基于ARM的油田单井油罐太阳能加温控制器的研制

liyf

                    　　我国一次能源年保有总量（不包括生物质能和新能源）为14亿吨标准煤，其中原煤14.6亿吨，原油1.7亿吨，天然气300亿立方米，水电2400亿kWh,核电250kWh,进口石油4-6亿吨，火电电力装机容量2.9-3亿kW（平均每年增加装机容量1500kW）。据1997年统计，我国电厂热效率为32.95%,电厂供热效率为83.68%,能源转换总效率为38.07%.采用热电冷三联供系统或称总能系统（TES--TotalEnergySystem），燃气热泵（GEHP）后，通过热力学第一定律的热效率分析和热力学第二定律的效用率分析说明：由于利用废热，GEHP的综合利用可达到80%-85%;若通过轴动力传动热泵，利用了低位热能，故综合热效率可达到150%-170%.对于TES方式，实现热电冷三联供后，其综合利用率可达到65%-80%.《中华人民共和国节约能源法》第三十九条将热电冷联产技术列入国家鼓励发展的通用技术，促进了热泵事业的发展。
　　热泵是一种能从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热，经过电力做功，输出能用的高品位热能的设备。现在我国主要利用三种热泵技术，分别是水源热泵，地缘热泵，以及空气源热泵。据统计，1996年我国空调设备（指电动冷热水机组、吸收式冷热水机组、房间空调器以及单元空调机组，但不包括进口机组）的总制冷能力约为2000万kW,其中热泵型机组的制冷能力约占60%.在全部热泵型机组中，电驱动热泵容量约为1070kW,占90%;吸收式热泵容量约为130万kW,占10%.近几年来，我国的吸收式制冷装置发展迅速。据统计，1996年销售的溴化锂吸收式制冷机约3000多台，其中直燃机1115台。
　　太阳能与太阳能辅助加热空气源热泵结合作为中央热水系统的热源，其目的在于取长补短，使二者互为补充，互为备用，在日照充足时优先使用太阳能加热热水，利用太阳能集热器产生的低温热水作为太阳能辅助加热空气源热泵的辅助热源，从而改善热泵的运行工况，提高其制热性能。这种组合形式，使二者均在相对比较稳定高效的条件下工作，保证系统全年全天候的卫生热水供应。空气源热泵制热过程本质上是对空气中蕴藏的太阳热能的提升利用，根据热泵的工作特性，在整个热水系统的运行过程中，热泵机组作为辅助热源运行所供应的热量中，只有一小部分来自电能，所以太阳能-热泵中央热水系统大大提高了太阳能利用率，减少了对一次能源的消耗。
　　油田中的采油系统分布相对较为稀疏，油罐储存和传输过程中需要对油温进行加热，以避免因原油凝固而不能传送到中间站进行处理。由于每个井口的分布位置相对较远，因此需要对每个单独的油罐进行加温控制。目前所使用的加温装置大多是以伴生气为燃料的水套炉或者以电能为能源的电加热器等。水套炉存在热效率低、能耗高、炉体易产生烧蚀损坏、维修维护成本高等弊端，而且，伴生气燃烧过程中所排放的废气对环境造成污染。电加热器存在耗电高、易停电、频繁扫管、造价高等弊端。本文提出了一套以太阳能集热器为主、热泵热水器为辅助热能提供装置、ARM为主要控制器的加热系统。热泵与太阳能集热设备、蓄热机构相联接的系统方式， 不仅能够有效克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且可以充分利用太阳能，解决原油集输、储运全天候供热问题，达到节能和减少环境污染的目的， 具有很大的应用潜力。
　　1 系统功能
　　油田单井的油罐太阳能加温控制系统主要通过ARM控制器、温度采集卡及触摸屏实现对太阳能油罐的加热和对执行机构的控制。油田单井的油罐太阳能加温控制器系统主要包括石油储油罐、太阳能集热场、热水箱、补水箱、空气源热泵、低热管、电加热器、电磁阀、10只温度传感器和温度控制系统。
　　系统主要功能为：在光照条件好时，主要由太阳能集热装置为油罐加热；在光照不足的条件下，利用热泵为油罐补充加热；当热泵出现故障时，利用电加热为油罐加热。智能化控制装置提高了太阳能集热器效率和热泵系统性能， 从而解决了原油集输、储、运全天候供热问题，同时也大大节省了电能的使用。
　　2 系统总体设计
　　油田单井的油罐太阳能加温控制器主要由温度采集卡、ARM控制器、液位传感器、触摸屏和执行机构等组成。工作过程为温度采集卡实时对10路温度信号进行循环采集，采集到的信号通过信号处理电路转变为电压信号，再通过模拟开关选择相应的传输通道，通过AIN0输入口把数据发送到ARM处理器进行A/D转换，然后由ARM微处理器根据相应的条件对执行机构做出相应的判断，同时将采集到的温度值实时显示在触摸屏上。也可以通过触摸屏对系统的工作起始时间，循环泵的温差值等各个参数进行设置。系统总体设计结构如图1所示。



