（材料加工工程专业论文）油田原油电脱水自动化改造方案设计.pdf

摘要基于当前油田现场电脱水装置面临的脱水过程易中断、工人操作复杂的问题以及满足对脱水电源进行实时监控的实际要求，结合u s b 总线的突出优点，设计了以a d 转换芯片a d s 7 8 1 8 和u s b 2 0 接口芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a 为核心的高速实时数据采集系统；结合阀门自动控制理论和数字通信技术、计算机技术，设计了一套基于a t 8 9 s 5 2 单片机的阀门电动智能控制装置，实现了油田原油电脱水的自动化改造。在数据采集部分，介绍了c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的性能和特点，设计了包括前置调理模块、a d 转换模块和数据采集模块的硬件电路；详细介绍了c y 7 c 6 8 0 1 3 a 的固件框架，完成了芯片端口模式的固件设计；完成了以微软w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e ) 驱动模型为基础的能自动加载固件程序的驱动程序设计，实现了采集系统的实时更新；最后结合驱动程序利用v c + + 6 0 软件编写了多线程的界面应用程序，完成了对所采集数据的图形化显示和存储功能。在阀门自动控制部分，完成了电动阀门机械执行机构设计。设计内容包括阀门的选型，球阀基本尺寸的计算，电机的选型以及二级齿轮蜗杆减速器的设计。在电动智能控制器部分将伺服放大器与执行机构合为一体，以单片机技术为核心，设计了电动执行机构的硬件电路和软件编程，包括电机驱动电路的设计、采用增量式编码技术采集阀位信号、人机接口交互模块的设计。增设了系统的行程保护、过电流保护和电机过热保护等以提高可靠性，还具有断电信号保护和实时显示阀位功能。此外还可以进行现场操作，完成手动操作及手动自动之间的无扰动切换。经过总体联调和实验室实验，系统达到预期的功能要求，具有一定的工程使用价值。关键词：原油脱水，u s b ，数据采集，电动阀门t h es c h e m ed e s i g no fc r u d eo i ld e h y d r a t i o np o w e rs u p p l yi na u t o m a t i o nr e t r o f i tz h o ub i n ( m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g )d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f n i uj u n b a n ga b s t r a c tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no far e a l - t i m ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hi sf o r m e db ya d s 7 8 4 1c h i pa n du s bc o m m u n i c a t i v ei n t e r f a c ec h i pc y 7 c 6 8 0 1 3 af o rt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m em o n i t o r i n gd e h y d r a t i o np o w e ra c c o r d i n gt ot h ee x c e l l e n ta d v a n t a g e so fu s b a n dt h ep a p e ra l s od e s i g na l le l e c t r i cv a l v ea c t u a t i n gi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rb a s e do n51m c ua t 8 9 s 5 2a c c o r d i n gt ot h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , d i g i t a lc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y t h ec o n t r o l l e ru s e df o rs o l v i n gt h ep r o b l e m ss u c ha st h ed e h y d r a t i o np r o c e s si si n t e r r u p t e de a s i l ya n dc o m p l e xo p e r a t i o n i nt h ep a r to ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep e r f o r m a n c eo fu s b 2 0c o n t r o l l e rc y 7 c 6 8 013 aa n dd e s i