基于嵌入式ARM的計量泵控制系統設計概述

張建宇

摘 要 天然氣是一種多組分的混合氣態化石燃料，是目前公認的主要清潔能源，廣泛應用于居民用氣、工業用氣、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色無味氣體，對人體基本無毒，高濃度時，能引發中毒窒息事故。天然氣泄漏后，因與管道或設備產生摩擦，能與空氣形成爆炸性環境，容易引發火災爆炸事故。因此為保障天然氣穩定供應，預防天然氣安全事故，保護人民生命安全和財產安全，在民用天然氣使用中，進行加臭處理，本文就民用天然氣供應中天然氣加臭計量泵控制系統進行設計。

關鍵詞 嵌入式ARM;計量泵;加臭劑（THT）;控制系統

前言

隨著社會的不斷發展，人民的需求越來越多，建設一個安全、穩定、和諧、綠色、生態的居住環境成為人們迫切的希望。伴隨著2019年太原能源低碳發展論壇、首屆可持續發展論壇的召開，清潔能源的利用與開發已成為一種必然的趨勢。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。純凈天然氣無色無味體，在居民生活中使用時若發生泄漏，容易引發人員窒息或爆炸事故。為使居民能及時發現天然氣泄漏問題，在民用供氣中，需對天然氣進行加臭處理。

加臭處理一般方法是在天然氣中加入四氫噻吩燃氣添加劑（THT），四氫噻吩燃氣添加劑是一種具有強烈氣味的有機化合物，具有抗氧化性、化學性質穩定、氣味存留時間久、燒后無殘留物、不污染環境、添加量少、腐蝕性小等優點。當空氣中存在0.01PPm時，就能夠刺激人類的嗅覺細胞，嗅細胞受到THT的刺激就會產生神經沖動，神經沖動沿嗅神經傳入大腦皮層而引起人民察覺，天然氣泄漏量大時，可觸發報警。本文主要針對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——計量泵，做精密控制，完成安全、穩定、可靠、快速和經濟的添加工作。

1控制系統架構描述

計量泵工作原理是經機械聯桿系統帶動流體輸送隔膜活塞實現往復運動。改變計量泵的沖程往復運動頻率或每一次往復運動沖程長度，就可實現調節流體輸送量目的。本文就電磁式驅動隔膜計量泵基于嵌入式ARM的控制系統進行了設計，在控制系統中，還需要在天然氣進氣端安裝氣體流量計，一般市面上常用的氣體流量計是輸出4-20mA電流信號。

基于ARM的控制系統中需用到的儀表和功能模塊描述如下：

（1）計量泵采用LMI（米頓羅P746系列）電磁驅動隔膜計量泵，該計量泵具有多功能閥、沖程調節機構、電磁驅動單元、速度調節控制接口等，擁有完全的產品系列，可滿足幾乎所有生產場所對化學藥劑投加的需要，廣泛應用于石化、化工、石油、天然氣等行業。其主要特性及相關組成如圖1所示。

LMI主要控制方式：

①P型的計量泵采用外部脈沖自動控制的方式。②脈沖頻率的高低和參入THT的體積成正比例關系。

（2）使用氣體流量計，對天然氣進氣速率做數據采集。根據流量大小不同，控制流量計輸出的4-20mA的模擬量電流信號大小，進一步控制加THT的量。

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

（4）LCD顯示器，采用LCM12864自帶中文字庫的顯示屏。

（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，因此核心控制板必須得置于防爆箱內，為了防止天然氣串入控制柜內，控制柜設置為密閉，在信號接入和引出部分采用防爆穿管并用防火泥進行封堵。為方便控制和管理，采用433協議的無線載波遙控方案對各個目標參數做設置調整。遙控器如圖3所示，其工作原理是利用射頻識別技術，發射器先對控制器的按鍵進行編碼，調制到射頻信號上后發射無線信號，然后接收器將接收到的無線信號進行再次編碼，控制相應的控制面板進行工作，完成無線調節參數的功能[1]。

