智能排液输水装置电控系统软件设计

曹艺译

(福州市野人网络科技有限公司,福建 龙岩 350001)

0 引言

在天然气开采中,地面集输装置内有可能产生大量的产出液,其主要成分为地层水、废液或者注入水。从安全生产的角度出发,必须严格控制储罐内的液位。传统生产模式由人工方式进行液体排放,但存在一定的误操作风险。智能化的电控装置通过微处理器、控制程序、传感器实现自动化排液,可靠性显著提高。软件控制功能和工作流程是此类系统的设计重点,具有一定的研究价值。

1 智能排液输水装置电控系统软件功能需求分析

1.1 排液功能

智能排液输水装置的核心功能是自动调节液体储罐内的液位,使其处于规定的液位下限和上限之间。液位检测传感器按照一定频率检测储罐内的液位,将数据上传至处理器,再由处理器向水泵下达指令,控制启停和排液时长。当液位超过上限时,自动开始排液。当液位低于下限时,自动停止排液。

1.2 防冻功能

液体介质在低温环境下存在冻结的现象,有可能堵塞排液管路。智能排液输水装置需设计防冻功能,相关措施包括低温预警、伴热带加热。当温度接近液体的凝固点时,报警装置发出信号,同时锁定水泵,防止启动。如果此时存在排液需求,应该先启动伴热带,使其运行一定时间,待液体充分解冻。为防止过分加热,还应设置高温预警,超过温度阈值后自动关闭加热功能[1]。

1.3 压力控制功能

液体储罐和排液输水管路存在一定的压力,在管道堵塞的情况下开启排液泵,通常会导致管道内压力骤增,严重时超过其抗压极限,引起管道爆炸。压力控制功能以压力检测传感器为基础,当检测到压力超过安全阈值后,自动锁定排液装置,禁止其工作。

2 智能排液输水装置电控系统软件详细设计

2.1 温度调节模块详细设计

2.1.1 温度采集

(1)电流信号与温度之间的转换。

智能排液输水装置通过电流型温度传感器检测罐内的液体温度,其检测范围在-20 ℃～90 ℃,传感器通过电流强度表征温度,电流输出最低值为4 mA,最高值为20 mA。该输出电路经过电阻时,形成电压信号,并将其传入ADC引脚[2]。将传感器的温度采样输出结果记为S1,其计算方法为:

(1)

式(1)中,电阻R1用于将电流信号转变为电压信号,I1为传感器的电流输出信号,12表示ADC精度的位数,VADC表示ADC的参考电压,⎣」表示取整运算。此时还需将S1转化为具体温度,根据温度检测范围和电流输出范围,可得到电流与温度之间的对应关系。

(2)

式(2)的计算规则受到U4A运算放大器的影响。式(1)中的R1和VADC为已知量,S1通过ADC模块直接采样获得,将以上3个参数代入式(1)中,即可求得I1,再将I1代入式(2),即可获得液体的理论计算温度。

(2)滤波处理。

初始采集的温度信号存在平滑性不足的问题,这种信号毛刺现象是由ADC采集模块引起的,因而需要对其进行滤波处理,滤波操作的数学模型如下。

f(k)=αf(k-1)+(1-α)g(k)

(3)

式(3)中,信号的采样时刻记为k,该时刻的温度采样结果(S1)表示为g(k),滤波处理的系数记为α,k-1时刻对应的温度滤波结果表示为f(k-1),k时刻对应的温度滤波结果为f(k)。滤波处理的目的是提高系统测量温度的客观性,使其更加符合理论计算的结果,表1为滤波处理后系统实测温度与理论计算结果之间的对比。从中可知,经过处理后,误差率最大值为5.64%,准确率较高。

2.1.2 温度调节

温度调节控制的关键在于报警温度以及启泵温度的选取。大部分液体介质在0 ℃时开始冻结,因而将报警温度设置为0 ℃,此时排液泵处于禁止开启的状态。如果排液泵禁止后要再次启动,需要将液体温度加热至15 ℃。温度自动调节的工作流程为采集储液罐内温度,判断是否低于报警温度,如果低于该阈值,则软件发出报警信息、显示低温标志和禁止水泵开启标志。如果高于该阈值,则继续判断是否低于伴热带低温限制,高于伴热带温度限值时开启伴热带加热[3]。

2.2 压力控制模块详细设计

2.2.1 压力采集

根据功能需求,当排液外输管道压力过大时,水泵将处于禁止开启的状态,在这种情况下,储液罐内可能存在排液需求,如果不能及时排液,罐体也存在一定的超压运行风险。因此,在智能排液输水装置中需设计压力传感器,其工作原理与温度传感器类似,以输出电流表征压力值的强弱,电流最低输出值为4 mA,最高输出值为20 mA。电流信号经过电阻后转变为电压信号[4]。将电压传感器的电流输出值记为I2,电流信号经过电阻R2后转化为电压信号,ADC模块的采样结果记为S2,计算方法为:

(4)