g n sh a r d w a r ei n c l u d i n gt h ec o n d i t i o n i n gm o d u l e ，a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nm o d u l ea n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e i nt e r m so ft h ef i r m w a r ed e s i g n ，t h ec y 7 c 6 8 013 af i r m w a r ef l o wi sd e s c r i b e d ，a n dt h ef i r m w a r ed e s i g no fe n d p o i n t si sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gi nd e t a il i nt h ep a r to fd r i v e rp r o g r a m ，t h ep a p e rc o m p l e t e sad r i v e rp r o g r a mw h i c hi sb a s e do nt h ew d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e ) t h ed r i v e rp r o g r a mc a nd o w n l o a dt h ef m n w a r ea u t o m a t i c a l l y a tl a s t ，m u l t i t h r e a di n t e r f a c ea p p l i c a t i o np r o g r a mb a s e do nv c + + 6 0i sc o m p l e t e d i nt h ep a r to ft h ev a l v ea u t o m a t i cc o n t r o l ，t h ep a p e rd e s i g n st h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h ee l e c t r i cv a l v ei n c l u d i n gt h ec h o i c eo ft h ev a l v ea n dd em o t o r , t h es i z ec a l c u l a t i o no ft h eb a l lv a l v ea n dt h ed e s i g no fg e a rw o r mr e d u c e r i nt h ep a r to fe l e c t r i ci n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r , t h ep a p e rd e s i g n st h eh a r d w a r ec i r c u i t sa n ds o f t w a r eo ft h ee l e c t r i cc o n t r o l l e rc o m b i n e dw i ms e r v oa m p l i f i e ra n de l e c t r i ca c t u a t o r t h ep a p e rc o m p l e t e st h ed e s i g no fm o t o rd r i v ec i r c u i t ，t h ea c q u i s i t i o no ft h ev a l v ep o s i t i o nu s i n gt h ei n c r e m e n t a lp h o t o e l e c t r i cc o d e dd i s ka n dt h ed e s i g no fh u m a n - c o m p m e ri n t e r a c t i o nm o d u l e i no r d e rt oi m p r o v i n gt h es y s t e mr e l i a b i l i t y ,t h ep a p e rd e s i g n st h es t r o k ep r o t e c t i o n ，t h eo v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o na n dt h eo v e r h e a tp r o t e c t i o n t h es y s t e mc o n t a i n sm o r ef u n c t i o n ss u c ha st h er e a l - t i m ed i s p l a yo fv a r i o u sp a r a m e t e r s ，t h e iv a l v ep o s i t i o nl o c a t i o n , t h ef i e l do p e r a t i o n , t h em a n u