基于MCU的抽油機(jī)節(jié)能控制儀表與控制技術(shù)
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時(shí)間：2011-11-28
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基于MCU的抽油機(jī)節(jié)能控制儀表與控制技術(shù)
提出采用星角雙向切換+間抽控制的節(jié)能控制技術(shù)方案，并選用完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片C8051F206開(kāi)發(fā)了抽油機(jī)智能功率控制器。
關(guān)鍵詞：C8051F206；抽油機(jī)；節(jié)能技術(shù)
Economical Power Controlling Technology of the
Sucker Rod Pump B ased on MCU
Sucker Rod Pump B ased on MCU
REN Zhiguo, LIN Li
(University of Petroleum, Beijing 102249, China)
Key words: C8051F206; sucker rod pump; energy saving technology
為了實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)能自動(dòng)根據(jù)負(fù)載需要實(shí)時(shí)進(jìn)行Δ/Y雙向切換和間歇定時(shí)控制的目標(biāo)，采用嵌入式控制技術(shù)設(shè)計(jì)了如圖1所示的控制電路。
? 智能功率控制器的硬件系統(tǒng)以新華龍電子公司為C8051F206配套的實(shí)驗(yàn)板為基礎(chǔ)，新增輸出電路和鍵盤(pán)顯示電路后形成。直接利用實(shí)驗(yàn)板上的C8051F206MCU、JTAG接口、晶振、復(fù)位及電源電路，大大降低了硬件設(shè)計(jì)工作量。
(1)輸出電路
本系統(tǒng)的被控對(duì)象是電機(jī)的開(kāi)關(guān)。為滿足星角切換和開(kāi)機(jī)/停機(jī)要求，需要對(duì)3只交流接觸器(C1～C3)按一定組合關(guān)系進(jìn)行控制，其電路原理和控制真值表如圖2(a)和圖2(b)所示?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)抗干擾的需要，在輸出端口P0.1，P0.3和P0.5后采用了光電隔離電路(圖2(c))，其中驅(qū)動(dòng)用的靈敏繼電器J的工作觸頭串接在電機(jī)控制回路中，以控制相應(yīng)交流接觸器的動(dòng)作。
(2)顯示和鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)
顯示器采用4位LED串行通信方式，接口電路由3只74HC595串行移位寄存器，5只三極管型功率放大器9014和4只LED數(shù)碼管組成(如圖3所示)。由端口P0.2輸入串行數(shù)據(jù)、P0.4產(chǎn)生移位脈沖，P0.0產(chǎn)生鎖存脈沖。
按鍵采用1×5非編碼鍵盤(pán)，將5個(gè)按鍵的一端分別與串行移位寄存器U1的輸出端Q3、Q4、Q5、Q6、Q7相連，公共端與P0.6直接相連，通過(guò)不斷檢測(cè)計(jì)算機(jī)引腳P0.6來(lái)獲取是否有按鍵被按下。
(3)模擬量輸入電路的設(shè)計(jì)
(1)輸出電路
本系統(tǒng)的被控對(duì)象是電機(jī)的開(kāi)關(guān)。為滿足星角切換和開(kāi)機(jī)/停機(jī)要求，需要對(duì)3只交流接觸器(C1～C3)按一定組合關(guān)系進(jìn)行控制，其電路原理和控制真值表如圖2(a)和圖2(b)所示?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)抗干擾的需要，在輸出端口P0.1，P0.3和P0.5后采用了光電隔離電路(圖2(c))，其中驅(qū)動(dòng)用的靈敏繼電器J的工作觸頭串接在電機(jī)控制回路中，以控制相應(yīng)交流接觸器的動(dòng)作。
(2)顯示和鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)
顯示器采用4位LED串行通信方式，接口電路由3只74HC595串行移位寄存器，5只三極管型功率放大器9014和4只LED數(shù)碼管組成(如圖3所示)。由端口P0.2輸入串行數(shù)據(jù)、P0.4產(chǎn)生移位脈沖，P0.0產(chǎn)生鎖存脈沖。
按鍵采用1×5非編碼鍵盤(pán)，將5個(gè)按鍵的一端分別與串行移位寄存器U1的輸出端Q3、Q4、Q5、Q6、Q7相連，公共端與P0.6直接相連，通過(guò)不斷檢測(cè)計(jì)算機(jī)引腳P0.6來(lái)獲取是否有按鍵被按下。
(3)模擬量輸入電路的設(shè)計(jì)
抽油機(jī)功率切換控制程序的設(shè)計(jì)采用C51與MCS51匯編語(yǔ)言混合編程，其程序流程如圖4所示。
儀器上電初始化后，首先發(fā)出電鈴報(bào)警預(yù)示電機(jī)即將起動(dòng)；隨后電機(jī)以三角形方式起動(dòng)以滿足抽油機(jī)重載起動(dòng)的要求；起動(dòng)后系統(tǒng)將根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)功耗情況使電機(jī)在三角形、星形或過(guò)載停機(jī)三種狀態(tài)間自動(dòng)切換，即在實(shí)時(shí)功耗小于設(shè)定三角形向星形切換功率時(shí)電機(jī)工作在星形方式，在功耗大于設(shè)定星形向三角形切換功率時(shí)電機(jī)工作在三角形方式，大于設(shè)定過(guò)載功率時(shí)停機(jī)；如果系統(tǒng)中設(shè)置了間歇控制參數(shù)，則系統(tǒng)還將對(duì)開(kāi)機(jī)和停機(jī)的累計(jì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。上述過(guò)程周而復(fù)始進(jìn)行，直至人工干預(yù)停機(jī)為止。
為防止外界干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了中值濾波，自動(dòng)校零，軟件冗余、錯(cuò)誤陷阱和看門(mén)狗等技術(shù)。
儀器上電初始化后，首先發(fā)出電鈴報(bào)警預(yù)示電機(jī)即將起動(dòng)；隨后電機(jī)以三角形方式起動(dòng)以滿足抽油機(jī)重載起動(dòng)的要求；起動(dòng)后系統(tǒng)將根據(jù)電機(jī)的實(shí)時(shí)功耗情況使電機(jī)在三角形、星形或過(guò)載停機(jī)三種狀態(tài)間自動(dòng)切換，即在實(shí)時(shí)功耗小于設(shè)定三角形向星形切換功率時(shí)電機(jī)工作在星形方式，在功耗大于設(shè)定星形向三角形切換功率時(shí)電機(jī)工作在三角形方式，大于設(shè)定過(guò)載功率時(shí)停機(jī)；如果系統(tǒng)中設(shè)置了間歇控制參數(shù)，則系統(tǒng)還將對(duì)開(kāi)機(jī)和停機(jī)的累計(jì)時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)控制。上述過(guò)程周而復(fù)始進(jìn)行，直至人工干預(yù)停機(jī)為止。
為防止外界干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了中值濾波，自動(dòng)校零，軟件冗余、錯(cuò)誤陷阱和看門(mén)狗等技術(shù)。
本文開(kāi)發(fā)的抽油機(jī)節(jié)能控制儀表在江蘇和長(zhǎng)慶等油田進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)。結(jié)果表明，系統(tǒng)的可靠性很好，在-30～50℃的條件下已正常工作約2年時(shí)間。抽油機(jī)的節(jié)能效果令人滿意，節(jié)電率普遍達(dá)到15％以上(在負(fù)載率為20％的條件下測(cè)算)。實(shí)踐表明，采用C8051F206設(shè)計(jì)的節(jié)能控制器的生產(chǎn)成本很低，易于為現(xiàn)場(chǎng)用戶(hù)接受，充分顯示出良好的市場(chǎng)前景
評(píng)論