基于單片機(jī)的海上平臺儀表氣干燥塔控制器

何 良，竇志強(qiáng)，劉景安，李名強(qiáng)

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 遼東作業(yè)公司，天津 300456；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 渤南作業(yè)公司，天津 300456 ；3.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300456）

0 引言

海上采油平臺采用集散控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)來實現(xiàn)生產(chǎn)過程監(jiān)控和緊急情況下設(shè)備自動關(guān)停及流程放空，自動控制設(shè)備以動力為電動、液動、氣動，而清潔安全的氣動控制被廣泛應(yīng)用。采油平臺的氣源來自儀表氣系統(tǒng)，空壓機(jī)壓縮空氣形成含有大量的水分的壓縮氣，再經(jīng)過干燥，露點(diǎn)合格后供儀表氣用戶使用。目前，海上平臺干燥機(jī)普遍使用無熱再生式干燥塔，隨著工業(yè)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型干燥塔控制器的功能增多，結(jié)構(gòu)精簡，成本降低。

朱鋼、王永年、關(guān)濟(jì)實等人發(fā)表在《儀器儀表用戶》2011 年第6 期上的《基于單片機(jī)的干燥器控制系統(tǒng)設(shè)計》一文，為解除國外供應(yīng)商的技術(shù)封鎖，設(shè)計一款以AT89C52 為核心的干燥塔控制系統(tǒng)，應(yīng)用于核電站柴油機(jī)應(yīng)急系統(tǒng)。其控制時間精確度高，工作穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，解除了國外供應(yīng)商的技術(shù)封鎖[1]。

章罡本、王乾虎發(fā)表在《壓縮機(jī)技術(shù)》2011 年第2 期的《無熱再生式干燥器節(jié)能改造》一文采用西門子S7-200可編程控制器和MCGS 的6 寸彩色觸摸屏，實現(xiàn)對干燥器的參數(shù)實時監(jiān)控，且可以根據(jù)露點(diǎn)和設(shè)定值比較，選擇是否延長均壓時間，此節(jié)能改造保障了壓縮空氣的品質(zhì)，減少壓縮機(jī)用電量，不到一年收回成本[2]。

海上井口N 平臺使用的是2006 年生產(chǎn)的無熱再生式干燥塔，其按固定時間循環(huán)工作，用戶無法根據(jù)現(xiàn)場天氣情況修改系統(tǒng)參數(shù)，調(diào)整各狀態(tài)運(yùn)行時間，存在再生氣消耗大，空壓機(jī)啟動次數(shù)多，耗電量大的缺點(diǎn)，且控制器電路復(fù)雜，檢修困難，直接更換成本高。為克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的上述缺點(diǎn)，有效地利用N 平臺在用儀表氣干燥塔工藝結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一種與其配套的低成本、易維修的干燥塔控制器，用戶根據(jù)需要調(diào)整干燥塔系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，可減少再生氣消耗，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

1 海上采油平臺儀表氣干燥塔

無熱型干燥器是利用變壓吸附原理，去除壓縮空氣中的水分[3]，以達(dá)到干燥的目的。其由A 吸附筒、B 吸附筒、消聲器、A 筒進(jìn)氣閥、B 筒進(jìn)氣閥、A 筒再生閥、B 筒再生閥、調(diào)節(jié)針法、兩個單流閥和自動控制器組成。自動控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的程序控制兩組進(jìn)氣閥和再生閥的開關(guān)，實現(xiàn)A 吸附筒、B 吸附筒的交換干燥和再生，無熱再生式干燥塔結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

圖1 無熱再生式干燥塔結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of non thermal regeneration drying tower

2 干燥塔控制器的硬件設(shè)計

無熱再生式吸附干燥自動控制器，除了控制4 個電磁閥的開關(guān)來完成干燥塔的工作外，還設(shè)計了友好的人機(jī)交互界面和鍵盤。控制器由核心控制器、電源電路、控制器驅(qū)動電路、指示電路和調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)電路組成，核心控制器內(nèi)置控制軟件。控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 控制器硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware structure of controller

