基于嵌入式ARM的計(jì)量泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

張建宇

摘 要 天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，是目前公認(rèn)的主要清潔能源，廣泛應(yīng)用于居民用氣、工業(yè)用氣、汽車燃料等。天然氣主要成分為烷烴，其中甲烷含量最多。正常情況下天然氣為無(wú)色無(wú)味氣體，對(duì)人體基本無(wú)毒，高濃度時(shí)，能引發(fā)中毒窒息事故。天然氣泄漏后，因與管道或設(shè)備產(chǎn)生摩擦，能與空氣形成爆炸性環(huán)境，容易引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。因此為保障天然氣穩(wěn)定供應(yīng)，預(yù)防天然氣安全事故，保護(hù)人民生命安全和財(cái)產(chǎn)安全，在民用天然氣使用中，進(jìn)行加臭處理，本文就民用天然氣供應(yīng)中天然氣加臭計(jì)量泵控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 嵌入式ARM;計(jì)量泵;加臭劑（THT）;控制系統(tǒng)

前言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人民的需求越來(lái)越多，建設(shè)一個(gè)安全、穩(wěn)定、和諧、綠色、生態(tài)的居住環(huán)境成為人們迫切的希望。伴隨著2019年太原能源低碳發(fā)展論壇、首屆可持續(xù)發(fā)展論壇的召開(kāi)，清潔能源的利用與開(kāi)發(fā)已成為一種必然的趨勢(shì)。天然氣作為一種的綠色能源和一種普遍燃料，目前已廣泛應(yīng)用于居民生活中，如居民家庭炊事和熱水制備等。純凈天然氣無(wú)色無(wú)味體，在居民生活中使用時(shí)若發(fā)生泄漏，容易引發(fā)人員窒息或爆炸事故。為使居民能及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣泄漏問(wèn)題，在民用供氣中，需對(duì)天然氣進(jìn)行加臭處理。

加臭處理一般方法是在天然氣中加入四氫噻吩燃?xì)馓砑觿═HT），四氫噻吩燃?xì)馓砑觿┦且环N具有強(qiáng)烈氣味的有機(jī)化合物，具有抗氧化性、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氣味存留時(shí)間久、燒后無(wú)殘留物、不污染環(huán)境、添加量少、腐蝕性小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)空氣中存在0.01PPm時(shí)，就能夠刺激人類的嗅覺(jué)細(xì)胞，嗅細(xì)胞受到THT的刺激就會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，神經(jīng)沖動(dòng)沿嗅神經(jīng)傳入大腦皮層而引起人民察覺(jué)，天然氣泄漏量大時(shí)，可觸發(fā)報(bào)警。本文主要針對(duì)向天然氣中添加一定體積比例的THT需用到的一種重要工具——計(jì)量泵，做精密控制，完成安全、穩(wěn)定、可靠、快速和經(jīng)濟(jì)的添加工作。

1控制系統(tǒng)架構(gòu)描述

計(jì)量泵工作原理是經(jīng)機(jī)械聯(lián)桿系統(tǒng)帶動(dòng)流體輸送隔膜活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。改變計(jì)量泵的沖程往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率或每一次往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖程長(zhǎng)度，就可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流體輸送量目的。本文就電磁式驅(qū)動(dòng)隔膜計(jì)量泵基于嵌入式ARM的控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在控制系統(tǒng)中，還需要在天然氣進(jìn)氣端安裝氣體流量計(jì)，一般市面上常用的氣體流量計(jì)是輸出4-20mA電流信號(hào)。

基于ARM的控制系統(tǒng)中需用到的儀表和功能模塊描述如下：

（1）計(jì)量泵采用LMI（米頓羅P746系列）電磁驅(qū)動(dòng)隔膜計(jì)量泵，該計(jì)量泵具有多功能閥、沖程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、電磁驅(qū)動(dòng)單元、速度調(diào)節(jié)控制接口等，擁有完全的產(chǎn)品系列，可滿足幾乎所有生產(chǎn)場(chǎng)所對(duì)化學(xué)藥劑投加的需要，廣泛應(yīng)用于石化、化工、石油、天然氣等行業(yè)。其主要特性及相關(guān)組成如圖1所示。

