基于ARM的油田單井油罐太陽能加溫控制器的設(shè)計(jì)

摘 要： 為了保證井口輸油管道中原油的流動(dòng)性，針對傳統(tǒng)的電加熱器和水套爐存在的熱效率低、功耗大、不穩(wěn)定及廢氣對環(huán)境造成污染等問題，提出了一套以太陽能集熱器為主、熱泵熱水器為輔的加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用溫度采集卡實(shí)現(xiàn)10路溫度信號(hào)及6路開關(guān)量信號(hào)的采集，利用三星的S3C2410 ARM控制器對太陽能集熱器和熱泵進(jìn)行交替控制，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐原油的加熱控制。觸摸屏采用3.5英寸的TFT液晶屏，并將WINCE操作系統(tǒng)移植到ARM處理器，從而實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互控制界面。
關(guān)鍵詞： WINCE；溫度采集卡；S3C2410；Visual Studio 2008；ARM

油田中的采油系統(tǒng)分布相對較為稀疏，油罐儲(chǔ)存和傳輸過程中需要對油溫進(jìn)行加熱，以避免因原油凝固而不能傳送到中間站進(jìn)行處理。由于每個(gè)井口的分布位置相對較遠(yuǎn)，因此需要對每個(gè)單獨(dú)的油罐進(jìn)行加溫控制。目前所使用的加溫裝置大多是以伴生氣為燃料的水套爐或者以電能為能源的電加熱器等[1]。水套爐存在熱效率低、能耗高、爐體易產(chǎn)生燒蝕損壞、維修維護(hù)成本高等弊端，而且，伴生氣燃燒過程中所排放的廢氣對環(huán)境造成污染。電加熱器存在耗電高、易停電、頻繁掃管、造價(jià)高等弊端。本文提出了一套以太陽能集熱器為主、熱泵熱水器為輔助熱能提供裝置、ARM為主要控制器的加熱系統(tǒng)[2]。熱泵與太陽能集熱設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相聯(lián)接的系統(tǒng)方式, 不僅能夠有效克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以充分利用太陽能，解決原油集輸、儲(chǔ)運(yùn)全天候供熱問題,達(dá)到節(jié)能和減少環(huán)境污染的目的, 具有很大的應(yīng)用潛力[3]。
1 系統(tǒng)功能
油田單井的油罐太陽能加溫控制系統(tǒng)主要通過ARM控制器、溫度采集卡及觸摸屏實(shí)現(xiàn)對太陽能油罐的加熱和對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。油田單井的油罐太陽能加溫控制器系統(tǒng)主要包括石油儲(chǔ)油罐、太陽能集熱場、熱水箱、補(bǔ)水箱、空氣源熱泵、低熱管、電加熱器、電磁閥、10只溫度傳感器和溫度控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)主要功能為：在光照條件好時(shí)，主要由太陽能集熱裝置為油罐加熱；在光照不足的條件下，利用熱泵為油罐補(bǔ)充加熱；當(dāng)熱泵出現(xiàn)故障時(shí)，利用電加熱為油罐加熱。智能化控制裝置提高了太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能, 從而解決了原油集輸、儲(chǔ)、運(yùn)全天候供熱問題，同時(shí)也大大節(jié)省了電能的使用[4]。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
油田單井的油罐太陽能加溫控制器主要由溫度采集卡、ARM控制器、液位傳感器、觸摸屏和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。工作過程為溫度采集卡實(shí)時(shí)對10路溫度信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集，采集到的信號(hào)通過信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過模擬開關(guān)選擇相應(yīng)的傳輸通道，通過AIN0輸入口把數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM處理器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由ARM微處理器根據(jù)相應(yīng)的條件對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的判斷，同時(shí)將采集到的溫度值實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。也可以通過觸摸屏對系統(tǒng)的工作起始時(shí)間，循環(huán)泵的溫差值等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
油田單井的油罐太陽能加溫控制器主要完成顯示、存儲(chǔ)、控制以及通信等功能?？紤]到本系統(tǒng)對微控制器的要求較高，特別是處理器的運(yùn)算速度要求較高，在處理過程中需要較多的存儲(chǔ)空間及外擴(kuò)接口，而傳統(tǒng)的單片機(jī)已不能滿足要求，因此本設(shè)計(jì)采用三星的S3C2410ARM作為微控制器。硬件設(shè)計(jì)包括：ARM的最小系統(tǒng)[5]、溫度采集卡電路、觸摸屏電路等模塊電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制器的原理框圖如圖2所示。

