于原油开采,由于条件有限,故用液位高度模拟油井油压,用水罐模拟药剂罐。
该智能加药控制器以Cortex-M0核心单片机为控制单元,对模拟出油管进行实时监测,单片机检测出油管的流量,控制水罐和药罐的计量泵来实现对加水量、加药量的控制。
智能加药控制器中用来检测出油管的流量的流量计,若用于油井开采运输应使用涡轮式流量计。
由于用于本设计的模拟油井,所以预计采用普通的水流量计,它主要由塑料阀体、水流转子组件和霍尔传感器组成。
将水流量计装在出水管末端,用于检测出水管流量,当水通过水流转子组件时,磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化,单片机读取霍尔传感器输出相应的脉冲信号并通过数码管显示,由单片机判断水流量的大小,进行调控。
油用智能加药控制系统中定量加药部分使用的是计量泵,它是一种可以满足各种严格的工艺流程需要,流量可以在0-100%范围内无级调节,用来输送液体特别是腐蚀性液体的一种特殊容积泵。
在本设计中拟采用储水罐和电磁阀代替,电磁阀为常闭放水阀,即通电时打开的阀门,模拟油井压力不足400mm水柱,故电磁阀类型为放水阀,即通电后需要很小水压就可以工作。
该智能加药控制器的控制单元采用NXP公司的LPC1114单片机,它是以ARM的Cortex-M0为内核的微控制器,该控制器是为嵌入式系统应用而设计的32位微处理器,它性能卓越、简单易用、功耗低,更重要的是,它能显著降低所有8/16位应用的代码长度,并且可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用,可以满足本设计的需要。
1.4课题内容安排
1、基本内容
设计一个智能加药控制器。
通过出油管流量计检测流量,适时原油流量。
当流量小于设定值时单片机控制电磁阀打开完成药液的添加,实现了对油井自动加药。
采用该自动加药控制器可以准时、精确的添加药剂,简化原有的人工操作程序,提高药剂添加的准确性和可靠性,消除人为因素带来的误差,降低生产成本,减轻工人的劳动强度。
2、预期达到的目标
(1)单片机通过检测流量计可适时显示流量;
(2)可根据出油管流量自动添加药剂。
3、智能加药控制器设计主要分为以下几个章节:
第1章引言:
介绍当前国内外智能加药控制器的发展现状、本设计基本内容以及研究目的和意义。
第2章总体设计方案:
从核心技术原理、器件选择等角度进行设计方案对比论证及确定整体方案和各部分器件选型。
第3章智能加药控制器的硬件设计:
硬件电路的设计包括单片机最小系统模块设计,电源模块设计、电磁阀驱动模块设计、显示模块设计等。
第4章智能加药控制器的软件设计:
本章给出了主程序流程图、显示子程序流程图及控制电磁阀子程序流程图,并对每个流程图进行介绍。
第2章总体方案论证
2.1总体方案设计
单片机在各种电子产品中的应用越来越广泛,许多电子产品以单片机为控制单元所取得的便捷特点广泛得到了人们的好评。
现在单片机技术向着功能更强,应用更灵活,速度更快的方向发展。
针对基于Cortex-M0智能加药控制器的设计要求,实现自动加药的方案有两种,方案一,根据模拟出油管的来液含水率实现自动加药;方案二,通过检测模拟出油管的流量来实现自动加药。
以上两种方案均以LPC1114高性能单片机为控制单元,分别以油管的来液含水率、出油管流量为输入信号,由单片机控制完成自动加药[20-21]。
方案一系统框图,如图2.1所示。
图2.1方案一原理框图
方案二系统框图,如图2.2所示。
图2.2方案二原理框图
方案一与方案二的区别主要在于检测器件的应用,方案一采用含水率检测仪表为检测元件,通过检测模拟出油管来液含水率,将检测信号送入单片机,由单片机控制加药系统自动加药。
检测模拟出油管液体的含水率,可完成自动加药,检测来液含水率只是众多加药标准的中一个,不是最主要因素,而且含水率测量仪器成本较高,设备复杂。
方案二采用流量计作为检测元件,通过检测模拟出油管的流量,流量若小于单片机内程序预设值,则进行自动加药。
流量作为石油生产的主要参数,需要首先测量,并且流量计成本较低,易于使用[22-23]。
经过对以上两种方案的分析,对比出方案二更适合于实践应用,系统更可靠,故本设计采用方案二。
2.2硬件系统方案论证
2.2.1控制单元的选择
方案一,控制单元选择AT89S52,这是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止[24]。
方案二:
控制单元选择LPC1114,它是以ARM的Cortex-M0为内核的微控制器,该控制器是为嵌入式系统应用而设计的32位微处理器,它性能卓越、简单易用、功耗低,更重要的是,它能显著降低所有8/16位应用的代码长度,并且可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。