LMI主要控制方式：

①P型的計(jì)量泵采用外部脈沖自動(dòng)控制的方式。②脈沖頻率的高低和參入THT的體積成正比例關(guān)系。

（2）使用氣體流量計(jì)，對(duì)天然氣進(jìn)氣速率做數(shù)據(jù)采集。根據(jù)流量大小不同，控制流量計(jì)輸出的4-20mA的模擬量電流信號(hào)大小，進(jìn)一步控制加THT的量。

（3）防爆箱：機(jī)械加工或鈑金件成品，用來(lái)安裝控制系統(tǒng)中帶電部分，比如電源、控制板、信號(hào)接收板、顯示屏等器件。

（4）LCD顯示器，采用LCM12864自帶中文字庫(kù)的顯示屏。

（5）遙控器，由遙控面板及接收器組成。因天然氣屬于易燃易爆物質(zhì)，因此核心控制板必須得置于防爆箱內(nèi)，為了防止天然氣串入控制柜內(nèi)，控制柜設(shè)置為密閉，在信號(hào)接入和引出部分采用防爆穿管并用防火泥進(jìn)行封堵。為方便控制和管理，采用433協(xié)議的無(wú)線載波遙控方案對(duì)各個(gè)目標(biāo)參數(shù)做設(shè)置調(diào)整。遙控器如圖3所示，其工作原理是利用射頻識(shí)別技術(shù)，發(fā)射器先對(duì)控制器的按鍵進(jìn)行編碼，調(diào)制到射頻信號(hào)上后發(fā)射無(wú)線信號(hào)，然后接收器將接收到的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行再次編碼，控制相應(yīng)的控制面板進(jìn)行工作，完成無(wú)線調(diào)節(jié)參數(shù)的功能[1]。

2ARM內(nèi)核的單片機(jī)控制器

電源AC220V經(jīng)過(guò)AC-DC的電源模塊（輸入220V，輸出DC 24V 2A）給控制器提供直流電源，其中J7端口為隔離型RS485通信端口，當(dāng)不需要連接上位機(jī)系統(tǒng)做通信功能時(shí)，可以省略。根據(jù)該計(jì)量泵所需要實(shí)現(xiàn)的控制功能，結(jié)合使用的電子元件，利用ALtium Designer 10軟件，布置有關(guān)電子元件電路板界面，畫(huà)出ARM的控制系統(tǒng)控制界面圖，并制作控制主板。其控制電路板示意圖如圖4所示。

嵌入式ARM的計(jì)量泵控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)天然氣加臭計(jì)量泵的加藥控制，通過(guò)控制計(jì)量泵的加臭頻次、加臭流量、加藥量來(lái)控制天然氣中THT的含量。該計(jì)量泵的控制還設(shè)置有連鎖報(bào)警功能，如THT物料儲(chǔ)罐內(nèi)液位，計(jì)量泵出口流量報(bào)警功能等?，F(xiàn)場(chǎng)采用的儀表及控制器、檢測(cè)元件全部為防爆型。

嵌入式ARM主要通過(guò)接收無(wú)線遙控面板調(diào)節(jié)的有關(guān)控制參數(shù)，無(wú)線遙控能發(fā)出一個(gè)基礎(chǔ)頻率，又叫載波頻率（即38K）。38K的頻率對(duì)應(yīng)的周期為T(mén)（T=0.026毫秒），在這個(gè)T的時(shí)間內(nèi)，用高速中斷去查詢脈沖數(shù)，不同的按鍵被按下去，在這個(gè)周期內(nèi)發(fā)送的脈沖數(shù)是不同的，ARM通過(guò)接受無(wú)線遙控面板的按鍵不同脈沖數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。如“OK”鍵的編碼內(nèi)容為0Xd0e1等[2]。

3控制系統(tǒng)的軟件框架

ARM控制器共實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵的6個(gè)功能，即通訊、流量、設(shè)置、分段、報(bào)警、累計(jì)。具體實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）通訊：按“菜單鍵”—“修改”，可以設(shè)置通訊波特率、通訊地址、通訊方式，設(shè)置完成后按“確定”鍵確認(rèn)。如用戶需要上傳通訊，該參數(shù)的設(shè)定則由廠家調(diào)試人員根據(jù)用戶現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定。如無(wú)上傳通訊則無(wú)須設(shè)定該參數(shù)。