控制器核心采用的是STC89C51RC 單片機(jī)，片內(nèi)含有4 K 的Flash程序存儲器、512的靜態(tài)RAM 和4K 的EEPROM，電源范圍為5.5 V～3.3 V。12 M 晶振串接2 個30 pF 電容接入單片機(jī)晶振接口，按鈕和10μF 電容并聯(lián)后串聯(lián)10K 電阻組成上電復(fù)位電路接入單片機(jī)復(fù)位接口，以上組成經(jīng)典的51 單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)的I/O 口與設(shè)備驅(qū)動電路、指示電路和操控電路接口連接，其中PO 外接10 K 的上拉排阻。

電源電路接收平臺提供的220V 交流電，一部分分配給設(shè)備驅(qū)動電路，一部分接入220V 轉(zhuǎn)6V 降壓變壓器，AC220V 降壓為AC6V，然后經(jīng)過4 個IN4007 二極管組成的全橋整理電路，AC6V 整流為波形直流電，直流電經(jīng)過104 陶瓷電容和470μF 電解電容旁路和濾波，形成平穩(wěn)的DV6V，穩(wěn)壓芯片LM7805 穩(wěn)壓后再次進(jìn)行旁路和濾波處理，最后提供穩(wěn)定的DC5V 電，供單片機(jī)和外圍電路使用。

設(shè)備驅(qū)動電路由4 組相同電路組成，在每組電路中，單片機(jī)I/O 串接220Ω 保護(hù)電路控制8050 型三極管基極進(jìn)而驅(qū)動G5LA-14-5VDC 型繼電器，繼電器常開觸點(diǎn)與外部供電220V 串接，最后分別控制干燥塔進(jìn)氣閥和再生閥，電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 控制器驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of controller drive circuit

指示電路包括狀態(tài)指示和每周期運(yùn)行時間指示。指示電路使用4 個發(fā)光二極管分別指示4 個閥體的狀態(tài)，進(jìn)而指示工作狀態(tài)，每個發(fā)光二極管直接由單片機(jī)I/O 驅(qū)動；每周期運(yùn)行時間使用4 位共陽數(shù)碼管JM-S05641B 顯示，數(shù)碼管4 個公共陽極使用4 個8050 型三極管驅(qū)動，4 個三極管和數(shù)碼管陰極接單片機(jī)I/O 口控制，其中三極管基極與單片機(jī)I/O 之間串接470Ω 保護(hù)電阻，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 指示電路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of indicating circuit structure

操控電路使用獨(dú)立鍵盤模式，6 個按鈕分別串聯(lián)10 K電阻，接入電源正負(fù)極，單片機(jī)I/O 采集按鍵信號，按鍵依次實現(xiàn)啟停、復(fù)位、確認(rèn)、設(shè)置、增加和減少功能。

控制器設(shè)計了4 個七段數(shù)碼管顯示一個過程的運(yùn)行時間，LED 發(fā)光二極管顯示塔體的工作狀態(tài)以及4 個電磁閥的狀態(tài)，使得系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可視化。同時，還設(shè)計了4個按鈕：啟停、設(shè)置、增加/減少、返回/復(fù)位，用戶可以根據(jù)自己的需要和現(xiàn)場的實際流程狀況重新設(shè)置干燥和沖壓時間，且系統(tǒng)有記憶功能，下次啟動后仍然按修改的時間工作，直到復(fù)位后，系統(tǒng)工作過程按預(yù)設(shè)時間進(jìn)行。

3 干燥塔控制器的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用優(yōu)秀的單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)軟件KEIL uVISION2，程序語言使用了可讀性和可移植性強(qiáng)的C 語言，編程采用了模塊思維，其包括主程序、計時子程序、人機(jī)互動子程序和復(fù)位子程序。

3.1 主程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，核心控制器、電源電路、控制器驅(qū)動電路、指示電路和調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)電路根據(jù)程序開始工作。程序首先進(jìn)行初始化，收到啟動指令后，系統(tǒng)自動進(jìn)行再生和干燥程序，并運(yùn)行計時程序和人機(jī)互動子程序，顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和等待用戶調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

