输油泵站机泵控制系统设计(编辑修改稿)

输油泵站机泵控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

精度达到： %。 （ 4） 实时数据显示。 （ 5） 超过阀值自动报警，停止工作。 （ 6） 可手动设置数据。 （ 7） 系统具有仿真功能和良好的可视性。 系 统的总体设计方案 输油泵站工作原理 油气集输是把油、气田生产的原油和天然气收集起来，通过计量、初加工（净化、稳定）和输送的全过程。 输油 泵 站是长输管线的主要组成部分之一。 其任务是供给油流一定的能量（包括压力能、热力能），以使油品保质保量、安全经济的输送到目的地。 输油站按所处位置分为首站、中间站和末站，中间站按其功能还可分为加热站（只能提供热能）、加压站（只能提供压能）及热泵站（既提供热能又提供压能）。 首站：是长输管线的 起始站。 主要任务是接收来油，经计量后，加压加热向下站输送。 首站设有输油机泵和加 热装置，还 设置较大容积的储油罐，以满足计量及调节来油与输油间不平衡的需要。 中间站：是长输管线沿途设置的输油站。 其主要任务是对所输油品按工艺要求供给一定的能量，使油品继续流动。 末站：是长输管线的终点站。 主要任务是接收输油管线所输的全部油品，经过计量后将油储存起来或直接把油品输给用油单位，或以其它运输方式转运给用户。 系统设计流程图 根据系统功能的要求和系统构成的需要其总体设计方案如图 1 所示。 系统硬件组成分为以下几个部分： A/D转换电路、液晶显示电路、时钟电路、 报警电路、跑马灯电路 、加热加压电路 、数据采集电路 及核心控制电路。 实现 输油泵站自动控制 功能 的 总体思路如下 ： 系统由电源进行供电，当 启动 自动控制系统后， 加热加压电路和跑马灯电路（模拟油路的传输）开始工作。 采集的温度和压力 电位数据通过 A/D 转换模块将模拟量转换成数字量 ， 同时传递给单片机系统进行数据分析并处理。 液晶显示 模块 LM016L 显示 数据。 通过按键实现对温度值和压力值的调节。 当压力届毕业设计 第 4 页 共 38 页 低于 5MPa 时，系统低压报警，加压电路开始加压；当压力高于 20MPa 时，系统高压报警，减压电路开始减压；当温度低于 30摄氏度时，系统低温报警，加热电路开始加热；当温度 高于 50 摄氏度时，系统高温报警，加热电路停止加热。 系统原理框图如图 1所示 ： 图 1 系统组成的原理框图 系统的相关技术 单片机技术 随着微电子科技的不断发展，计算机技术也得到快速发展，并且由 芯片的集成度的提高而使计算机微型化，出现了单片微型计算机（ Single Chip Computer），简称单片机，也可称为微控制器 MCU（ Micro controller Unit）。 单片机，即集成在一块芯片上的计算机，集成了中央处理器 CPU（ Central Processing Unit）、随机存储器 RAM（ Random Access Memory）、只读存储器（ Read Only Memory）、定时器 /计数器以及 I/O 接口电路等主要计算机部件。 单片机具有功能强，体积小，成本低，功耗小，配置灵活等特点，使其在工业控制、智能仪表、技术改造、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到应用。 从 1976 年 9月 Intel 公司推出 MCS— 48系列单片机以来，世界上的一些著名的器件公司都纷纷推出各自系列的单片机产品。 主要有 Intel 公司的 MCS— 4 5 96 系 列单片机； Motorola 公司的 MC680 6805 系列单片机； Zilog 公司的 Z8 系列单片机；近年有 Atmel公司的 AT89 系列单片机和 Microchip 公司的 PIC 系列单片机等。 各种系列的单片机由于其内部功能、单元组成及指令系统的不尽相同，形成了各具特色的系列产品。 本设计采用的是 Atmel 公司开发的 AT89C51 单片机。 AT89C51 是一种带 4K字节 FLASH存储器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8位微处理器 ， 可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。 该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS51指令集和输出管脚相兼容。 