智能排液輸水裝置電控系統軟件設計

曹藝譯

(福州市野人網絡科技有限公司,福建 龍巖 350001)

0 引言

在天然氣開采中,地面集輸裝置內有可能產生大量的產出液,其主要成分為地層水、廢液或者注入水。從安全生產的角度出發,必須嚴格控制儲罐內的液位。傳統生產模式由人工方式進行液體排放,但存在一定的誤操作風險。智能化的電控裝置通過微處理器、控制程序、傳感器實現自動化排液,可靠性顯著提高。軟件控制功能和工作流程是此類系統的設計重點,具有一定的研究價值。

1 智能排液輸水裝置電控系統軟件功能需求分析

1.1 排液功能

智能排液輸水裝置的核心功能是自動調節液體儲罐內的液位,使其處于規定的液位下限和上限之間。液位檢測傳感器按照一定頻率檢測儲罐內的液位,將數據上傳至處理器,再由處理器向水泵下達指令,控制啟停和排液時長。當液位超過上限時,自動開始排液。當液位低于下限時,自動停止排液。

1.2 防凍功能

液體介質在低溫環境下存在凍結的現象,有可能堵塞排液管路。智能排液輸水裝置需設計防凍功能,相關措施包括低溫預警、伴熱帶加熱。當溫度接近液體的凝固點時,報警裝置發出信號,同時鎖定水泵,防止啟動。如果此時存在排液需求,應該先啟動伴熱帶,使其運行一定時間,待液體充分解凍。為防止過分加熱,還應設置高溫預警,超過溫度閾值后自動關閉加熱功能[1]。

1.3 壓力控制功能

液體儲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,通常會導致管道內壓力驟增,嚴重時超過其抗壓極限,引起管道爆炸。壓力控制功能以壓力檢測傳感器為基礎,當檢測到壓力超過安全閾值后,自動鎖定排液裝置,禁止其工作。

2 智能排液輸水裝置電控系統軟件詳細設計

2.1 溫度調節模塊詳細設計

2.1.1 溫度采集

(1)電流信號與溫度之間的轉換。

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

(1)

式(1)中,電阻R1用于將電流信號轉變為電壓信號,I1為傳感器的電流輸出信號,12表示ADC精度的位數,VADC表示ADC的參考電壓,?」表示取整運算。此時還需將S1轉化為具體溫度,根據溫度檢測范圍和電流輸出范圍,可得到電流與溫度之間的對應關系。

(2)

式(2)的計算規則受到U4A運算放大器的影響。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個參數代入式(1)中,即可求得I1,再將I1代入式(2),即可獲得液體的理論計算溫度。

(2)濾波處理。

初始采集的溫度信號存在平滑性不足的問題,這種信號毛刺現象是由ADC采集模塊引起的,因而需要對其進行濾波處理,濾波操作的數學模型如下。

f(k)=αf(k-1)+(1-α)g(k)

(3)

式(3)中,信號的采樣時刻記為k,該時刻的溫度采樣結果(S1)表示為g(k),濾波處理的系數記為α,k-1時刻對應的溫度濾波結果表示為f(k-1),k時刻對應的溫度濾波結果為f(k)。濾波處理的目的是提高系統測量溫度的客觀性,使其更加符合理論計算的結果,表1為濾波處理后系統實測溫度與理論計算結果之間的對比。從中可知,經過處理后,誤差率最大值為5.64%,準確率較高。

2.1.2 溫度調節

溫度調節控制的關鍵在于報警溫度以及啟泵溫度的選取。大部分液體介質在0 ℃時開始凍結,因而將報警溫度設置為0 ℃,此時排液泵處于禁止開啟的狀態。如果排液泵禁止后要再次啟動,需要將液體溫度加熱至15 ℃。溫度自動調節的工作流程為采集儲液罐內溫度,判斷是否低于報警溫度,如果低于該閾值,則軟件發出報警信息、顯示低溫標志和禁止水泵開啟標志。如果高于該閾值,則繼續判斷是否低于伴熱帶低溫限制,高于伴熱帶溫度限值時開啟伴熱帶加熱[3]。

2.2 壓力控制模塊詳細設計

2.2.1 壓力采集

根據功能需求,當排液外輸管道壓力過大時,水泵將處于禁止開啟的狀態,在這種情況下,儲液罐內可能存在排液需求,如果不能及時排液,罐體也存在一定的超壓運行風險。因此,在智能排液輸水裝置中需設計壓力傳感器,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弱,電流最低輸出值為4 mA,最高輸出值為20 mA。電流信號經過電阻后轉變為電壓信號[4]。將電壓傳感器的電流輸出值記為I2,電流信號經過電阻R2后轉化為電壓信號,ADC模塊的采樣結果記為S2,計算方法為:

(4)

傳感器的壓力檢測范圍為0～10 MPa,電流輸出值與壓力值的關系可按照以下公式計算。

(5)