a la u t o m a t i ch a n d o v e ra n ds oo n a f t e rc o l l e c t i v i t yj o i n td e b u ga n dl o a dt e s t , t h es y s t e ma c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e df u n c t i o nr e q u e s t , t a k e so nc e r t a i nu s ev a l u e k e yw o r d s ：c r u d eo i ld e h y d r a t i o n , u s b ，d a t aa c q u i s i t i o n , e l e c t r i cv a l v e关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：日期：砷年么月伊日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：冉一一指导教师签名：1 7 f 茛1日期：如彳年么月垆日醐：7 吖肜日中国石油大学( 华东) 硕士学位论文1 1 选题背景第一章绪论1 1 1 原油脱水的目的和脱水方法介绍石油是从地下可渗透的岩石中开采出来的，这些岩石中除了含有原油和天然气外，还含有大量的水。由于水的流动性比石油好，当原油和天然气通过油井采出时，势必将部分水携带上来。随着原油和天然气的采出，地层压力逐渐降低。为了保持油层压力，实现油田长期高产稳产，广泛采用地层注水的开发方式，以此提高油田的采收率。因此，在油田开发初期，原油中含水相对较低，随着注水方案的实施，大量的水被注入地下，开采出的原油含水会不断上升，油水比可达1 ：9 以上。目前，我国陆上油田大部分已进入开发后期，综合含水达到8 0 以上，部分油田已超过9 0 。原油含水后，其比热、粘度等物理性质发生很大变化，危害主要表现在以下几个方面：原油含水增大了油井采出液的体积，这就极大地降低了油田地面集输管道、储罐及其它设备的有效利用率；原油含水使摩擦阻力大幅度的增加，从而增加了管道输送中的、二动力消耗；在原油的集输、脱水、稳定过程和炼油厂原油的加工过程中，为满足一定的工艺要求，往往要对原油加热升温，原油含水增加了升温过程中的燃料消耗；原油中所含的地层水都有一定的矿化度，当矿化度较高时，其中的碳酸盐会在管道和设备的内壁沉积结垢，久而久之会使管道通径变小，甚至完全堵塞。尤其当地层水中含有氯化镁、氯化钙、氯化锶、氯化钡等物质时，这些物质会部分水解放出氯化氢，引起金属管道和设备腐蚀、穿孔。这些影响无论对油田、长输管道还是炼油厂都是致命性的危害；原油中若含有盐和水，它一方面会加大蒸馏塔内气体的线速度，影响分馏效果，严重时甚至会引起冲塔。另一方面，当水含量不均匀时，会引起设备内压力突然变化，不仅使蒸馏装置无法平稳运行，甚至可能出现超压爆炸现象【1 】；此外，原油含水可能还会引起催化剂中毒，影响二次加工原料及产品质量【2 j 。因此，必须对超过标准的含水原油进行脱水处理。炼油厂对进厂原油的含水率有严格的要求，我国规定原油的含水率应在0 5 以下，国外要求o 0 3 2 o 不等。目前主要有以下几种原油脱水方法：沉降分离、化学破乳、电脱水、润湿聚结，其中电脱水法是比较经济有效的方法之一，广泛应用在各大油田中【3 】。第一章绪论1 1 2 电脱水原理与脱水电源介绍电脱水原理是在脱水罐中设置一定层数的电极，通过脱水电源对电极施加交变的高电压，在电极层间形成高压电场，高压电场会使电极间原油中的水分子极化，打破包围水分子的乳化膜，水分子就会相互吸引而聚成较大的水滴。由于水的比重大于原油的比重，较大的水滴会下降至罐底，从而达到脱水的目的【4 1 。电脱水的原理如图1 1 所示。图1 - 1 电脱水原理图f i g l 一1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r i c a ld e h y d r a t i o n电脱水最主要的部分是脱水电源，它的作用是将工频电转换成频率电压可调的电源，然后通过高频变压器转变成高压后加到脱水罐的电极板上，从而完成电脱水的过程。目前胜利油田东辛采油厂使用的是矩形波交流脱水电源，它利用大功率的整流逆变技术，将工频电转换成频率、脉宽比、幅值可调的矩形波电压，施加在脱水罐上，完成电脱水的过程。因为它的电压形式是矩形波，比起一般的正弦波，在一个周期内它的有效脱水范围宽，持续的时间长。并且由于它的频率可调，可以根据特定的原油，选择最佳的脱水频率，从而达到比较理想的效果【5 】。脱水过程如图1 2 所示。a c( a ) 水珠被极化a c( b ) 水珠聚集沉降图1 - 2 电脱水过程示意图f i g l - 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fe l e c t r i c a ld e h y d r a t i o n2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文现场实际使用表明，矩形波交流原油脱水电源运行平稳，工作稳定，脱水效果显著。