盧 鋒，姚 曼

西安文理學院，陜西西安 710065

石油管道無人值守投球系統(tǒng)設計

盧 鋒，姚 曼

西安文理學院，陜西西安 710065

本文用LM3S615為控制核心，設計了石油管道清蠟球自動投放裝置，結(jié)構(gòu)新穎、功能強大，試驗運行穩(wěn)定可靠，在數(shù)字化油田建設中具有推廣價值。

自動投球機；輸油管清蠟;自動控制

我國各大油田采油都是采用從油井利用單井管線輸送到集油站集中處理的方式。因地面與地下溫差較大，原油被抽出地面后，很快便析出大量的蠟附著在輸油管內(nèi)壁，時間一長就堵死輸油管線，因此集油站、集中處理站等站間管線以及長輸管線都需要定時投入清洗球。清洗球采用比管道管徑小2mm的聚氨酯球，球投入石油管道后，在液流壓力的推動下，向前移動，刮去附著在管壁上的積蠟和雜質(zhì)，減少輸油管道的阻力，增加流通直徑。

現(xiàn)階段，許多油田都采用手工投球裝置，因輸油管道壓力大，投球時需要先關閉投球裝置前后的2個閥門，泄掉投球裝置段的壓力后，再將清蠟球放入管線內(nèi)，過程十分繁瑣；加之油田油井數(shù)量龐大，油井相對距離遙遠，每天僅投清蠟球方面就需要大量的人員及車輛配合。因此需要研發(fā)一種定時自動投球裝置，以減少采油成本，減輕員工的勞動強度。

本文在基于LM3S615芯片的基礎上，設計了石油管道無人值守投球系統(tǒng)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計合理，功能強大，操作方便，運行可靠，具有很高的推廣價值。

1 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 投球機機械結(jié)構(gòu)示意圖

投球動作開始前，垂直活塞（10號）停在4號位置處，水平活塞（11號）停在1號位置處。當控制系統(tǒng)收到有效的投球命令后，水平活塞開始向右運動，到達3號位置后水平活塞停止，撥輪（12號）開始旋轉(zhuǎn)，并將缺口內(nèi)的清洗球放入水平管內(nèi)，當轉(zhuǎn)完一周回到起始位置后，撥輪停止動作，水平活塞由3號位置開始推動小球向左運動，到達2號位置后水平活塞停止動作，垂直活塞由4號位置開始向上運動直到5號位置停止，水平活塞接著將小球從2號位置推到1號位置，小球放入垂直管道內(nèi)，最后垂直活塞從5號位置向4號位置運動，將小球壓入輸油管內(nèi)部。6，7，8，9號是超位置檢測保護開關，防止位置檢測開關失效情況下，活塞運動異常導致石油外泄。

2 控制系統(tǒng)設計

控制部分采用LM3S615芯片，整個控制部分從功能上分為位置檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、鍵盤顯示模塊、電源相序檢測、保護及掉電數(shù)據(jù)鎖存模塊、手動操作與狀態(tài)顯示模塊等?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 位置檢測模塊

這部分電路主要是由位置檢測傳感器和限位保護開關構(gòu)成。系統(tǒng)在工作時，根據(jù)位置傳感器的反饋信號判斷活塞位置，并決策下一步的動作。為了防止外界信號干擾引起誤動作，位置信號反饋回路上進行了光電隔離及整形處理，同時在軟件上采用了狀態(tài)機思想，在活塞運動末端加了限位保護開關。多種措施并用，確保了系統(tǒng)工作可靠，防止漏油事故發(fā)生。

2.2 電機驅(qū)動模塊

兩路活塞運動由兩個三相異步電機帶動，撥輪轉(zhuǎn)動由單相電機帶動，考慮到安裝空間的限制及油田安全要求，電機驅(qū)動部分采用固態(tài)繼電器。主控芯片發(fā)出的動作信號經(jīng)光電隔離、放大后，送入固態(tài)繼電器驅(qū)動電機動作。

2.3 鍵盤顯示模塊

本系統(tǒng)是無人值守型，通過鍵盤設置好投球間隔時間后，系統(tǒng)會自動運行，設定時間到達后，完成投球動作。顯示窗口由六位數(shù)碼管組成，前四位以倒計時的方式顯示當前距下一次投球的時間，后兩位顯示累計已經(jīng)投入的清洗球個數(shù)。鍵盤由五個按鍵組成，用于完成投球時間的設定及投球個數(shù)的清零動作。鍵盤顯示模塊由ZLG7290芯片實現(xiàn)，為了防止外人蓄意破壞投球參數(shù)，在軟件部分加入密碼保護功能。主控芯片還通過一個IO口定時給7290復位，防止鍵盤顯示假死現(xiàn)象。