　　2.2 存储器接口硬件设计
　　S3C2410A在片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑，可方便地与SDRAM接口。油田油罐加温控制器终端采用了2片16位数据宽度的HY57V561620芯片并联构建成32位的SDRAM存储器系统，共有64 MB的SDRAM空间。S3C2410A处理器支持从NAND Flash启动，NAND Flash具有容量大、比NOR Flash价格低等特点。系统采用NAND Flash与SDRAM组合，可以获得非常高的性价比。该系统采用了一片型号为K9F1208UOM、容量为64 MB的NAND Flash芯片。NAND Flash中存放bootloader代码和WINCE操作系统的镜像文件。同时设置OM[1:0]=00,即处理器从NAND Flash启动。NAND Flash和处理器的接口框图如图3所示。



　　3 软件设计
　　3.1 操作系统的移植
　　油田单井油罐太阳能加温控制器的触摸屏采用3.5英寸的TFT液晶屏，将WINCE操作系统移植到ARM处理器，基于WINCE开发用户界面，从而实现人机交互式控制与显示。信号处理平台采用ARM9核心的S3C2410处理器，因此，可以通过克隆SMDK2410的BSP来完成大部分的OAL层的移植工作。此外，还需要移植显示驱动程序、触摸屏驱动程序、GPIO驱动程序以及A/D采集驱动程序。在WINCE中，显示驱动程序、触摸屏驱动程序属于分层驱动程序。移植相关示例驱动程序的代码时，只需要对PDD层的代码进行修改。A/D采集驱动程序和GPIO驱动程序采用标准流接口驱动的方式实现，即实现ADC_Init、ADC_Deinit、ADC_Open、ADC_Close、ADC_Read、ADC_Write、ADC_Seek、ADC_IOControl、ADC_Power-Up、ADC_PowerDown这几个流接口函数。
　　3.2 应用程序的开发
　　在WinCE下，应用程序开发是针对驱动和内核而言的。在WinCE下开发应用程序大致可分为3个步骤：（1）安装合适的SDK;（2）编写代码和调试；（3）发布应用程序。本设计选择采用Visual Studio 2008开发工具，应用程序采用MFC编程接口，用基于对话框的模型来开发。
　　因为基于ARM的油田单井油罐太阳能加温控制器需要对10路热敏电阻进行实时循环的采集，同时还需要通过触摸屏设置系统的工作参数，显示系统故障、事故报警、系统运行状态等信息；ARM控制器根据采集到的温度值和设置的工作参数对执行机构做出判断。因此，应用程序中使用了多线程方式来保证程序的实时、高效运行。在窗体主线程中建立了3个子线程：ADC采集子线程、触摸屏设置显示子线程和系统控制子线程。系统控制程序流程如图5所示。



　　4.2 测试结果
　　测试结果表明，触摸屏能实时显示所采集到的温度值。在测试过程中调节测试板上的电阻值分别为65 k?赘、7.5 kΩ、1.6 kΩ，测试结果表明采集精度保证在±0.5 ℃；对于外界的I/O输入，控制器也能及时报警并在触摸屏上显示出详细的报警信息，如过流、过载、缺相、缺水、满水等；通过触摸屏设定系统的工作参数，ARM控制器能及时准确地根据系统所设定的参数，对执行机构做出正确的动作判断。
　　油田单井油罐太阳能加温控制器的设计实现了太阳能加热储油罐的自动化控制。该控制器终端采用ARM处理器作为核心运算，并移植了WINCE操作系统，实现了良好的人机交互式界面，从而完成了在光照充足的条件下利用太阳能集热场为油罐加热，在光照不足的条件下利用热泵为油罐加热。解决了原油集输、储运全天候供热问题，大大节省了电能。经测试，单井的月节电量为3×104 kW·h.整个系统稳定性好，数据传输可靠，无误码，罐出口原油温度保持在55 ℃-60 ℃，测量精度达到±0.5 ℃。自动控制器的设计充分利用了太阳能，符合我国的节能减排环保政策，具有很高的实用价值。