1 1 3 课题的提出通过脱水电源现场的实际使用和对脱水工艺的分析可得，如果能够实时监控脱水电源的工作状态，并根据采集到的数据来实时调整电源参数，就能够使得电源工作在最优状态，获得最佳的脱水效果。同时还能够预知事故的发生，为现场事故的解决提供一个重要的参考依据。因此课题设计了基于u s b 总线技术的数据采集系统。通过它可以检测脱水电源的实际运行电参数，实现了对电脱水过程的现场跟踪和实时监控，同时也为脱水电源的故障诊断提供了依据。现场脱水过程调查发现：当进入脱水罐的原油是劣质油或老化油时，脱水罐中的原油乳化液的阻抗就会减少，此时如果不降低极板之间的电压，脱水电源的电流就会不断上升。当电流上升到脱水电源的保护电流值时，脱水电源就会自动关机保护。此时值班人员必须要关闭进油口和出油口的阀门，将脱水罐静置一段时间，等到脱水罐内原油恢复正常后再重新打开阀门，重新启动脱水电源，恢复到原来的额定进油量和出油量。在一段时间内，当老化油含量比较多时，工作人员就会频繁地操作阀门，这不仅大大增加了工作量，而且还会使得脱水效果不理想，影响生产率。因此课题还设计了一套电动阀门智能控制装置，根据数据采集系统采集到的电源电参数，来实时调整阀门的阀位状态，从而保证脱水电源的正常工作，使得脱水过程得以持续进行。这样既保证了原油脱水效果又大大减轻了工作人员的工作强度，实现了电脱水过程的自动化改造。1 2 研究概况1 2 1 油田现场数据采集系统的研究概况数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ) 是获取设备实际信息的一个重要手段，是以传感器、信号测量与处理、微型计算机等技术为基础而形成的一门综合性应用技术。数据采集将被监控对象的各种实际现场参量( 如压力、流量、温度、液位等) 转换成一定范围的电压、电流信号，再将它们转化为计算机可以识别的数字量，在计算机中以数字、图形或者曲线的方式显示出来，从而使操作人员能够直观而迅速的了解被监控对象的变化过程。在研究信息数据的采集、存储、处理及控制等方面，具有很好的实用性。随着科学技术的发展，数据采集技术已在工业生产和科学技术研究等众多领域中得到了广泛应用并取得了良好的效果【刚。第一章绪论目前油田现场对各种物理量进行采集多是通过数据采集卡进行的，如a d 卡或4 2 2 ，4 8 5 等总线板卡。它们是通过p c 机内置的i s a 或p c i 等接口来与外围采集系统之间进行通信。在使用时首先要断电，然后打开p c 机的机箱，将采集板卡插入p c 机主板上的对应的接口，才能完成p c 机与板卡之间的通信，完成数据采集的任务，操作复杂；由于计算机主板上的插槽个数有限，因此配备采集设备的个数也受到一定的限制；在主板上安装插卡必须进行资源的重新配置，以避免p c 机外围接口中断资源的冲突，而此项工作专业性很强，非专业的人员很难完成；内置式的插卡容易受到p c 机箱内高频信号的干扰，降低了采集系统的采样精度和稳定性。这些缺点使得它们的应用受到了很大的局限。现在的u a r t 串行口虽然支持外插，但因其速度太慢、不能扩展等缺点，远不能适用当今高速设备的发展需求【7 1 。通用串行总线( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，简称u s b ) 使速度快、易扩展、即插即用等优点有机的结合在一起，很好地解决了以上这些问题，很容易就能实现低成本、高可靠性的数据采集系统。因此基于u s b 的数据采集系统发展非常迅速。u s b 是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) 的简称，是1 9 9 5 年c o m p a q 、i b m 、i n t e l 等七家公司为了解决传统总线的不足而共同开发的一种新的外设连接技术。由于u s b 具有使用方便、连接灵活、高性能和系统成本低等优点，在很短的时间内就从书面协议转变成为产品，迅速被应用在视频会议的摄像采集、扫描仪、监视器、p c 电话设备、人机交互设备和游戏设备等方面，在国内也逐渐应用在工业数据采集系统中 6 】。u s b 总线具有如下优点嘲：( 1 ) 传输速度快u s b l 1 全速模式的速率为1 2 m b p s ，u s b 2 0 规范规定的最高传输速率则高达4 8 0 m b p s ，远远高于串口的l15 k b p s 2 3 0 k b p s 数据传输率和标准并口的1 m b p s 的数据传输率。( 2 ) 设备安装和配置容易，使用灵活使用u s b 接口通过集线器可以连接多个不同的设备，支持热插拔；在软件方面，u s b 设备的驱动程序和应用软件可自动启动，无须用户的干预。u s b 设备也不涉及i r q冲突等问题，它单独使用自己的保留中断，不会与其他设备争用p c 机有限的资源，配置简单，使用方便。( 3 ) 易于扩展通过使用集线器( h u b ) 扩展，可接多达1 2 7 个外设，解决了外设越来越多造成的4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文插槽紧张问题。通过h u b 或中继器可以使外设连接距离最远达到3 0m 。( 4 ) u s b 设备独立供电u s b 接口提供了内置电源，外设可以通过u s b 电缆直接被加电。电缆提供5 v 的直流电压，电流最高可达5 0 0m a ，可以连接功耗较低的设备。