2.2 存儲(chǔ)器接口硬件設(shè)計(jì)
S3C2410A在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口。油田油罐加溫控制器終端采用了2片16位數(shù)據(jù)寬度的HY57V561620芯片并聯(lián)構(gòu)建成32位的SDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，共有64 MB的SDRAM空間。S3C2410A處理器支持從NAND Flash啟動(dòng)，NAND Flash具有容量大、比NOR Flash價(jià)格低等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用NAND Flash與SDRAM組合，可以獲得非常高的性價(jià)比。該系統(tǒng)采用了一片型號(hào)為K9F1208UOM、容量為64 MB的NAND Flash芯片。NAND Flash中存放bootloader代碼和WINCE操作系統(tǒng)的鏡像文件。同時(shí)設(shè)置OM[1：0]=00，即處理器從NAND Flash啟動(dòng)。NAND Flash和處理器的接口框圖如圖3所示。

2.3 液晶屏接口電路的設(shè)計(jì)
S3C2410A自帶 1個(gè)LCD控制器，支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏，本設(shè)計(jì)采用3.5英寸的TFT液晶屏。S3C2410A自帶觸摸接口電路，包括4個(gè)控制信號(hào)線(nYPON，YMON，nXPON，XMON)和模擬輸入引腳AIN[7]、AIN[5]，分別控制X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。
2.4 溫度采集卡的設(shè)計(jì)
自行設(shè)計(jì)的溫度采集卡實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的采集、預(yù)處理及傳送功能。系統(tǒng)的采集點(diǎn)為10路熱敏電阻，熱電阻采用RTC公司的負(fù)阻溫度傳感器，實(shí)現(xiàn)10路溫度的循環(huán)采集。在電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用惠更斯電橋進(jìn)行傳感器電壓信號(hào)的采集。為了提高測量精度，為電橋提供電壓的芯片選用TI公司的精密電壓源芯片REF102，其輸出參考電壓為10 V，電壓的波動(dòng)為±2.5 mV，輸出精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常用的10 V線性穩(wěn)壓模塊，輸出電流為10 mA，滿足輸出功率的要求，溫漂系數(shù)為2.5 ppm/℃，有效地減少了由于環(huán)境溫度變化而引起的測量誤差。溫度電橋電路采用ADI公司提供的儀器放大器AD620。采用該放大器，一方面由于其具有高輸入阻抗，實(shí)現(xiàn)了采集電路和控制電路的阻抗隔離，提高了測量精度；另一方面其集成化的特點(diǎn)也減少了由于采用過多的外圍器件而帶給系統(tǒng)的測量誤差，這里包括電阻的白噪聲影響和器件的溫漂影響。經(jīng)過運(yùn)算放大器以后，其輸出電壓的變化范圍為0 V～3.3 V，滿足ARM AD模塊對輸入電壓的要求(0 V～3.3 V)，并且電壓的大小也在AD620的線性工作區(qū)范圍內(nèi)。由于采集節(jié)點(diǎn)為10路(RT1-RT10)，而ARM自帶8路10 bit ADC，其中AIN5、AIN7要用作觸摸屏的輸入，因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用TI公司提供的16路模擬開關(guān)MPC506進(jìn)行循環(huán)采樣。其模擬信號(hào)輸入電壓的范圍是±15 V，功率耗散為7.5 mW，滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。采集卡一路信號(hào)采集的電路圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3.1 操作系統(tǒng)的移植
油田單井油罐太陽能加溫控制器的觸摸屏采用3.5英寸的TFT液晶屏，將WINCE操作系統(tǒng)移植到ARM處理器，基于WINCE開發(fā)用戶界面，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互式控制與顯示。信號(hào)處理平臺(tái)采用ARM9核心的S3C2410處理器，因此，可以通過克隆SMDK2410的BSP來完成大部分的OAL層的移植工作。此外，還需要移植顯示驅(qū)動(dòng)程序、觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序、GPIO驅(qū)動(dòng)程序以及A/D采集驅(qū)動(dòng)程序。在WINCE中，顯示驅(qū)動(dòng)程序、觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆诜謱域?qū)動(dòng)程序。移植相關(guān)示例驅(qū)動(dòng)程序的代碼時(shí)，只需要對PDD層的代碼進(jìn)行修改。A/D采集驅(qū)動(dòng)程序和GPIO驅(qū)動(dòng)程序采用標(biāo)準(zhǔn)流接口驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，即實(shí)現(xiàn)ADC_Init、ADC_Deinit、ADC_Open、ADC_Close、ADC_Read、ADC_Write、ADC_Seek、ADC_IOControl、ADC_Power-
Up、ADC_PowerDown這幾個(gè)流接口函數(shù)。
3.2 應(yīng)用程序的開發(fā)
在WinCE下，應(yīng)用程序開發(fā)是針對驅(qū)動(dòng)和內(nèi)核而言的。在WinCE下開發(fā)應(yīng)用程序大致可分為3個(gè)步驟：(1)安裝合適的SDK；(2)編寫代碼和調(diào)試；(3)發(fā)布應(yīng)用程序。本設(shè)計(jì)選擇采用Visual Studio 2008開發(fā)工具，應(yīng)用程序采用MFC編程接口，用基于對話框的模型來開發(fā)。
因?yàn)榛贏RM的油田單井油罐太陽能加溫控制器需要對10路熱敏電阻進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)的采集，同時(shí)還需要通過觸摸屏設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)，顯示系統(tǒng)故障、事故報(bào)警、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息；ARM控制器根據(jù)采集到的溫度值和設(shè)置的工作參數(shù)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出判斷。因此，應(yīng)用程序中使用了多線程方式來保證程序的實(shí)時(shí)、高效運(yùn)行。在窗體主線程中建立了3個(gè)子線程：ADC采集子線程、觸摸屏設(shè)置顯示子線程和系統(tǒng)控制子線程。系統(tǒng)控制程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)與結(jié)果
4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建
油田單井的油罐太陽能加溫控制器的測試平臺(tái)如圖6所示。測試平臺(tái)由溫度采集卡、ARM控制器、觸摸屏和測試板組成。測試過程為：(1)分別定時(shí)調(diào)節(jié)測試板上的10路模擬電阻值，調(diào)節(jié)完電阻值后觀察觸摸屏的顯示界面是否能實(shí)時(shí)正確地顯示所采集到的溫度值；(2)改變測試板的I/O輸入按鈕狀態(tài)，觀察系統(tǒng)是能否及時(shí)報(bào)警并在觸摸屏上顯示詳細(xì)報(bào)警信息；(3)通過觸摸屏改變系統(tǒng)的工作參數(shù)，觀察ARM控制器是否能根據(jù)觸摸屏設(shè)置的系統(tǒng)參數(shù)和采集到的溫度值，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出正確判斷。