3.2 計時子程序設(shè)計

計時子程序為系統(tǒng)提供再生和干燥時間基準(zhǔn)，基準(zhǔn)時間為1 s。子程序采用循環(huán)計時，可重復(fù)調(diào)用。

3.3 人機(jī)互動子程序設(shè)計

人機(jī)互動子程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)可視化和系統(tǒng)參數(shù)調(diào)節(jié)。當(dāng)用戶需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行狀況及用氣需求調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)時，程序進(jìn)入人機(jī)互動子程序，用戶可調(diào)整干燥和充壓時間，調(diào)整過程也是可視化。

3.4 復(fù)位子程序設(shè)計

復(fù)位子程序通過單片機(jī)的中斷端口實現(xiàn)，當(dāng)用戶進(jìn)行復(fù)位操作后，程序進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)置中斷程序，對系統(tǒng)參數(shù)恢復(fù)初始值，按系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置自動運(yùn)行。

4 仿真調(diào)試結(jié)果

在PROTEUS 電子設(shè)計平臺下，先繪制電路，然后用KEIL uVISION2 軟件進(jìn)行編程、調(diào)試。對設(shè)計好的程序進(jìn)行編譯，生成*.HEX 文件，加載到單片機(jī)中，仿真結(jié)果如下：

4.1 系統(tǒng)自動運(yùn)行

無熱再生吸附式干燥塔啟動后，自動控制器首先打開A 筒進(jìn)氣閥，氣體從進(jìn)入A、B 吸附筒，A 筒開始干燥，B筒開始沖壓，兩塔壓力很快達(dá)到管網(wǎng)壓力；4 s 后打開B 筒再生閥，B 筒開始再生，如圖6 所示。

圖6 A筒干燥、B筒再生效果圖Fig.6 Effect picture of a cylinder drying and B cylinder regeneration

4 min 20s 后，B 筒再生閥關(guān)閉，B 筒開始沖壓；5 min后，A 筒進(jìn)氣閥關(guān)閉，B 筒進(jìn)氣閥、A 筒再生閥打開，B 筒開始干燥工作、A 筒再生。

9 min 20 s 后，A 筒再生閥關(guān)閉，A 筒沖壓；10 min 后，B 筒進(jìn)氣閥關(guān)閉，A 筒進(jìn)氣閥、B 筒再生閥打開，A 筒開始干燥工作、B 筒再生，此時1 個周期完成。

A 筒干燥工作的同時B 筒再生和沖壓，B 筒干燥工作的同時A 筒再生和沖壓，以后重復(fù)循環(huán)。整個循環(huán)過程見表1。

表1 干燥塔控制過程圖Table 1 Control process diagram of drying tower

4.2 系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

按下“設(shè)置”鍵，首先通過“增加”“減少”按鈕對干燥時間進(jìn)行修改，修改完成后按下“確認(rèn)”鍵，再對沖壓時間進(jìn)行修改，最后按“確認(rèn)”鍵返回。系統(tǒng)重啟并按照重置的時間運(yùn)行，直到復(fù)位。圖7 示例的系統(tǒng)默認(rèn)的干燥時間為4 min 20s，修改為4 min；充壓時間為40 s，修改為30 s。

圖7 干燥和充壓時間調(diào)整效果圖Fig.7 Effect of drying and charging time adjustment

5 結(jié)論

通過STC89C51RC 嵌入式微型控制器，實現(xiàn)對干燥塔工作過程的控制，此設(shè)計方案的結(jié)構(gòu)簡單，可行性和實用性較強(qiáng)，完全能夠滿足海上采油平臺儀表氣用戶要求。此外，還設(shè)計了良好的人際交互界面，實現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行過程的可視化，用戶通過鍵盤在線調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，靈活調(diào)整儀表氣再生時間，減少干燥塔再生氣消耗，實現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。