3 n s 内总线没有动作则自动进入挂起状态，这时消耗的电流不超过5 0 0 t a ，大大节约了能源。目前，在国外u s b 数据采集技术发展得非常迅速。尤其是在高速数据传输、高实时性、高同步性等方面尤为突出，投入的资金和人力都很充足，从事u s b 数据采集开发的企业公司也相当多，例如d a t x 公司的d t 9 8 3 4 9 系列产品，美国o c e a n o p t i c a s 公司的a d c l 0 0 0u s b 1 0 1 ，n i 公司的u s b d a q t l l 】卡系列等。近几年来，u s b 数据采集开发在国内已经开始起步，迅速发展，水平也不断提高。市场上国内的主要产品有北京优采公司的u a 3 0 0 系列、四川拓普公司的u d a q 、u b o x 、u c a r d 等系列。虽然与国外同类产品相比，国内u s b 数据采集系统性能有一定差距，如大部分产品仍采用u s b l 1 协议，数据采集频率、精度和分辨率较低，数据处理能力差，存储容量小等等，但是国内各企业、科研机构正积极跟踪国外最新技术，不断提高u s b 数据采集的研究开发，力争保持国内产品低价位的同时达到国外产品的高品质【6 】。1 2 2 油田自动控制阀门研究现状水、汽( 气) 、油等流体与工业发展有着密切联系，而流体在工业上的应用离不开管网系统，有管网必然有阀门。阀门是管道控制系统中的重要组成部分，是用来截断和调节管道中介质流量的，广泛应用于石油、化工、电站、长输管线、造船、核工业、各种低温工程、宇航及海洋采油等国民经济各部门。阀门在工业生产中起到了很大的作用，应用非常广泛【1 2 】。目前，油田现场常用的自动控制阀门按其动力源的不同，可分为气动阀门、液压传动阀门和电动阀门。气动阀门以压缩空气作为工作介质，进行动力传递和信号控制，具有防火、防爆、防电磁干扰、抗振动冲击辐射、结构简单等优点，所以近年来发展很快。但其工作速度慢、压缩空气不容易获取等缺点，使得气动阀门的使用受到了限制。液压传动阀门是在帕斯卡静压传动原理上发展起来的，可以在传动介质体积较小的情况下，输出较大的力或力矩，容易实现功率的放大，其传动平稳，可以在高速下启动、制动、转向，但存在阀门体积较大，使用、安装、拆卸、维修困难等缺点，不便在较小功率场合下使用。所以，液压传动阀门的使用范围有限。随着机电一体化技术的发展，电动阀5第一章绪论门在工业生产中表现出巨大的优势，越来越多地应用到油田控制现场和民用自动控制系统中。电动阀门由阀门电动装置和阀门两部分组成，可以接受操作人员或自动装置的命令，自动截断管道中的介质流量，与气动阀f - j u 液压传动阀门相比较，具有动作响应速度快、工作效率高、调速性能好、操作简便等优点。电动阀门的电动装置以电能为动力，接受调节器来的标准信号( 模拟量或数字量) ，通过将这信号转变成相对应的机械位移( 转角、直线或多转) 来自动改变操作变量( 调节阀、风门、挡板开度等) ，以达到对被调参数( 温度、压力、流量、液位等) 进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以电动装置对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影响。它作为控制和驱动阀门的重要装置，在石油、电站、污水处理等工业现场得到了广泛的应用。随着能源、化工、钢铁、运输和建筑等现代工业高速发展以及与其有密切联系的水、气( 汽) 、油等流体在工业上的应用，管道系统中的电动阀门在生产中发挥着重要作用，对阀门电动执行装置的功能和使用要求也不断提高，迫切需要智能化的新一代产品替代目前使用的产品，以提高生产效率。长期以来，国内油田现场使用的电动阀门一直沿用2 0 世纪5 0 、6 0 年代的传统技术，产品机械结构复杂，结构匹配不合理，控制精度较低，不适合远距离集中控制，很难满足生产自动化的需要。操作使用中很多弊端无法克服，极易产生控制失灵。而且在很多场合下只能人工现场控制，如果是在有毒、易爆或易燃介质的生产现场，人工操作就极为危险。现有的国产阀门电动执行机构存在着控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善的保护和故障报警措施以及必要的通信手段等问题，使得现有的阀门电动执行机构不便于调试和维护，也不能根据生产的实际要求进行参数的现场调整，不能组成网络进行远程控制。目前，国内在执行器领域以引进为主，进行了一定程度的消化和吸收。如鞍山阀门厂引进了日本的相关技术，所生产的系列电动执行机构具有相当好的性能和控制精度，吴忠仪表七厂和四川仪表十一厂又引进了西门子的电动执行机构。国内一些单位在执行器智能化方面也做了一些探索。如上海工业制动华仪器仪表研究所开发了新型智能电动执行器，其主要特点是：主要技术指标超过国内现有产品，工作死区小于0 5 级，基本回差和误差都小于1 级，使用方便，具有自诊断、自调整和p i d 调节功能。国外许多相关厂家长期对电动阀门的研究开发和改进，形成了新一代智能电动阀门，增加了许多功能，并扩展了它的应用领域，各项指标和性能也得到了提高，广泛应用于工业生产。但国外生产的阀门电动执行装置及其控制器价格昂贵，而且很难和国内目前使用的电动装置相兼容，售后服务不完善，零部件配套困难。