石油管道無人值守投球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧 鋒，姚 曼

西安文理學(xué)院，陜西西安 710065

石油管道無人值守投球系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧 鋒，姚 曼

西安文理學(xué)院，陜西西安 710065

本文用LM3S615為控制核心，設(shè)計(jì)了石油管道清蠟球自動(dòng)投放裝置，結(jié)構(gòu)新穎、功能強(qiáng)大，試驗(yàn)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在數(shù)字化油田建設(shè)中具有推廣價(jià)值。

自動(dòng)投球機(jī)；輸油管清蠟;自動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)下，向前移動(dòng)，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(shí)需要先關(guān)閉投球裝置前后的2個(gè)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?dāng)?shù)量龐大，油井相對距離遙遠(yuǎn)，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(shí)自動(dòng)投球裝置，以減少采油成本，減輕員工的勞動(dòng)強(qiáng)度。

本文在基于LM3S615芯片的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了石油管道無人值守投球系統(tǒng)，本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能強(qiáng)大，操作方便，運(yùn)行可靠，具有很高的推廣價(jià)值。

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

圖1 投球機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

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

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制部分采用LM3S615芯片，整個(gè)控制部分從功能上分為位置檢測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鍵盤顯示模塊、電源相序檢測、保護(hù)及掉電數(shù)據(jù)鎖存模塊、手動(dòng)操作與狀態(tài)顯示模塊等。控制系統(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(hù)開關(guān)構(gòu)成。系統(tǒng)在工作時(shí)，根據(jù)位置傳感器的反饋信號(hào)判斷活塞位置，并決策下一步的動(dòng)作。為了防止外界信號(hào)干擾引起誤動(dòng)作，位置信號(hào)反饋回路上進(jìn)行了光電隔離及整形處理，同時(shí)在軟件上采用了狀態(tài)機(jī)思想，在活塞運(yùn)動(dòng)末端加了限位保護(hù)開關(guān)。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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

兩路活塞運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)三相異步電機(jī)帶動(dòng)，撥輪轉(zhuǎn)動(dòng)由單相電機(jī)帶動(dòng)，考慮到安裝空間的限制及油田安全要求，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用固態(tài)繼電器。主控芯片發(fā)出的動(dòng)作信號(hào)經(jīng)光電隔離、放大后，送入固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。

2.3 鍵盤顯示模塊

本系統(tǒng)是無人值守型，通過鍵盤設(shè)置好投球間隔時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，設(shè)定時(shí)間到達(dá)后，完成投球動(dòng)作。顯示窗口由六位數(shù)碼管組成，前四位以倒計(jì)時(shí)的方式顯示當(dāng)前距下一次投球的時(shí)間，后兩位顯示累計(jì)已經(jīng)投入的清洗球個(gè)數(shù)。鍵盤由五個(gè)按鍵組成，用于完成投球時(shí)間的設(shè)定及投球個(gè)數(shù)的清零動(dòng)作。鍵盤顯示模塊由ZLG7290芯片實(shí)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(hù)功能。主控芯片還通過一個(gè)IO口定時(shí)給7290復(fù)位，防止鍵盤顯示假死現(xiàn)象。

2.4 電源相序檢測、保護(hù)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(shí)還增加了三相電相序識(shí)別及三相電不平衡保護(hù)功能。三相電相序識(shí)別及保護(hù)采用RC移相疊加原理，當(dāng)三相電出現(xiàn)異常時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)輸出信號(hào)，其中一路信號(hào)經(jīng)三極管放大驅(qū)動(dòng)小型繼電器切斷主控芯片電源，另一路信號(hào)經(jīng)光電隔離后向主控芯片發(fā)出掉電中斷，此時(shí)主控芯片利用電容中儲(chǔ)存的電量，向FLASH中鎖存當(dāng)前系統(tǒng)工作狀態(tài)參數(shù)。主控芯片旁邊設(shè)置一個(gè)按鈕，用于手動(dòng)擦除FLASH中鎖存狀態(tài)。

2.5 手動(dòng)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(guān)，手動(dòng)投球按鈕及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)指示燈組成。功能選擇面板具有自動(dòng)、手動(dòng)、停車三個(gè)檔位。選擇自動(dòng)檔位時(shí)，系統(tǒng)按照內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)工作，定時(shí)到后自動(dòng)投球；選擇手動(dòng)檔位時(shí)，系統(tǒng)定時(shí)功能暫停，此時(shí)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(dāng)選選擇這一功能時(shí)，所有動(dòng)作暫停。面板上6個(gè)LED指示燈，用于對當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行指示。

3 軟件設(shè)計(jì)

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(shí)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(biāo)志位，判斷當(dāng)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(huì)接著斷電前的狀態(tài)運(yùn)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(dòng)作時(shí)，程序自動(dòng)轉(zhuǎn)入鍵盤中斷，第一次進(jìn)入鍵盤中斷要驗(yàn)證密碼，所有的修改操作限時(shí)兩分鐘內(nèi)完成，否則系統(tǒng)自動(dòng)退出參數(shù)修改狀態(tài)。在投球過程中，隨著活塞運(yùn)動(dòng)位置的改變會(huì)產(chǎn)生不同的位置中斷信號(hào)，為了防止誤動(dòng)作造成漏洞事件發(fā)生，程序中采用了狀態(tài)機(jī)原理，整個(gè)抽球過程分解為6個(gè)狀態(tài)步。每次位置中斷時(shí)，將當(dāng)前的位置信號(hào)和上次的狀態(tài)參數(shù)邏輯判斷后決策下一步的動(dòng)作。掉電中斷程序的任務(wù)是在斷電前將有效數(shù)據(jù)及時(shí)儲(chǔ)存。為了確保數(shù)據(jù)寫入時(shí)間的充足，硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)加大了主芯片的濾波電容，同時(shí)濾波前用二極管進(jìn)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(hào)當(dāng)成輸入信號(hào)，引起狀態(tài)改變，所以在掉電中斷程序中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完后關(guān)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(shè)計(jì)的無人值守投球系統(tǒng)結(jié)構(gòu)新穎、功能強(qiáng)大、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。經(jīng)過現(xiàn)場一年多的運(yùn)行，狀況良好，得到用戶認(rèn)可，現(xiàn)在已正式投產(chǎn)使用。

[1]李玉宏.投球機(jī)的使用與選擇[J].石油機(jī)械，1995，23(10)：26-28.

[2]杜衛(wèi)華，關(guān)薦存.用MCS-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)撥輪扶推式投球機(jī)自動(dòng)投球[J].承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2002，4(2)：22-24.

[3]田曉霞，杜衛(wèi)華，等.單片機(jī)在管道強(qiáng)制輸球清蠟裝置中的應(yīng)用[J].石油礦場機(jī)械，2002，31(6)：57-58.

[4]王曉東，李永生，郭亞紅.定時(shí)自動(dòng)清管投球裝置研發(fā)及應(yīng)用[J].石油化工設(shè)備，2009，38(6)：77-78.

[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(dòng)化裝置，主要從事自動(dòng)化相關(guān)專業(yè)教學(xué)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(guān)專業(yè)教學(xué)及科研工作