传感器的压力检测范围为0～10 MPa,电流输出值与压力值的关系可按照以下公式计算。

(5)

S2、R2、VADC均为已知量,可根据式(4)计算出I2,代入式(5),求出与电流输出值对应的压力值。由于压力传感器对应的电压信号S2由ADC模块采样获得,因而也存在信号平滑性不足的问题,可参考温度测量模块完成滤波处理。表2为系统实测压力数值与理论计算值的对比。

表2 系统实测压力值与理论计算压力值的对比结果

2.2.2 压力自动调节流程

当智能排液输水装置进入工作状态后,由压力传感器采集水泵外输管道内的压力值,处理器根据采集信号判断压力值是否超过高压阈值,如果未超过,软件系统提示允许水泵运行的标志。如果超过阈值,软件系统发出报警信息,同时显示禁止水泵开启的标志。

2.3 排液控制模块详细设计

2.3.1 液位信号采集及数据处理

从企业的实际生产情况来看,常用的液位计分为数字式和模拟式两类,其信号采集方式存在一定差异,具体如下。

(1)数字式液位计的信号采集。

数字式液位计不能连续测量液位信息,仅能识别预先设置的梯度阈值,当液位为储罐的0%、25%、50%、75%、100%时,示波器可显示液位信号。当液位处于两个临近梯度之间时,示波器显示为平稳的高电平(无效信息)。处理器通过GPIO端口,从数字式液位计获取特定梯度的液位信息。数字式液位计所采集的信号无需进行数据处理和转换[5]。

(2)模拟式液位计的信号采集和数据处理。

模拟式液位计的信号采集方式与温度、压力传感器类似,以电流强度表征液位高低,电流输出范围在4 mA～ 20 mA,液位测量范围为0%～100%。电流信号经过电阻R3后转变为电压,由ADC模块采集,采样结果记为S3,对应的理论计算方法为:

(6)

液位计输出的电信号与电压之间的转化关系为:

(7)

R3、VADC、S3均为已知量,代入式(6)可求出I3,将I3代入使(7),即可求出液位的理论值。模拟液位计的检测值具有连续性。

2.3.2 软件智能排液实现方法

由于液位检测对储液罐的安全管理具有突出作用,故在液位检测中设置冗余功能。同时,运用数字式和模拟式两种液位计,优先采用模拟式液位计的信号,当其信号为无效信息时,再采用数字式液位计的采集信号。当储液罐内的液位值超过75%时,由处理器综合温度、冷冻情况、压力情况,判断是否实施自动排液。当系统检测储罐内液位低于25%时,在处理器的指令下自动关闭排液泵。

2.3.3 系统液位信息及排液装置工作状态指示

状态指示信息是人机交互的重要依据,能够帮助管理人员快速掌握设备工作状态。指示信息主要包括各类报警符号、水泵禁止和开启符号等。软件系统采用的报警符号信息如表3所示。

表3 智能排液输水装置的报警代码及含义示例

2.4 通信及命令处理模块详细设计

2.4.1 通信模块设计

(1)以太网通信设计。

以太网具有传输距离远、可靠性高、传输量大等优势,可用于远程操控智能排液输水装置,其接入协议为TCP/IP协议,对应接口为RJ45。系统用户端为管理人员的手持终端设备,如手机应用、电脑软件,服务器端采用ARM微型处理器。客户端和用户端之间设计有W5500协议栈芯片。用户端和W5500之间以Socket(套接字)方式实现通信,W5500和ARM处理器之间以SPI(串行外设接口)接口实现通信。

(2)RS485通信设计。

智能配液输水装置的软件系统支持通过RS485接口与用户手持终端设备实现通信,相应的通信协议为Modbus(一种串行通信协议)。该通信协议存在两种通信模式,分别为RTU模式和ASCⅡ模式,前者在信号传输的正确率、传输效率方面表现出更强的性能,故采用RTU模式。

2.4.2 命令处理模块设计

从通信方式可知,管理人员可通过RJ45接口或者RS485接口向服务器发出操作指令,电控软件系统在接收到指令后,需要先判断指令是否与设备地址相符,如果不相符,则要提示匹配异常的信息。若二者相符,则要判断接收到的帧信息是否正确,如果帧信息不正确,则要生成异常码,向管理人员作出提示。若帧信息通过检验,则调用功能代码,判断输液泵的状态、获取液位计输入状态、判断寄存器地址是否正确等。待各类检验完成且符合要求后,由服务端生成应答帧数据,通过接口将应答信号发送至用户端。

3 结语

在智能排液输水装置电控系统的软件设计中,三大核心功能为自动排液、温度调节、压力控制。以电流式传感器采集液位、温度以及压力信号,经电阻转化为电压,由ADC模块采集为电压信号,ARM微处理器获取信号后判断是否存在低温报警、压力报警、液位超限等情况,进而向排液泵发出开启或者禁止运行等指令。管理人员通过计算机终端远程监视和操控相应的电气设备。