因此，运用数字技术、单片机技术、电6中国石油大学( 华东) 硕士学位论文力电子技术等先进技术，开发研制性能先进、功能完善，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制并能适应我国工业生产和发展需要的新型智能电动阀门执行装置有重要的现实意义【1 3 】。1 3 课题研究内容与章节安排课题在调查了油田原油脱水现场遇到的实际问题的基础上，提出了一种用于脱水现场的自动化改造方案：通过采集脱水电源的电参数来实时判断当前脱水罐的实际运行情况，并根据采集到的电源参数来自动调整脱水罐的进油量和出油量，使得脱水过程连续进行，保证脱水的效果，减少工人的工作量。主要内容包括两方面内容：基于u s b 总线技术的数据采集系统设计和基于单片机技术的电动阀门装置的设计。本文章节安排大致如下：第一章绪论部分。主要介绍了油田原油脱水的目的和方法，阐述了电脱水的基本原理并对脱水电源做了简要的介绍。论述了u s b 数据采集系统和电动控制阀门的研究现状和发展前景，并概述了课题所要研究的主要内容。第二章电脱水过程自动化改造总体方案设计。对自动化改造方案进行了总体设计，阐述了方案所实现的功能，给出了方案设计性能指标，并对u s b 数据采集系统和电动阀门进行了方案设计。第三章u s b 数据采集系统设计。对系统硬件部分信号前置调理模块、模数转换模块、数据采集传输模块和电源转换模块分别进行了设计，最后进行了整体电路设计。详细介绍了固件程序框架结构及其子程序；基于微软的w d m 驱动程序模型，完成了能自动加载固件程序的驱动程序设计；利用v c + 6 0 软件编写了采集系统的上位机应用软件。第四章电动阀门设计。完成了阀门的选型，球阀基本尺寸的计算，球阀流量特性的选择，球阀操作力矩的计算，电机的选型与功率计算等工作。对齿轮蜗杆二级减速器、阀门手动一自动切换装置进行了设计。对电动阀门智能控制器的硬件电路和软件分别进行了设计。硬件设计方面，完成了直流电机驱动模块、阀位信号采集模块、人机交互模块和阀位极限位置检测模块的设计；软件部分，完成了阀位信号的采集，利用汇编语言编写了电机的p w m 控制软件，完成了数码管显示的软件编程，实现了人机交互功能。第五章系统调试与实验结果分析。7第二章电脱水过程自动化改造总体方案设计第二章电脱水过程自动化改造总体方案设计2 1 总体方案设计通过对油田电脱水现场的实际调查，为了改进脱水效果，提高生产率，课题设计了一套自动化改造方案用于油田电脱水的过程中。方案的总体结构如图2 1 所示。图2 - 1 改造方案总体结构图f i 9 2 1o v e r a l ls t r u c t u r a ld i a g r a mo f m o d i f i c a t i o n自动化改造方案以电动阀门智能控制器为核心，通过检测数据采集板采集的脱水电源的电参数来自动调整阀位，从而保证脱水过程的连续进行，确保脱水效果。智能控制器通过直流电机经减速器减速后驱动阀门阀轴的转动来控制阀位，通过直接安装在阀轴上的光电编码盘实时反馈阀门当前位置状态，经过软件比较处理，输出实时的控制信号来调整阀门的实际工作状态，实现系统的闭环控制。改造方案还设计了手动自动切换装置，当电信号出现故障时，可以通过手动自动切换装置将控制方式改为手动控制，使用旋转手轮来调节阀门的阀位。系统方案的设计分为两部分进行，一是基于u s b 总线技术的数据采集系统的设计。在这部分主要通过数据采集板来实时的采集脱水电源的工作参数，并将参数送到上位机进行显示，完成对脱水电源的实时监控：二是基于单片机技术的电动阀门的设计。通过电动阀门智能控制器来实时调整阀门的工作状态，保证脱水过程的连续进行。8中国石油大学( 华东) 硕士学位论文2 2u s b 数据采集系统方案设计系统基本操作如下：用户通过上位机的数据采集应用软件在线下载系统固件程序代码，并向u s b 数据采集板发送采集命令。当u s b 采集板接收到采集命令后，即启动数据采集程序，设置a d 转换参数，启动a d 转换并进行数据采集，采集过程的同时将数字信号通过u s b 总线传输到上位机中，进行处理、实时显示和存储。2 2 1 系统硬件设计系统硬件主要由以下几个模块构成：信号前置调理模块、模数转换模块、数据采集传输模块、电源模块。硬件电路结构如图2 2 所示。信号前置调理模块模蓑萎换i 吲黼( c y 糕7 c 6 懒8 0 1 3 燃a ) 例上位机模块mm 上世仍电源模块图2 - 2 硬件系统结构示意图f i 9 2 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo fh a r d w a r es y s t e m数据采集系统以数据采集传输模块为核心( c y 7 c 6 8 0 1 3 a 为u s b 主控芯片) ，配备以信号调理模块、a d d 转换模块、电源模块完成数据的采集和传输过程。信号前置调理模块完成抑制输入电压信号的干扰、信号反相等预处理功能；a d 转换模块负责对预处理后的标准信号进行量化、采样和转换；数据采集传输模块负责启动采集并将采集到的数字信号实时传送到上位机进行处理、存储和显示。整个系统在主控芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 a的控制下协调工作，完成信号的采集和传输过程。