（2）流量：完成通訊后，再次按下菜單鍵出現(xiàn)，出現(xiàn)AB選項(xiàng)，其中AB分別代 計(jì)量泵A和計(jì)量泵B，若生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中只需使用一個(gè)泵，則值需要設(shè)置其中一個(gè)，另一個(gè)備用，所有的操作都通過(guò)無(wú)線遙控面板調(diào)整?？烧{(diào)節(jié)計(jì)量泵A、B的流量上限和下限、使用通道等。A泵和B泵的調(diào)節(jié)是分布進(jìn)行的，先調(diào)節(jié)A，再調(diào)節(jié)B。通常A泵通道設(shè)為1，A泵的流量參數(shù)設(shè)置完成后按“確認(rèn)”鍵，可出現(xiàn)B泵的調(diào)節(jié)界面，B泵的調(diào)節(jié)和A泵的調(diào)節(jié)設(shè)置方法相同，B泵使用通道根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可設(shè)為1或2，然后按“確定”鍵回到主畫(huà)面。流量上限及下限的設(shè)定可根據(jù)用戶流量計(jì)參數(shù)設(shè)定。

（3）設(shè)置：該功能主要是根據(jù)用戶需求，設(shè)置計(jì)量泵的THT的加藥量和單次注入量、頻次等功能。主要控制對(duì)象依舊為計(jì)量泵A和計(jì)量泵B。其主要操作為：按下“菜單”鍵，出現(xiàn)計(jì)量泵A有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)加藥量、單次注入量（根據(jù)用戶實(shí)際需求設(shè)定）、定頻次數(shù)（按用戶需要設(shè)置）、最大頻次（根據(jù)用戶實(shí)際需求設(shè)定），設(shè)置完成后按“確定”鍵出現(xiàn)計(jì)量泵B的有關(guān)設(shè)置。其設(shè)計(jì)程序跟A泵一樣。根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028）中要求，天然氣標(biāo)準(zhǔn)加藥量18-28mg/m?，通常按20mg/m?或25mg/m?設(shè)計(jì)。

（4）分段：該功能為用戶提供分時(shí)段加藥功能。根據(jù)用戶需求，可控制不同時(shí)段加藥的時(shí)間段，且用戶可根據(jù)不同要求，隨時(shí)調(diào)整有關(guān)加THT的時(shí)間。調(diào)節(jié)界面控制時(shí)間段可精確到秒，每天加藥時(shí)段最多可以分成三段。

（5）報(bào)警：該功能為用戶設(shè)定報(bào)警參數(shù)時(shí)使用。主要報(bào)警功能包括液位、流量報(bào)警器的參數(shù)設(shè)置。主要報(bào)警功能包括濃度低報(bào)警、液位低報(bào)警、流量高低報(bào)警。各報(bào)警值可通過(guò)用戶現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)際條件。

（6）累計(jì)：該功能是實(shí)現(xiàn)累計(jì)加藥頻次的統(tǒng)計(jì)，可為用戶提供查詢功能。通過(guò)該功能可查看到計(jì)量泵A和B工作的頻次，以及二個(gè)泵累計(jì)頻次[3]。

4結(jié)束語(yǔ)

基于嵌入式ARM的計(jì)量泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是對(duì)天然氣加臭計(jì)量泵的設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于天然氣調(diào)壓站、天然氣門(mén)站、天然氣長(zhǎng)輸管道等。通過(guò)對(duì)天然氣加臭計(jì)量泵的流量、加入量、頻次、液位的控制，實(shí)現(xiàn)天然氣供氣系統(tǒng)中THT自動(dòng)加入功能，讓人民能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)天然氣的泄漏，防止中毒窒息和火災(zāi)爆炸事故發(fā)生。

參考文獻(xiàn)

[1] 王晶，魏晉宏，馮超.基于嵌入式Linux的恒壓計(jì)量泵控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015，394（11）：64-67.

[2] 武芳軍.電氣自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性測(cè)試與研究[J].民營(yíng)科技，

2011，（6）：9.

[3] 城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范： GB50028-2006[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.