智能排液輸水裝置電控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

曹藝譯

(福州市野人網(wǎng)絡(luò)科技有限公司,福建 龍巖 350001)

0 引言

在天然氣開采中,地面集輸裝置內(nèi)有可能產(chǎn)生大量的產(chǎn)出液,其主要成分為地層水、廢液或者注入水。從安全生產(chǎn)的角度出發(fā),必須嚴(yán)格控制儲(chǔ)罐內(nèi)的液位。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式由人工方式進(jìn)行液體排放,但存在一定的誤操作風(fēng)險(xiǎn)。智能化的電控裝置通過微處理器、控制程序、傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化排液,可靠性顯著提高。軟件控制功能和工作流程是此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn),具有一定的研究?jī)r(jià)值。

1 智能排液輸水裝置電控系統(tǒng)軟件功能需求分析

1.1 排液功能

智能排液輸水裝置的核心功能是自動(dòng)調(diào)節(jié)液體儲(chǔ)罐內(nèi)的液位,使其處于規(guī)定的液位下限和上限之間。液位檢測(cè)傳感器按照一定頻率檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)的液位,將數(shù)據(jù)上傳至處理器,再由處理器向水泵下達(dá)指令,控制啟停和排液時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)液位超過上限時(shí),自動(dòng)開始排液。當(dāng)液位低于下限時(shí),自動(dòng)停止排液。

1.2 防凍功能

液體介質(zhì)在低溫環(huán)境下存在凍結(jié)的現(xiàn)象,有可能堵塞排液管路。智能排液輸水裝置需設(shè)計(jì)防凍功能,相關(guān)措施包括低溫預(yù)警、伴熱帶加熱。當(dāng)溫度接近液體的凝固點(diǎn)時(shí),報(bào)警裝置發(fā)出信號(hào),同時(shí)鎖定水泵,防止啟動(dòng)。如果此時(shí)存在排液需求,應(yīng)該先啟動(dòng)伴熱帶,使其運(yùn)行一定時(shí)間,待液體充分解凍。為防止過分加熱,還應(yīng)設(shè)置高溫預(yù)警,超過溫度閾值后自動(dòng)關(guān)閉加熱功能[1]。

1.3 壓力控制功能

液體儲(chǔ)罐和排液輸水管路存在一定的壓力,在管道堵塞的情況下開啟排液泵,通常會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)壓力驟增,嚴(yán)重時(shí)超過其抗壓極限,引起管道爆炸。壓力控制功能以壓力檢測(cè)傳感器為基礎(chǔ),當(dāng)檢測(cè)到壓力超過安全閾值后,自動(dòng)鎖定排液裝置,禁止其工作。

2 智能排液輸水裝置電控系統(tǒng)軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 溫度調(diào)節(jié)模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1.1 溫度采集

(1)電流信號(hào)與溫度之間的轉(zhuǎn)換。

智能排液輸水裝置通過電流型溫度傳感器檢測(cè)罐內(nèi)的液體溫度,其檢測(cè)范圍在-20 ℃～90 ℃,傳感器通過電流強(qiáng)度表征溫度,電流輸出最低值為4 mA,最高值為20 mA。該輸出電路經(jīng)過電阻時(shí),形成電壓信號(hào),并將其傳入ADC引腳[2]。將傳感器的溫度采樣輸出結(jié)果記為S1,其計(jì)算方法為:

(1)

式(1)中,電阻R1用于將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),I1為傳感器的電流輸出信號(hào),12表示ADC精度的位數(shù),VADC表示ADC的參考電壓,?」表示取整運(yùn)算。此時(shí)還需將S1轉(zhuǎn)化為具體溫度,根據(jù)溫度檢測(cè)范圍和電流輸出范圍,可得到電流與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(2)

式(2)的計(jì)算規(guī)則受到U4A運(yùn)算放大器的影響。式(1)中的R1和VADC為已知量,S1通過ADC模塊直接采樣獲得,將以上3個(gè)參數(shù)代入式(1)中,即可求得I1,再將I1代入式(2),即可獲得液體的理論計(jì)算溫度。

(2)濾波處理。

初始采集的溫度信號(hào)存在平滑性不足的問題,這種信號(hào)毛刺現(xiàn)象是由ADC采集模塊引起的,因而需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理,濾波操作的數(shù)學(xué)模型如下。

f(k)=αf(k-1)+(1-α)g(k)

(3)