Cortex-M0是ARM研制的第二代内核,它提供了一个简单的指令集,可以实现确定性行为。
LPC1114微控制器的主频时钟高达50MHz,拥有高性能的运算控制能力,每秒可执行4500多万条指令,支持睡眠、深度睡眠和深度掉电3种低功耗模式。
同时,它还拥有丰富的外设组件:
高达32KB片内Flash程序存储器、8KB片内SRAM、一路I2C(FM+)、一路RS-485/EIA-485UART、两路SSP、4个通用定时器以及多达42个通用I/O口。
经过对以上两种单片机的比较,LPC1114单片机在硬件上相对于AT89S52有很大优势,功能也比较强大,所以控制单元选择LPC1114单片机。
2.2.2加药器件的选择
方案一,加药器件选择计量泵,计量泵是一种可以满足各种严格的工艺流程需要,流量可以在0-100%范围内无级调节,用来输送液体特别是腐蚀性液体的一种特殊容积泵,它属于往复式容积泵,用于精确计量,通常要求计量泵的稳定性精度不超过±1%。
随着现代化工业朝着自动化操作、远距离自动控制这一形势的不断发展,计量泵的配套性强、适应液体广泛的优势尤为显得特出。
该泵由电机、传动箱、缸体等三部份组成。
传动箱部件是由涡轮蜗杆机构、行程调节机构和曲柄联杆机构组成;通过旋转调节手轮来实行高调节行程,从面改变移动轴的偏心距来达到改变活塞行程的目的。
缸体部件是由泵头、吸入阀组、排出阀组、柱塞和填料密封件组成。
该泵性能优越,安全性能高,计量输送精确,流量可以从零到最大定额值范围能任意调节。
根据工艺要求该泵可以手动调节和变频调节流量,亦可实现遥控和计算机自动控制[25-26]。
方案二,加药器件选择常闭电磁阀,电磁阀是用电磁控制的工业设备,用在工业控制中调整介质的方向、流量、速度和其它的参数。
电磁阀的基本原理是电磁效应,主要控制方式由继电器控制[27-28]。
这样电磁阀可以配合不同电路来实现预期目标,并且控制精度和灵活性都能够保证。
给常闭电磁阀通电时,电磁线圈产生磁力把关闭件从阀座上提起,阀门打开;断电时,磁力消失,弹簧把关闭件压在阀座上,阀门关闭。
电磁阀本身结构简单,价格也低,比其他种类执行器件易于安装维护。
更显著的是所组成的自控系统简单的多,价格要低的多。
由于电磁阀是开关信号控制,用单片机控制比较简便,电磁阀的优势就更加明显。
它的动作快速,功率微小,外形轻巧[29-30]。
虽然计量泵有许多优点,非常适用于石油生产中的药剂存储和添加,但是由于计量泵造价昂贵,结构复杂,不适合本设计应用,并且电磁阀可以满足需要,结构简单,容易控制,所以加药器件选择常闭电磁阀。
2.2.3显示模块的选择
方案一:
采用LCD液晶显示屏,液晶显示屏的显示功能强大,可显示大量文字,图形,显示多样,清晰可见,但是价格昂贵,而且在高亮显示和较远距离读数均不如LED数码管。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件,如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到,显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下优点:
显示质量高,液晶显示屏中每个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度,所以近距离画质高而且不会闪烁;具有数字式接口,与单片机系统的接口简单可靠;功耗低,液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上,因而耗电量比较低。
方案二:
采用LED数码管显示,通过对数码管不同的管脚输入相对的电流,会使其发亮,从而显示出数字能够表示时间、日期、温度等所有可用数字表示的参数。
由于它的价格便宜、使用简单,在电器特别是家电领域应用极为广泛。
采用动态扫描方式,动态扫描就是通过分时轮流控制各个数码管的COM端,使各个数码管轮流受控显示。
在轮流显示的过程中,每位数码管的点亮时间为1至2ms,由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上各位数码管并不是同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人眼睛留下的印象就是一组稳定的显示数据,不会有闪烁感,效果和静态显示一样,能够节省大量的I/O端口,而且功耗更低。
综上所述,LED数码管价格适中,对于显示数字非常简便,且具有供人较远距离观看的优点,故选择LED数码管作为本设计的显示屏。