2.4 電源相序檢測、保護及掉電數(shù)據(jù)鎖存模塊

考慮到工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，可能出現(xiàn)斷電現(xiàn)象，在系統(tǒng)中增加了掉電數(shù)據(jù)鎖存功能，同時還增加了三相電相序識別及三相電不平衡保護功能。三相電相序識別及保護采用RC移相疊加原理，當三相電出現(xiàn)異常時，比較器翻轉(zhuǎn)輸出信號，其中一路信號經(jīng)三極管放大驅(qū)動小型繼電器切斷主控芯片電源，另一路信號經(jīng)光電隔離后向主控芯片發(fā)出掉電中斷，此時主控芯片利用電容中儲存的電量，向FLASH中鎖存當前系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)。主控芯片旁邊設置一個按鈕，用于手動擦除FLASH中鎖存狀態(tài)。

2.5 手動操作與狀態(tài)指示模塊

為了現(xiàn)場安裝調(diào)試的便捷，系統(tǒng)集成了功能選擇操作面板。該面板由功能選擇開關，手動投球按鈕及運動狀態(tài)指示燈組成。功能選擇面板具有自動、手動、停車三個檔位。選擇自動檔位時，系統(tǒng)按照內(nèi)部設定的參數(shù)工作，定時到后自動投球；選擇手動檔位時，系統(tǒng)定時功能暫停，此時按下投球按鈕，系統(tǒng)開始投球；停車檔位主要用于緊急停車使用，當選選擇這一功能時，所有動作暫停。面板上6個LED指示燈，用于對當前工作狀態(tài)進行指示。

3 軟件設計

軟件部分主要包括主程序、鍵盤顯示中斷子程充、位置檢測及狀態(tài)切換子程序等，程序中使用了鍵盤中斷、位置中斷、I2C通信中斷、掉電中斷、定時中斷及FLASH擦除中斷。主程序及主要子程序流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，首先對功能模塊及各寄存器初始化，然后讀取FLASH寫入標志位，判斷當前FLASH中有無狀態(tài)寫入，如有數(shù)據(jù)，則調(diào)用上次斷電前保存的數(shù)據(jù)，這樣可以保證程序會接著斷電前的狀態(tài)運行。位置檢測、狀態(tài)切換及參數(shù)的修改都在中斷子程序中完成，主程序只循環(huán)更新顯示數(shù)據(jù)。有鍵盤動作時，程序自動轉(zhuǎn)入鍵盤中斷，第一次進入鍵盤中斷要驗證密碼，所有的修改操作限時兩分鐘內(nèi)完成，否則系統(tǒng)自動退出參數(shù)修改狀態(tài)。在投球過程中，隨著活塞運動位置的改變會產(chǎn)生不同的位置中斷信號，為了防止誤動作造成漏洞事件發(fā)生，程序中采用了狀態(tài)機原理，整個抽球過程分解為6個狀態(tài)步。每次位置中斷時，將當前的位置信號和上次的狀態(tài)參數(shù)邏輯判斷后決策下一步的動作。掉電中斷程序的任務是在斷電前將有效數(shù)據(jù)及時儲存。為了確保數(shù)據(jù)寫入時間的充足，硬件電路設計時加大了主芯片的濾波電容，同時濾波前用二極管進行了單方向隔離，但這樣有可能造成主芯片誤將IO管腳外電路的掉電信號當成輸入信號，引起狀態(tài)改變，所以在掉電中斷程序中，數(shù)據(jù)存儲完后關閉了所有中斷源，并空循環(huán)直到將電耗完。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)論

本文所設計的無人值守投球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎、功能強大、運行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過現(xiàn)場一年多的運行，狀況良好，得到用戶認可，現(xiàn)在已正式投產(chǎn)使用。

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[5]LM3S615微控制器數(shù)據(jù)手冊.http://www.zlgmcu.com/LUMINARY/Stellaris/lm3s615/LM3S615_ds_cn.pdf. 2008-04-16.

TE973

A

1674-6708（2011）50-0181-02

盧鋒，碩士研究生，專業(yè)：檢測技術(shù)與自動化裝置，主要從事自動化相關專業(yè)教學及科研工作

姚曼，在讀碩士，專業(yè)：電子與通信工程，主要從事通信相關專業(yè)教學及科研工作