4.2 測試結(jié)果
測試結(jié)果表明，觸摸屏能實(shí)時(shí)顯示所采集到的溫度值。在測試過程中調(diào)節(jié)測試板上的電阻值分別為65 k?贅、7.5 kΩ、1.6 kΩ，測試結(jié)果表明采集精度保證在±0.5 ℃；對于外界的I/O輸入，控制器也能及時(shí)報(bào)警并在觸摸屏上顯示出詳細(xì)的報(bào)警信息，如過流、過載、缺相、缺水、滿水等；通過觸摸屏設(shè)定系統(tǒng)的工作參數(shù)，ARM控制器能及時(shí)準(zhǔn)確地根據(jù)系統(tǒng)所設(shè)定的參數(shù)，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出正確的動(dòng)作判斷。
油田單井油罐太陽能加溫控制器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了太陽能加熱儲(chǔ)油罐的自動(dòng)化控制。該控制器終端采用ARM處理器作為核心運(yùn)算，并移植了WINCE操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互式界面，從而完成了在光照充足的條件下利用太陽能集熱場為油罐加熱，在光照不足的條件下利用熱泵為油罐加熱。解決了原油集輸、儲(chǔ)運(yùn)全天候供熱問題，大大節(jié)省了電能。經(jīng)測試，單井的月節(jié)電量為3×104 kW·h。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，數(shù)據(jù)傳輸可靠，無誤碼，罐出口原油溫度保持在55 ℃-60 ℃，測量精度達(dá)到±0.5 ℃。自動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)充分利用了太陽能，符合我國的節(jié)能減排環(huán)保政策，具有很高的實(shí)用價(jià)值[6]。
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