采气树调节阀自动控制系统设计与实现

文/罗勇

图1：控制系统硬件框图

采气树主要由手动式闸阀、角式调节阀和小四通组成。其作用是开关气井、调节压力、气量、循环压井、下压力计测量气层压力和井口压力等作业。其压力、气量的调节主要通过调整阀门的开度来实现。很多采气树位于偏远地区，社会依托条件差，常处于无人值守状态。当要进行阀门开度调整时，需操作人员到偏远的现场进行手动操作，另外现场供电困难，自动化程度相当低。基于前述原因，本文提出了采气树自动控制系统的设计与实现方法。

1 设计思路

将自动控制系统与执行机构设计为一体并安装到采气树的阀门上。通过就地或远程发送阀门开度指令给自动控制系统，控制系统实时检测开度指令和阀门的实际开度，并与开度指令进行比较，控制执行机构带动阀门朝着减小两者差值的方向运行，直至差值在允许的误差范围内时，停止运行，从而实现阀门开度的自动调节。

表1：正转控制时序表

表2：反转控制时序表

图2：BLDC驱动电路图

2 控制系统硬件设计与实现

现场采用光伏加风能发电相组合的方式，为控制系统提供直流24V的电源。通过GPRS无线数据通讯方式实现远程控制。在现场，通过本机上的按键、遥控器及显示等，实现就地电动操作。控制系统驱动电机高速运行，经蜗轮蜗杆副减速后，转换为低速、大转矩旋转运动，从而带动阀门进行开度调节。

控制系统主要由主控模块、无线通讯模块、BLDC驱动模块、人机交互模块、位置检测模块、BLDC电机等组成。控制系统硬件框图如图1所示。

2.1 主控制模块

本模块以MICROCHIP的PIC18F45K22T- I/PT为核心控制器。该控制器使用：2个EUSART（增强型通用同步/ 异步收发器）模块，1个用于GPRS通讯，实现与远程控制设备进行数据交换，另1个用于蓝牙通讯，实线就地的遥控操作；1个PWM模块用于产生BLDC驱动模块的控制波形，实现电机的正、反转及调速定位控制；3个外部中断口分别采样3路霍尔传感器HA、HB、HC的信号，用于确定转子位置，实现电子换向；2个MSSP模块，1个用于外部LCD显示器的显示控制，另1个用于阀门的位置检测。

2.2 BLDC驱动模块

采用3个集成半桥驱动芯片BTN7960B作为BLDC电机的驱动模块。该芯片是一款集成式大电流半桥，适用于直流无刷电机驱动应用。它是NovalisticTM系列的一部分，包含一个P沟道高侧MOSFET和一个N沟道低侧MOSFET，同一个封装中带有集成驱动IC，由于P沟道用于高压侧开关，因此无需充电泵，从而将EMI降至最低。内部集成驱动芯片易于与微控制器接口，具有逻辑电平输入、电流检测诊断、转换率调整、死区时间产生和过温、过电压、欠压、过流和短路保护等特点。BTN7960的小型封装为大电流BLDC电机驱动器提供了一个低成本的优化解决方案，为PCB的布板节省了大量空间。BLDC驱动电路如图2所示。

2.3 无线通讯模块

采用GPRS通讯模块H7210作为无线通讯的硬件平台。在远方，使用能上网的计算机或者手机，通过移动通信的GPRS数据传输网络，与现场的调节阀控制系统进行远程数据交换，以达到远程无线控制的目的。无线通讯结构如图3所示。

3 控制系统软件设计

3.1 主程序

系统软件主要由以下几个模块来实现：

（1）系统初始化模块：主要完成控制器、LCD屏、无线通讯等的参数初始化。

（2）无线通讯模块：用于远程GPRS数据通讯，包括指令数据及控制系统的状态数据等。

（3）BLDC电机控制模块：用于BLDC电机的正、反转、停止、调速定位控制。

（4）人机交互模块：用于控制模式及按键、蓝牙遥控、LCD显示等处理。

（5）就地控制模块：用于就地模式下，通过计算处理形成BLDC控制参数。

（6）远程控制模块：用于远程模式下，通过计算处理形成BLDC控制参数。

（7）故障自诊断模块：通过多种传感器，对控制系统状态进行实时诊断，并将诊断结果通过就地显示和通讯远传的方式告知操作者。

以上模块通过主程序联系起来，主程序流程图如图4所示。

3.2 系统初始化

系统初始化主要包括各端口、外设寄存器的初始化，算法中使用的变量的初始化、LCD屏的初始化以及无线通讯的初始化，初始化完毕后打开中断，等待中断的产生。初始化流程图如图5所示。

3.3 BLDC电机控制模块

通过中断查询BLDC电机控制时序表，产生控制信号，实现BLDC电机的控制。正、反转时序控制表如表1和表2所示，BLDC电机控制流程图如图6所示。

4 测试结果

（1）远程及就地电动控制过程中，要求控制系统的定位精度≤1%，实测定位精度≤0.5%。

（2）远程及就地电动控制过程中，采用力矩切断模式，力矩切断控制精度要求≤10%，实测控制精度≤5%；

（3）无线通讯测试。只要现场有GPRS信号，在手机或计算机能上网的任意地方都能与现场的控制系统进行正常通讯，能实现远程的监控。

（4）光伏风能组合发电系统供电能力测试。阀门每天电动开、关两次作为一个工作循环。在晴天或有风天气，供电系统能保证阀门的正常控制，以及给蓄电池充电。在阴天及无风天气，可保证控制系统连续5个工作循环。

上述测试结果表明，控制系统达到了设计要求。

5 结束语

本控制系统通过风能、光伏发电提供电源，采用无刷直流电机控制技术、远程GPRS数据通讯技术实现采气树调节阀的远程自动控制，提高了现场的自动化控制水平，真正地实现无人值守。目前，有许多采气树调节阀需自动化改造升级，该控制系统的应用前景十分广阔。

图3：无线通讯结构图

图4：主程序流程图

图5：初始化流程图

图6：BLDC电机控制流程图