許少娟 吳橫溢 陳海明 大連理工大學(xué)城市學(xué)院

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基于MSP430單片機(jī)的油田稱重計(jì)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許少娟 吳橫溢 陳海明 大連理工大學(xué)城市學(xué)院

【文章摘要】

【關(guān)鍵詞】

石油稱重；MSP430單片機(jī)；485通信；變頻器

引言

油田的稱重計(jì)量工作是石油開采工作中的重要環(huán)節(jié)，是反映該油田年產(chǎn)量的重要依據(jù)。更是科學(xué)合理的考核各級(jí)單位生產(chǎn)任務(wù)完成情況、及時(shí)全面掌握區(qū)塊產(chǎn)能動(dòng)態(tài)的重要基礎(chǔ)。目前我國采油站，普遍采用傳統(tǒng)立式計(jì)量分離器，該系統(tǒng)占地面積大，計(jì)量精度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗大并且存在安全隱患。并且抽油機(jī)一直處于高強(qiáng)度工作狀態(tài)，耗電量巨大，系統(tǒng)效率低，不利于節(jié)能。因此，油田稱重計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)尤為重要［1］。

利用變頻器節(jié)電是近幾年新興的節(jié)能技術(shù)［2］。采用變頻器調(diào)頻控制抽油電機(jī)的工作頻率以達(dá)到節(jié)電的作用，這樣不僅可以減少抽油電機(jī)低效工作的時(shí)間，還可以增加抽油電機(jī)的工作頻率、方式與當(dāng)前油井抽油的實(shí)際情況相匹配，保證抽油機(jī)的工作效率，最大程度上杜絕無效做功，這樣不僅降低了耗電量，減少系統(tǒng)的損耗和維護(hù)，同時(shí)還提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。

圖1　石油稱重計(jì)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖2　濾波電路原理圖

本系統(tǒng)采用稱重與變頻相結(jié)合的理念，根據(jù)當(dāng)前的石油開采效率來控制抽油機(jī)的工作頻率，達(dá)到實(shí)時(shí)控制，實(shí)時(shí)響應(yīng)的節(jié)能效果，不僅可以減少石油開采所需要的能耗，還可以根據(jù)累計(jì)已開采的石油重量，計(jì)算出單井的出油率和經(jīng)濟(jì)效益，降低成本。

1.總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)提出一種基于MSP430單片機(jī)的油田稱重計(jì)量系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、稱重傳感器模塊、 LCD液晶顯示模塊、光耦隔離繼電器模塊、 485通信模塊、電磁閥、變頻器和電機(jī)等組成。系統(tǒng)的總體組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)首先將抽油機(jī)抽出的原油裝入稱重油桶，由稱重傳感器計(jì)量原油質(zhì)量，稱重傳感器采集到的小信號(hào)需要放大濾波，通過AD轉(zhuǎn)換后可以被單片機(jī)識(shí)別，單片機(jī)根據(jù)桶中原油的重量控制進(jìn)油電磁閥、出油電磁閥和抽油電機(jī)的關(guān)斷，以達(dá)到兩個(gè)稱重油桶中的石油依次連續(xù)計(jì)量的目的。進(jìn)出油電磁閥和抽油電機(jī)的關(guān)斷由單片機(jī)控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)，其中，單片機(jī)通過光耦隔離芯片與繼電器連接，避免強(qiáng)電和弱電之間互相干擾。

系統(tǒng)通信部分采用目前工業(yè)上常用的485總線MODBUS協(xié)議，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)變頻器的控制，進(jìn)而控制抽油機(jī)的工作頻率，根據(jù)采集抽油速率達(dá)到智能控制抽油機(jī)的工作頻率，達(dá)到節(jié)能目的。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1稱重傳感器的選取

稱重傳感器是稱重計(jì)量系統(tǒng)的重要核心部件，可以分為電阻應(yīng)變式、電容式、光電式等［3］?；谑头Q重計(jì)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)稱重工作環(huán)境在施工現(xiàn)場(chǎng)，工作環(huán)境相對(duì)惡劣；此外石油稱重系統(tǒng)也要求傳感器具有較高的精度、速度以及較好的頻率特性。基于以上的原因，從精度、造價(jià)、性能等方面綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇使用電BF350-3AA型康銅金屬箔電阻應(yīng)變式稱重傳感器［4］。

2.2放大濾波電路的設(shè)計(jì)