式(3)中,信號(hào)的采樣時(shí)刻記為k,該時(shí)刻的溫度采樣結(jié)果(S1)表示為g(k),濾波處理的系數(shù)記為α,k-1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度濾波結(jié)果表示為f(k-1),k時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度濾波結(jié)果為f(k)。濾波處理的目的是提高系統(tǒng)測(cè)量溫度的客觀性,使其更加符合理論計(jì)算的結(jié)果,表1為濾波處理后系統(tǒng)實(shí)測(cè)溫度與理論計(jì)算結(jié)果之間的對(duì)比。從中可知,經(jīng)過處理后,誤差率最大值為5.64%,準(zhǔn)確率較高。

2.1.2 溫度調(diào)節(jié)

溫度調(diào)節(jié)控制的關(guān)鍵在于報(bào)警溫度以及啟泵溫度的選取。大部分液體介質(zhì)在0 ℃時(shí)開始凍結(jié),因而將報(bào)警溫度設(shè)置為0 ℃,此時(shí)排液泵處于禁止開啟的狀態(tài)。如果排液泵禁止后要再次啟動(dòng),需要將液體溫度加熱至15 ℃。溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)的工作流程為采集儲(chǔ)液罐內(nèi)溫度,判斷是否低于報(bào)警溫度,如果低于該閾值,則軟件發(fā)出報(bào)警信息、顯示低溫標(biāo)志和禁止水泵開啟標(biāo)志。如果高于該閾值,則繼續(xù)判斷是否低于伴熱帶低溫限制,高于伴熱帶溫度限值時(shí)開啟伴熱帶加熱[3]。

2.2 壓力控制模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.2.1 壓力采集

根據(jù)功能需求,當(dāng)排液外輸管道壓力過大時(shí),水泵將處于禁止開啟的狀態(tài),在這種情況下,儲(chǔ)液罐內(nèi)可能存在排液需求,如果不能及時(shí)排液,罐體也存在一定的超壓運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。因此,在智能排液輸水裝置中需設(shè)計(jì)壓力傳感器,其工作原理與溫度傳感器類似,以輸出電流表征壓力值的強(qiáng)弱,電流最低輸出值為4 mA,最高輸出值為20 mA。電流信號(hào)經(jīng)過電阻后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)[4]。將電壓傳感器的電流輸出值記為I2,電流信號(hào)經(jīng)過電阻R2后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào),ADC模塊的采樣結(jié)果記為S2,計(jì)算方法為:

(4)

傳感器的壓力檢測(cè)范圍為0～10 MPa,電流輸出值與壓力值的關(guān)系可按照以下公式計(jì)算。

(5)

S2、R2、VADC均為已知量,可根據(jù)式(4)計(jì)算出I2,代入式(5),求出與電流輸出值對(duì)應(yīng)的壓力值。由于壓力傳感器對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)S2由ADC模塊采樣獲得,因而也存在信號(hào)平滑性不足的問題,可參考溫度測(cè)量模塊完成濾波處理。表2為系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力數(shù)值與理論計(jì)算值的對(duì)比。

表2 系統(tǒng)實(shí)測(cè)壓力值與理論計(jì)算壓力值的對(duì)比結(jié)果

2.2.2 壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)流程

當(dāng)智能排液輸水裝置進(jìn)入工作狀態(tài)后,由壓力傳感器采集水泵外輸管道內(nèi)的壓力值,處理器根據(jù)采集信號(hào)判斷壓力值是否超過高壓閾值,如果未超過,軟件系統(tǒng)提示允許水泵運(yùn)行的標(biāo)志。如果超過閾值,軟件系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息,同時(shí)顯示禁止水泵開啟的標(biāo)志。

2.3 排液控制模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.3.1 液位信號(hào)采集及數(shù)據(jù)處理

從企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)情況來看,常用的液位計(jì)分為數(shù)字式和模擬式兩類,其信號(hào)采集方式存在一定差異,具體如下。

(1)數(shù)字式液位計(jì)的信號(hào)采集。

數(shù)字式液位計(jì)不能連續(xù)測(cè)量液位信息,僅能識(shí)別預(yù)先設(shè)置的梯度閾值,當(dāng)液位為儲(chǔ)罐的0%、25%、50%、75%、100%時(shí),示波器可顯示液位信號(hào)。當(dāng)液位處于兩個(gè)臨近梯度之間時(shí),示波器顯示為平穩(wěn)的高電平(無(wú)效信息)。處理器通過GPIO端口,從數(shù)字式液位計(jì)獲取特定梯度的液位信息。數(shù)字式液位計(jì)所采集的信號(hào)無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換[5]。

(2)模擬式液位計(jì)的信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理。

模擬式液位計(jì)的信號(hào)采集方式與溫度、壓力傳感器類似,以電流強(qiáng)度表征液位高低,電流輸出范圍在4 mA～ 20 mA,液位測(cè)量范圍為0%～100%。電流信號(hào)經(jīng)過電阻R3后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷?由ADC模塊采集,采樣結(jié)果記為S3,對(duì)應(yīng)的理論計(jì)算方法為:

(6)

液位計(jì)輸出的電信號(hào)與電壓之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系為:

(7)

R3、VADC、S3均為已知量,代入式(6)可求出I3,將I3代入使(7),即可求出液位的理論值。模擬液位計(jì)的檢測(cè)值具有連續(xù)性。

2.3.2 軟件智能排液實(shí)現(xiàn)方法

由于液位檢測(cè)對(duì)儲(chǔ)液罐的安全管理具有突出作用,故在液位檢測(cè)中設(shè)置冗余功能。同時(shí),運(yùn)用數(shù)字式和模擬式兩種液位計(jì),優(yōu)先采用模擬式液位計(jì)的信號(hào),當(dāng)其信號(hào)為無(wú)效信息時(shí),再采用數(shù)字式液位計(jì)的采集信號(hào)。當(dāng)儲(chǔ)液罐內(nèi)的液位值超過75%時(shí),由處理器綜合溫度、冷凍情況、壓力情況,判斷是否實(shí)施自動(dòng)排液。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)液位低于25%時(shí),在處理器的指令下自動(dòng)關(guān)閉排液泵。

2.3.3 系統(tǒng)液位信息及排液裝置工作狀態(tài)指示

狀態(tài)指示信息是人機(jī)交互的重要依據(jù),能夠幫助管理人員快速掌握設(shè)備工作狀態(tài)。指示信息主要包括各類報(bào)警符號(hào)、水泵禁止和開啟符號(hào)等。軟件系統(tǒng)采用的報(bào)警符號(hào)信息如表3所示。

表3 智能排液輸水裝置的報(bào)警代碼及含義示例

2.4 通信及命令處理模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.4.1 通信模塊設(shè)計(jì)

(1)以太網(wǎng)通信設(shè)計(jì)。

以太網(wǎng)具有傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高、傳輸量大等優(yōu)勢(shì),可用于遠(yuǎn)程操控智能排液輸水裝置,其接入?yún)f(xié)議為TCP/IP協(xié)議,對(duì)應(yīng)接口為RJ45。系統(tǒng)用戶端為管理人員的手持終端設(shè)備,如手機(jī)應(yīng)用、電腦軟件,服務(wù)器端采用ARM微型處理器?？蛻舳撕陀脩舳酥g設(shè)計(jì)有W5500協(xié)議棧芯片。用戶端和W5500之間以Socket(套接字)方式實(shí)現(xiàn)通信,W5500和ARM處理器之間以SPI(串行外設(shè)接口)接口實(shí)現(xiàn)通信。

(2)RS485通信設(shè)計(jì)。

智能配液輸水裝置的軟件系統(tǒng)支持通過RS485接口與用戶手持終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)通信,相應(yīng)的通信協(xié)議為Modbus(一種串行通信協(xié)議)。該通信協(xié)議存在兩種通信模式,分別為RTU模式和ASCⅡ模式,前者在信號(hào)傳輸?shù)恼_率、傳輸效率方面表現(xiàn)出更強(qiáng)的性能,故采用RTU模式。

2.4.2 命令處理模塊設(shè)計(jì)

從通信方式可知,管理人員可通過RJ45接口或者RS485接口向服務(wù)器發(fā)出操作指令,電控軟件系統(tǒng)在接收到指令后,需要先判斷指令是否與設(shè)備地址相符,如果不相符,則要提示匹配異常的信息。若二者相符,則要判斷接收到的幀信息是否正確,如果幀信息不正確,則要生成異常碼,向管理人員作出提示。若幀信息通過檢驗(yàn),則調(diào)用功能代碼,判斷輸液泵的狀態(tài)、獲取液位計(jì)輸入狀態(tài)、判斷寄存器地址是否正確等。待各類檢驗(yàn)完成且符合要求后,由服務(wù)端生成應(yīng)答幀數(shù)據(jù),通過接口將應(yīng)答信號(hào)發(fā)送至用戶端。

3 結(jié)語(yǔ)

在智能排液輸水裝置電控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,三大核心功能為自動(dòng)排液、溫度調(diào)節(jié)、壓力控制。以電流式傳感器采集液位、溫度以及壓力信號(hào),經(jīng)電阻轉(zhuǎn)化為電壓,由ADC模塊采集為電壓信號(hào),ARM微處理器獲取信號(hào)后判斷是否存在低溫報(bào)警、壓力報(bào)警、液位超限等情況,進(jìn)而向排液泵發(fā)出開啟或者禁止運(yùn)行等指令。管理人員通過計(jì)算機(jī)終端遠(yuǎn)程監(jiān)視和操控相應(yīng)的電氣設(shè)備。