2ARM內核的單片機控制器

電源AC220V經過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，當不需要連接上位機系統做通信功能時，可以省略。根據該計量泵所需要實現的控制功能，結合使用的電子元件，利用ALtium Designer 10軟件，布置有關電子元件電路板界面，畫出ARM的控制系統控制界面圖，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的計量泵控制系統主要實現天然氣加臭計量泵的加藥控制，通過控制計量泵的加臭頻次、加臭流量、加藥量來控制天然氣中THT的含量。該計量泵的控制還設置有連鎖報警功能，如THT物料儲罐內液位，計量泵出口流量報警功能等?，F場采用的儀表及控制器、檢測元件全部為防爆型。

嵌入式ARM主要通過接收無線遙控面板調節的有關控制參數，無線遙控能發出一個基礎頻率，又叫載波頻率（即38K）。38K的頻率對應的周期為T（T=0.026毫秒），在這個T的時間內，用高速中斷去查詢脈沖數，不同的按鍵被按下去，在這個周期內發送的脈沖數是不同的，ARM通過接受無線遙控面板的按鍵不同脈沖數來實現調節。如“OK”鍵的編碼內容為0Xd0e1等[2]。

3控制系統的軟件框架

ARM控制器共實現計量泵的6個功能，即通訊、流量、設置、分段、報警、累計。具體實現功能如下：

（1）通訊：按“菜單鍵”—“修改”，可以設置通訊波特率、通訊地址、通訊方式，設置完成后按“確定”鍵確認。如用戶需要上傳通訊，該參數的設定則由廠家調試人員根據用戶現場參數設定。如無上傳通訊則無須設定該參數。

（2）流量：完成通訊后，再次按下菜單鍵出現，出現AB選項，其中AB分別代 計量泵A和計量泵B，若生產實際過程中只需使用一個泵，則值需要設置其中一個，另一個備用，所有的操作都通過無線遙控面板調整。可調節計量泵A、B的流量上限和下限、使用通道等。A泵和B泵的調節是分布進行的，先調節A，再調節B。通常A泵通道設為1，A泵的流量參數設置完成后按“確認”鍵，可出現B泵的調節界面，B泵的調節和A泵的調節設置方法相同，B泵使用通道根據現場情況可設為1或2，然后按“確定”鍵回到主畫面。流量上限及下限的設定可根據用戶流量計參數設定。

（3）設置：該功能主要是根據用戶需求，設置計量泵的THT的加藥量和單次注入量、頻次等功能。主要控制對象依舊為計量泵A和計量泵B。其主要操作為：按下“菜單”鍵，出現計量泵A有關標準加藥量、單次注入量（根據用戶實際需求設定）、定頻次數（按用戶需要設置）、最大頻次（根據用戶實際需求設定），設置完成后按“確定”鍵出現計量泵B的有關設置。其設計程序跟A泵一樣。根據《城鎮燃氣設計規范》（GB50028）中要求，天然氣標準加藥量18-28mg/m?，通常按20mg/m?或25mg/m?設計。

（4）分段：該功能為用戶提供分時段加藥功能。根據用戶需求，可控制不同時段加藥的時間段，且用戶可根據不同要求，隨時調整有關加THT的時間。調節界面控制時間段可精確到秒，每天加藥時段最多可以分成三段。

（5）報警：該功能為用戶設定報警參數時使用。主要報警功能包括液位、流量報警器的參數設置。主要報警功能包括濃度低報警、液位低報警、流量高低報警。各報警值可通過用戶現場情況進行實際條件。

（6）累計：該功能是實現累計加藥頻次的統計，可為用戶提供查詢功能。通過該功能可查看到計量泵A和B工作的頻次，以及二個泵累計頻次[3]。

4結束語

基于嵌入式ARM的計量泵控制系統設計是對天然氣加臭計量泵的設計，該控制系統可廣泛應用于天然氣調壓站、天然氣門站、天然氣長輸管道等。通過對天然氣加臭計量泵的流量、加入量、頻次、液位的控制，實現天然氣供氣系統中THT自動加入功能，讓人民能夠及時發現天然氣的泄漏，防止中毒窒息和火災爆炸事故發生。

參考文獻

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

[2] 武芳軍.電氣自動化控制設備的可靠性測試與研究[J].民營科技，

2011，（6）：9.

[3] 城鎮燃氣設計規范： GB50028-2006[S].北京：中國標準出版社，2006.