由于稱重傳感器采用電阻應(yīng)變片式傳感器，此類傳感器所采集到的是微小的模擬信號(hào)。因此，在稱重傳感后接入放大電路和濾波電路。本系統(tǒng)采用的是多級(jí)差分式輸入組合放大電路和四階巴特沃斯低通濾波器。放大器采用LM358雙運(yùn)算放大器，濾波電路采用低成本的LM324系列放大器。濾波電路硬件原理圖如圖2所示。

2.3光耦隔離繼電器的設(shè)計(jì)

單片機(jī)與電磁閥電機(jī)之間采用4路5V光耦隔離繼電器模塊相連接。模塊本身帶有FL817C光耦芯片，SRD-05VDC-SL-C繼電器。將單片機(jī)與電磁閥通過光耦隔離開強(qiáng)電與弱點(diǎn)，將強(qiáng)弱電之間的干擾降到最低。光耦隔離繼電器原理圖如圖3所示。

圖3　光耦隔離繼電器硬件原理圖

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1控制器軟件流程圖

軟件部分主要立足于稱重部分和變頻器的控制部分。稱重部分負(fù)責(zé)測(cè)量稱重油桶中的石油質(zhì)量，并且累加石油重量；變頻器控制部分，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)重量，預(yù)先設(shè)定多個(gè)采油閾值，超過閾值則改變變頻器的工作頻率。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣，實(shí)時(shí)響應(yīng)。總體的系統(tǒng)軟件流程框圖如圖4所示。

圖4　系統(tǒng)軟件流程圖

3.2稱重程序的設(shè)計(jì)

稱重程序主要核心在于，單片機(jī)采集稱重傳感器采集到的模擬重量信號(hào)采用并進(jìn)行A/ D轉(zhuǎn)換。采用MSP430 F149單片機(jī)內(nèi)置十二位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以滿足本系統(tǒng)的精度要求。此外，單片機(jī)還提供了四種不同的轉(zhuǎn)換模式，單通道單次、多次轉(zhuǎn)換和序列通道單次、多次轉(zhuǎn)換［5］，由于本系統(tǒng)中采用兩個(gè)稱重油桶交替稱重，并且需要實(shí)時(shí)響應(yīng)，實(shí)時(shí)反饋石油重量，因此采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式。稱重模塊程序流程圖如圖5所示。

圖5　稱重程序流程圖

4.總結(jié)

本文通過分析當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)有的油田石油稱重技術(shù)，并結(jié)合油田稱重的實(shí)際使用的缺點(diǎn)和不足，設(shè)計(jì)了基于MSP430單片機(jī)的油田稱重計(jì)量系統(tǒng)。通過對(duì)石油的實(shí)時(shí)稱重達(dá)到了控制變頻器的目的，從而實(shí)現(xiàn)了稱重的同時(shí)對(duì)抽油機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造的目的。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)量準(zhǔn)確，在油田開采中具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

【參考文獻(xiàn)】

［1］張繼震，方舒東，張宗軒，等.油井產(chǎn)流計(jì)量技術(shù)二十年回顧與展望［J］.油氣井測(cè)試.2004（5）.

［2］姜璐瑤.油井計(jì)量技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)探究［J］.化工管理.2014（36）.

［3］趙廣平，孫雯萍，孫建軍.電子稱重技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器.2007（7）:76-77.

［4］鄭宇翔.基于應(yīng)變傳感器的無線測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文.2007（7）.

［5］馮彥君，靳鴻，章曉眉.微型變頻實(shí)時(shí)采集記錄儀［J］.儀表技術(shù)與傳感器.2012（3）.

基金項(xiàng)目：遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2015131980285）

針對(duì)油田對(duì)于石油稱重的需求和不足，設(shè)計(jì)了一種基于MSP430單片機(jī)的油田稱重計(jì)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由核心控制器、稱重系統(tǒng)和變頻器控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)由應(yīng)變片將采集到的重量信息轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，通過濾波放大電路，由MPS430F149單片機(jī)控制A/D轉(zhuǎn)換模塊計(jì)算當(dāng)前稱重油桶裝入石油的重量，通過單片機(jī)控制進(jìn)、出油電磁閥的關(guān)斷控制稱重油桶內(nèi)石油的進(jìn)出，實(shí)時(shí)采集累計(jì)已稱石油的重量；變頻器控制部分由單片機(jī)作為主機(jī)通過485串口通信遵循MODBUS協(xié)議實(shí)現(xiàn)控制抽油機(jī)的工作頻率，從而達(dá)到節(jié)能的作用。

【作者簡(jiǎn)介】

許少娟（通信作者）（1981-），女，講師，碩士，主要從事電子技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)。