2.3本章小结
本章提出根据模拟出油管的来液含水率实现自动加药和通过检测模拟出油管的流量来实现自动加药两套整体方案,经过对这两套方案进行对比论证,最终确定通过检测模拟出油管的流量来实现自动加药。
在器件的选择方面进行论证,讨论了单片机、加药装置、显示模块各方案的优缺点,最终确定以LPC1114为控制单元,常闭电磁阀为加药器件,LED数码管为显示模块来实现本设计。
第3章智能加药控制器的硬件电路设计
3.1系统概述
本设计内容是基于Cortex-M0智能加药控制器的设计,以LPC1114为控制单元,常闭电磁阀为加药器件,LED数码管为显示模块来构成智能加药控制系统。
预计可以通过流量计检测模拟出油管流量,由单片机控制加药器件完成加药。
其硬件设计框图如图3.1所示。
图3.1硬件设计框图
3.2LPC1114单片机及相关电路
3.2.1LPC1114单片机概述
单片机是将中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器。
LPC1114是以ARM的Cortex-M0为内核的微控制器,该控制器是为嵌入式系统应用而设计的32位微处理器,它性能卓越、简单易用、功耗低,更重要的是,它能显著降低所有8/16位应用的代码长度,并且可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。
Cortex-M0是ARM研制的第二代内核,它提供了一个简单的指令集,可以实现确定性行为。
LPC1114微控制器的主频时钟高达50MHz,拥有高性能的运算控制能力,每秒可执行4500多万条指令,支持睡眠、深度睡眠和深度掉电3种低功耗模式。
同时,它还拥有丰富的外设组件:
高达32KB片内Flash程序存储器、8KB片内SRAM、一路I2C(FM+)、一路RS-485/EIA-485UART、两路SSP、4个通用定时器以及多达42个通用I/O口。
3.2.2LPC1114单片机主要特性
(1)ARMCortex-M0处理器工作在50MHz的频率下;
(2)ARMCortex-M0处理器内置有嵌套向量中断控制器(NVIC);
(3)32kB的片内Flash程序存储器;
(4)高达8kB的静态RAM;
(5)通过片内Bootloader软件来实现在系统编程(ISP)和在应用中编程(IAP);
(6)串行接口:
UART:
可产生小数波特率,带有内部FIFO,支持RS-485,具有moder控制;
2个SSP控制器,具有FIFO和多协议功能
I2C总线接口支持全部I2C总线规范和Fast-modePlus模式,数据速n高达
1Mbit/s,具有多地址识别和监控模式;
(7)其它外设:
多达42个通用I/O(GPIO)引脚,上拉/下拉电阻可配置;
一个引脚具有20mA的高电流驱动能力;
2个I2C总线引脚在Fast-modePlus模式下具有20mA的高电流汲入能力;
4个通用定时器/计数器,共有4个捕获输入和13个比较输出;
(8)看门狗定时器(WDT);
(9)系统节拍定时器;
(10)串行调试;
(11)集成的PowerManagementUnit在睡眠、深度睡眠和深度掉电模式下自动;
(12)调节内部稳压器,将功耗降至最低;
(13)3种节能模式:
睡眠、深度睡眠和深度掉电;
(14)单个3.3V电源(2.0V~3.6V);
(15)10位ADC,在8个引脚之间实现输入多路复用;
(16)GPIO引脚可以用作边沿触发和电平触发的中断源;
(17)带分频器的时钟输出功能可以反映主振荡器时钟、IRC时钟、CPU时钟或看门狗时钟;
(18)处理器通过一个高达13个功能引脚的专用起始逻辑从深度睡眠模式中唤醒;
(19)掉电检测有4个中断阈值和1个强制复位阈值;
(20)上电复位(POR);
(21)晶体振荡器的工作范围为1MHz~25MHz;
(22)12MHz内部RC振荡器可调节到1%的精度;可以选择用作一个系统时钟;
(23)PLL允许CPU无需使用高频晶体而工作在最大CPU速率下。
时钟可以由主振荡器、内部RC振荡器或看门狗振荡器提供;
3.2.3LPC1114单片机引脚排列及功能
LPC1114单片机有LQFP48、PLCC44和HVQFN33三种封装形式,本设计使用的是LQFP48封装的,引脚排列如图3.2所示。
图3.2LPC1114引脚图
LPC1114的管脚描述及功能如下:
1脚(PIO2_6):
通用数字输入/输出管脚。
2脚(PIO2_0/DTR/SSEL1):
通用数字输入/输出管脚;UART数据终端就绪输出;SSP1的从机选择。
3脚(RESET/PIO0
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