S2、R2、VADC均為已知量,可根據式(4)計算出I2,代入式(5),求出與電流輸出值對應的壓力值。由于壓力傳感器對應的電壓信號S2由ADC模塊采樣獲得,因而也存在信號平滑性不足的問題,可參考溫度測量模塊完成濾波處理。表2為系統實測壓力數值與理論計算值的對比。

表2 系統實測壓力值與理論計算壓力值的對比結果

2.2.2 壓力自動調節流程

當智能排液輸水裝置進入工作狀態后,由壓力傳感器采集水泵外輸管道內的壓力值,處理器根據采集信號判斷壓力值是否超過高壓閾值,如果未超過,軟件系統提示允許水泵運行的標志。如果超過閾值,軟件系統發出報警信息,同時顯示禁止水泵開啟的標志。

2.3 排液控制模塊詳細設計

2.3.1 液位信號采集及數據處理

從企業的實際生產情況來看,常用的液位計分為數字式和模擬式兩類,其信號采集方式存在一定差異,具體如下。

(1)數字式液位計的信號采集。

數字式液位計不能連續測量液位信息,僅能識別預先設置的梯度閾值,當液位為儲罐的0%、25%、50%、75%、100%時,示波器可顯示液位信號。當液位處于兩個臨近梯度之間時,示波器顯示為平穩的高電平(無效信息)。處理器通過GPIO端口,從數字式液位計獲取特定梯度的液位信息。數字式液位計所采集的信號無需進行數據處理和轉換[5]。

(2)模擬式液位計的信號采集和數據處理。

模擬式液位計的信號采集方式與溫度、壓力傳感器類似,以電流強度表征液位高低,電流輸出范圍在4 mA～ 20 mA,液位測量范圍為0%～100%。電流信號經過電阻R3后轉變為電壓,由ADC模塊采集,采樣結果記為S3,對應的理論計算方法為:

(6)

液位計輸出的電信號與電壓之間的轉化關系為:

(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。模擬液位計的檢測值具有連續性。

2.3.2 軟件智能排液實現方法

由于液位檢測對儲液罐的安全管理具有突出作用,故在液位檢測中設置冗余功能。同時,運用數字式和模擬式兩種液位計,優先采用模擬式液位計的信號,當其信號為無效信息時,再采用數字式液位計的采集信號。當儲液罐內的液位值超過75%時,由處理器綜合溫度、冷凍情況、壓力情況,判斷是否實施自動排液。當系統檢測儲罐內液位低于25%時,在處理器的指令下自動關閉排液泵。

2.3.3 系統液位信息及排液裝置工作狀態指示

狀態指示信息是人機交互的重要依據,能夠幫助管理人員快速掌握設備工作狀態。指示信息主要包括各類報警符號、水泵禁止和開啟符號等。軟件系統采用的報警符號信息如表3所示。

表3 智能排液輸水裝置的報警代碼及含義示例

2.4 通信及命令處理模塊詳細設計

2.4.1 通信模塊設計

(1)以太網通信設計。

以太網具有傳輸距離遠、可靠性高、傳輸量大等優勢,可用于遠程操控智能排液輸水裝置,其接入協議為TCP/IP協議,對應接口為RJ45。系統用戶端為管理人員的手持終端設備,如手機應用、電腦軟件,服務器端采用ARM微型處理器。客戶端和用戶端之間設計有W5500協議棧芯片。用戶端和W5500之間以Socket(套接字)方式實現通信,W5500和ARM處理器之間以SPI(串行外設接口)接口實現通信。

(2)RS485通信設計。

智能配液輸水裝置的軟件系統支持通過RS485接口與用戶手持終端設備實現通信,相應的通信協議為Modbus(一種串行通信協議)。該通信協議存在兩種通信模式,分別為RTU模式和ASCⅡ模式,前者在信號傳輸的正確率、傳輸效率方面表現出更強的性能,故采用RTU模式。

2.4.2 命令處理模塊設計

從通信方式可知,管理人員可通過RJ45接口或者RS485接口向服務器發出操作指令,電控軟件系統在接收到指令后,需要先判斷指令是否與設備地址相符,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,則調用功能代碼,判斷輸液泵的狀態、獲取液位計輸入狀態、判斷寄存器地址是否正確等。待各類檢驗完成且符合要求后,由服務端生成應答幀數據,通過接口將應答信號發送至用戶端。

3 結語

在智能排液輸水裝置電控系統的軟件設計中,三大核心功能為自動排液、溫度調節、壓力控制。以電流式傳感器采集液位、溫度以及壓力信號,經電阻轉化為電壓,由ADC模塊采集為電壓信號,ARM微處理器獲取信號后判斷是否存在低溫報警、壓力報警、液位超限等情況,進而向排液泵發出開啟或者禁止運行等指令。管理人員通過計算機終端遠程監視和操控相應的電氣設備。