由于时钟电路 CPU （单片机 AT89C51） 液晶显示电路 报警电路 A/D转换电路 压力传感 电路 温度传感 电路 跑马灯电路 加热加压电路 届毕业设计 第 5 页 共 38 页 将多功能 8位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器。 AT89C51 提供以下标准功能： 4k字节 Flash 闪速存储器， 128字节内部 RAM， 32个 I/O 口线，两个 16 位定时 /计数器，一个 5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种 软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 传感器技术 传感器是 自动化系统最基础、最重要的组成部分之一，其可靠性和精度直接影响系统工作的可靠性和性能。 正确地选择、合理地使用传感器，对 设计自动化系统 具 有重要意义。 对于 输油 泵站 和输油管道 自动 控制 系统，从油田生产和实际需要的角度出发 ，传感器需要满足以下要求： 可靠性。 传感器要 具有较强的防爆、防水、防磁、 抗震和耐高、低 温特性；传感器超量程不损坏； 设备在正常使用情况下，主要部件平均无故障时间大于 1 年，使用寿命不小于 10 年； 自动控制机构误动作发生率不高于 1/10000。 准 确性。 主要参数 (压力、温度等 )的计量误差不高于 ％；各项参数的年漂移量不大于 %FS；采集误差不高于 1/10000。 安全性。 系统采用防爆结构，保证不因系统问题而导致事故 [2]。 温度 传感器 的选择：一体化温度变送器是将热电阻或热电偶检测出的温度或温差，通过温度变送电路转换成标准的 420mA 直流 电流信号或 15V 直流 电压信号的温 度检测仪表。 现在已利用集成电路技术，将变送电路做成小型模块，安装在铂电阻或热电阻的接线盒内，直接安装在现场，这样可以最大限度地减少线路电阻的影响 ，从而获得较高的精确度，安装和使用十分方便。 一体化温度变送器 不需要经过二次转换，直接接入计算机，进行显示和控制 [2]。 压力 传感器的选择 ： 振弦式压力变送器利用谐振元件 (振弦 )随压力变化改变其固有频率的特性来测量压力。 正弦式压力变送器由振弦、磁铁、激振器、膜片及测频电路组成，振弦式压力传感器依靠测量频率来确定压力，而频率信号在传输过程中可以忽略导线电阻、电感、电容等的 影响，有较高的准确度，精度可达到 级，可作为高精度压力传感器来用 [2]。 本设计中为了仿真需要， 使用 DS18B20 数字温度传感器 代替 一体化温度变送器 ；使用滑动变阻器和 ADC0832 数模转换器 代替 振弦式压力变送器。 通信 技术 目前国内油田油井数量较多且大部分处于偏远地区，位置分散，环境恶劣， 距离很远。 通过专门的通讯电缆线或者是利用现场总线技术实现数据传输， 这些方法传输距离有限，届毕业设计 第 6 页 共 38 页 成本也比较高。 随着电子、计算机及信息技术的飞速发展，工业无线网络是从新兴的无线传输发展而来，具有低能耗，低成本，扩展 性强，灵活度高等特点，已经成为现在的研究热点。 无线数据采集要将恶劣，复杂的现场环境下的采集量完整的采集，还要将采集到的数据传送给远端的控制室。 主要应用的领域包括：石油管道无线监测系统；工业遥测系统；无线数据传输；安全设备无线监控；城市管网压力、温度监测；电力无线报警等。 无线的远程数据传输方式主要有 移动蜂窝网络通信 、 微波通信和 卫星通信三种。 由于移动蜂窝网络通信高带宽、高可靠性、低延时、低成本和使用方便等特点被广泛使用在长管道运输中。 LTE 是目前快速发展的 4G 移动网络， LTE 实现了 网络时延的减少、更高的数据速 率、系统容量和覆盖。 输油泵站和输油线路的运行参数可以更快更可靠的传送到监控中心 ， 从而可以以泵站监控中心为平台，依靠局部无线通讯网络，全程、全天候、全方位的 对远距离故障点管道、设备抢维修技术支持，危险点运行参数的实时检测，实现科学决策、精确指挥、经济节能降耗、生产高效运营的目标，从而使企业管理运行达到新的精细化高度 [3]。 图 2 输油泵站通信示意图 届毕业设计 第 7 页 共 38 页 3 系统的硬件设计 本章详细介绍硬件电路的设计。 系统硬件电路包括以下几个部分：以单片机为中央处理器、 A/D 转换电路、跑马灯电路、液晶显示电路、 时 钟电路、 温度传感电路 和 加热加压电路。 详细阐明芯片的选择比较，所选用芯片的内部组成、功能特点、外围电路及其接口电路，并设计出具体的硬件电路。 