传输过程不仅速度快( 最高可达4 8 0 m b p s ) ，而且传输过程和采集过程可并行运行，保证了信号采集的实时性和连续性。2 2 2 系统软件设计u s b 系统软件设计由u s b 设备固件程序、u s b 设备驱动程序和系统应用程序三部分组成【1 4 1 。软件系统的组成如图2 3 所示。设备的固件程序主要完成系统的初始化、处理标准u s b 设备请求、u s b 设备电源管理、对a d 转换芯片进行配置、储存并传输数据等功能，它提供了u s b 数据采集系统的底层软件框架，是最基本的程序。9第二章电脱水过程自动化改造总体方案设计u s b 主机底层驱动u s b 总lu s b 设备c y 7 c 6 8 0 13 a固件程序图2 3 系统软件组成f i 9 2 - 3c o m p o s i t i o no fs o f t w a r es y s t e m 设备驱动程序提供应用程序与u s b 数据采集板请求和数据传输的接口，是两者之间联系的桥梁。通过它，应用程序不需要直接与硬件层打交道，只需要通过底层驱动程序提供的接口号即可访问硬件。它采用微软的w d m ( w i n d o w sd r i v e rm o d e l ) 驱动模型【1 5 】，以d d k ( d e v i c ed r i v e rd e v e l o p e r s 飚t ) 为开发工具，以i r p ( i or e q u e s tp a c k a g e )为消息传递载体，依据用户应用程序发出的a p i 函数为命令请求，向u s b d ( u s b 总线驱动程序) 接口发送u r b ( u s br e q u e s tb l o c k ) ，完成底层数据采集板和w i n d o w s系统之间的数据通信。主机应用软件通过设备驱动程序与系统的u s b 设备接口( u s b d i ) 进行通信，完成数据的存储、处理、显示、发布控制命令等功能1 6 1 。2 3 电动阀门控制方案设计阀门自动控制系统由检测元件、控制器、执行器和被控对象组成。检测元件采用广泛应用于电机伺服系统中的光电编码盘，被控对象为进入脱水罐的含水原油，执行器( 即调节机构) 选用控制球阀。控制器将检测变送环节采集到的阀门的实际位置与设定值信号进行比较，获得偏差信号，然后按照一定的控制规律对偏差信号进行比较运算，得到合适的控制信号，输出至电机，通过控制电机的旋转使得阀门达到预设的开度大小【1 7 之0 1 ，从而达到控制原油流量的目的，实现阀门的自动控制以及各种保护。智能控制器是电动阀门执行机构的核心部分，基于课题的设计背景和阀门的实际工作环境，采用模块化的设计思想，设计了基于a t 8 9 s 5 2 单片机的电动阀门智能控制器系统。控制系统主要由以下几个模块组成：( 1 ) 直流电机驱动控制模块；( 2 ) 阀位信号的采集与反馈模块；l o中国石油大学( 华东) 硕士学位论文( 3 ) 数据显示与人机交互模块；( 4 ) 阀位极限位置检测与处理模块。系统总体工作总体结构如图2 _ 4 所示：一数码显示卜一电源模块阀位极限电源参数l。a t 8 9 s 5 2位置检测i1采集模块l一一电机驱动h 勰瓣卜叫舟单片机过流保护卜一l 阀位检测与反馈卜图2 - 4 智能控制器总体结构图f i 9 2 - 4o v e r a l ls t r u c t u r a ld i a g r a mo fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r系统首先采集脱水电源的参数，通过一定的算法判断是否需要启闭阀门。如果需要启闭阀门，则系统按照事先设计好的阀门开度值，发出一定的控制信号，通过电机驱动模块来控制电机的正反转。同时系统采集由阀位检测模块反馈回来的阀位值，通过将控制信号与反馈信号进行比较运算，从而得到偏差信号，控制电机的旋转。在控制的过程中系统实时检测阀位极限位置，若检测到阀门到达极限位置时，则立即以一定的角度反向转动电机，避免阀门被卡死或者损坏。系统还实时检测电机的工作电流，防止电机因过流而损坏。第三章u s b 数据采集系统设计第三章u s b 数据采集系统设计“数据采集”是指利用传感器将温度、压力、流量等模拟量转换成一定范围内的电压或者电流信号，通过a d 转换，将模拟量转换成数字量，并送至上位机进行存储、处理、显示和打印的过程。相应的系统称为数据采集系统 6 1 。经a d 转换后的数字信号通过u s b 总线技术传输到上位机的采集系统称为u s b 数据采集系统。u s b 数据采集系统具有传输速度快，接口插拔方便，硬件电路简单等优点，发展十分迅速。3 1u s b 数据采集系统性能指标课题设计的u s b 数据采集系统的性能指标如下：( 1 ) 接口方式：u s b 总线( 支持u s b 2 0 接口，即插即用，支持热插拔) ；( 2 ) 输入信号：现场中各种传感器输出标准的电压电流信号；( 3 ) 通道数：4 通道并行模拟信号输入；( 4 ) 输入信号范围：0 5v ；( 5 ) 最高采样频率：2 0 0k h z ；( 6 ) 采样精度：1 2 位。3 2 硬件电路设计3 2 1 信号前置调理模块设计信号采集转换过程中，不可避免地会引入许多干扰，常会使得有效的信号淹没在干扰噪声中。