中央处理电路 单片机最小系统是指能够使单片机正常工作的最小系统。 单片机是将中央处理器、只读存储器（ ROM）、随机存储器（ RAM）、计数器 、 定时器及输入输出接口电路等计算机主要器件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。 本 设计的输油泵站机泵控制 系统的中央处理电路采用美国 ATMEL 公司生产 的单片机 AT89C51 来实现。 中央处理器电路核心芯片 中央处理电路 是以 AT89C51 为核心芯片， AT89C51 是一种附带 4K字节 可编程 、 可擦除的只读存储器 CMOS8 位微处理器。 与 MCS51系列产品指令系统 兼容。 其主要功能特性： （ 1） 存储器可 写入 、 擦除 1000 次。 （ 2） 存储数据保存时间是 10年。 （ 3） 4K 字节可重复 擦写 Flash 存储器 （ 4） 三级 可 加密程序存储器 （ 5） 128 8 字节内部 随机存储器 （ 6） 32 个可编程 I/O 口线 （ 7） 两组 16 位定时 、 计数器 （ 8） 六 个中断源 （ 9） 可编程串行通道 （ 10） 低功耗的 掉电 和 闲置 模式 （ 11） 片内部 振荡器和时钟电路 届毕业设计 第 8 页 共 38 页 图 3 AT89C51 引脚图 单片机 AT89C51 引脚如图 3所示， AT89C51 引脚功能说明： VCC：供电。 GND：接地。 P0接 口： P0接口是 一个 8位 开路双向 I/O 接 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P0 接口的管脚第 1 次写 1时，被定义为高阻输入。 P0 接口能够用于外部程序数据存储器，它可被定义为数据 、地址的低 8 位。 在 FIASH 编程时， P0 接 口作为原码输入 接 口，当 FIASH进行校验时， P0接口 输出原码，此时 P0接口 外部必须接上拉电阻。 P1接 口： P1接 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 接 口， P1 接 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 接 口管脚写入 1后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 接 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。 在 FLASH 编程和校验时， P1接口作为低 8 位地址接收。 P2接 口： P2接 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 接 口， P2 接口缓冲器可接收、输出 4个 TTL 门电流，当 P2 接 口被写 “1” 时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。 并因此作为输入时， P2 接口的管脚被外部拉低， 输出电流。 P2 接 口当用于外部程序存储器或 16位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口 接 输出地址的高 8位。 在给出地址 “1”时，当对外部八位地址数据存储器进 行读写时， P2接 口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2接 口在 FLASH 编程和校验时接收高 8位地址信号和控制信号。 P3接 口： P3接 口管脚是 八 个带内部上拉电阻的双向 I/O口，可接收输出 4个 TTL 门电流。 当 P3接 口写入 “1” 后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 接 口将输出电流（ ILL）。 P3 接 口也可作为 AT89C51 的一些特殊功能 接 口，如下表所示： 接 口管脚 备选功能 届毕业设计 第 9 页 共 38 页 RXD（串行输入 接 口） TXD（串行输出 接 口） /INT0（外部中断 0） /INT1（外部中断 1） T0（计时器 0 外部输入） T1（计时器 1 外部输入） /WR（外部数据存储器写选通） /RD（ 外部数据 存储器读选通） P3接 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用。