同时由于课题所选的模数转换芯片只能转换正电压信号，在采集交流信号时，要将信号的负值部分转换成正值，才能完成对整个信号的采集过程。因而在对模拟信号进行采样转换之前，要先对模拟信号进行调理，才能保证数据采集系统的正常运行。( 1 ) 干扰源分析【2 1 】通过对系统的组成和使用环境进行分析，得出影响系统功能的主要干扰如下所示：1 ) 5 0h z 工频干扰该干扰来源于供电电源，主要通过电源线、电源变压器、开关、插座等与电源相连的器件辐射出来，愈是靠近电源处，干扰愈明显。另外，磁辐射也是影响因数之一。2 ) 高频干扰干扰来源于电台、无线通讯设施、其他仪器等。这些干扰信号的频率远在油田电脱1 2中国石油大学( 华东) 硕士学位论文水数据采集系统的频段之外，通常不直接引起干扰。但是当出现电极接触不良或高频信号过强时，可因“检波 及高频“削波干扰”产生低频信号，进而形成干扰。3 ) 脱水电源干扰脱水电源在工作的过程中，由于器件或者工艺的因数，也可能产生一定频率的干扰信号。4 ) 背景噪声主要来源于放大器电子元件本身产生杂乱无章的电压和电流噪声，一般与放大器内部元件的质量和性能有关。在输入回路中，也会引人噪声，其大小与电极电位、接触电阻有关。( 2 ) 硬件电路设计由以上分析可知，信号在进行模数转换之前所受的干扰较多，这些干扰夹杂在有效信号中，会对信号产生很大的影响，影响系统采集的准确度。因此信号前置调理电路要能够有效地抑制这些干扰信号。通过查阅资料，美国田纳西半导体公司生产的运放o p 0 7 具有低噪声、无需外部组件、设计简单、输入电压范围宽、供电电源的范围广等优点。最重要的是它的差模输入电压范围宽和共模抑制能力很强，这使得它使用灵活抑制噪声干扰能力强，能工作在高噪声的环境中。此外它还具有输入偏置电流小，输入电阻大等优点。o p 0 7 的部分性能参数如表3 1 所示：表3 - 1o p 0 7 性能参数t a b l e 3 - 1p e r f o r m a n c ep a r a m e t e ro fo p 0 7由表3 1 可知，o p 0 7 的转换速率很低，只有o 3 v z s 。转换速率低对高频信号反第三章u s b 数据采集系统设计映速度快，能够保证高频信号在经过o p 0 7 运放后失真达到最小，大信号在经过时不会出现瞬时饱和或者截止的现象；它的共模抑制比很大，可达1 2 0 d b 。外部噪声是作为运放的共模信号加到运放的两端来影响运放性能的。共模抑制比高，极大地抑制了运放输入口的共模信号，从而有效地抑制了干扰。此外，o p 0 7 的共模输入范围宽输入失调电压、电流小等优点使得o p 0 7 使用灵活、方便，可靠性好。因此课题选用o p 0 7 来作为信号前置调理电路的运放。调理部分的电路如图3 1 所示。r 0图3 - 1 信号前置调理模块硬件电路f i g a 一1h a r d w a r ec i r c u i to fs i g i n a lp r e v i ac o n d i t i o n i n gm o d u l e图3 1 中，将o p 0 7 接成反相放大电路，用来对信号的负半波进行反相。当要采集的信号处于正半波时，二极管d 1 截止，信号通过c h 0 路进入模数转换模块进行a d转换。而在c h l 通道上，信号经过o p 0 7 反相后，正半波变成负半波，二极管d 2 就会导通，从而将c h l 路信号拉低，模数转换模块采集到的信号幅值为零。此时c h o 路采集到信号就是波形正半波信号；如果此时采集的信号处于它的负半波时，经过运放的反相，负半波的信号就转变成正信号，通过c h l 通道进入模数转换电路进行a d 转换，而在c h o 通道上，模数采集模块采集的信号幅值都为零。在编写系统软件时，同时采集c h 0 、c h l 两路信号，将c h l 路采集的信号进行反相并和c h 0 路的信号进行整合即能得到信号的整个波形。图中r 0 、r 3 是限流电阻，防止进入a d 转换芯片的电流过大，影响芯片的转换性能，课题中选取电阻r 0 、r 3 为2 2k q 。r 1 、r 2 是运放反相电路的外围反馈电阻，取值为1 0m 。信号前置调理模块的负载是模数转换模块，在转换模块中，所使用的a d 转换芯片是逐次逼近型的，对于信号前置调理电路来说，它就相当于一个动态负载，在不同时间其体现出来的电阻值会发生变化，因而需要在前置模块电路中添加一个滤波电容，用来驱动该动态负载，保持电路的稳定，提高转换精度。1 4中国石油大学( 华东) 硕士学位论文( 3 ) 容性负载驱动问题及电容的取值通过添加负载电容c 1 、c 2 达到驱动动态负载，滤除高频谐波的效果。但添加的容性负载会影响到放大器的性能。如果电容取值不合适，就可能导致运放的反馈自激捌，使得电路失稳。因此要合理选择电容容值。研究运放的容性负载驱动问题时，将放大器看成一个振荡器【2 3 1 。每个运放都有一个内部输出电阻r 0 ，当它与容性负载相接时，在运放传递函数上就会产生一附加极点，其极点频率为二。荔毒石如图3 2 b 波特图幅频特性曲线表示。r o1 0 g b pv i nv o t r rf p = l 2 兀r o c lc 环路相移波特图图3 - 2 容性负载电路及其波特图f i 9 3 2c i r c u i t sa n db o d ed i a g r a