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案例頻道引言
在石油生產過程中，原油進入沉降罐時，必須投入一定比例的破乳劑以實現油水分離。然而，這種破乳劑的價格昂貴，投加比例的控制直接影響油水分離質量。目前大多采油廠在對破乳劑的投加比例上，主要是憑經驗，例如，在一些采油廠，他們用工頻交流電機直接驅動加藥泵，向沉降罐中加入破乳劑，而各個采油點輸入沉降罐的原油量是變化的，因而無法實時控制破乳劑的投加量。故而設計一套可根據原油量的動態變化而動態調節破乳劑投放量的自動投加系統，具有現實意義。
1. 硬件設計
控制器要測量的是流量計輸出脈沖信號，信號進入控制器，經過控制規律計算，控制器輸出0～10V的模擬電壓，提供給變頻器，變頻器輸出頻率控制加藥泵（活塞泵）加藥速度，從而對破乳劑添加量進行控制。我們選擇凌陽公司(Sunplus)開發的16位SPCE061A單片機，它的突出優點是低功耗和功能集成,其中集成有10位DAC，適合于自動信號采集、液晶顯示智能化儀器等領域應用。本系統中設計輸油管道最多為4路。
圖1 破乳劑自動投加裝置硬件結構圖
1.1 流量計信號(脈沖量)測量單元設計
安裝在輸油管道上流量傳感器，每轉一周發出一定數量的脈沖，控制器通過IO口可以測得脈沖信號，頻率范圍1～10kHz。
1.2 SPCE061A輸出控制變頻器單元設計
將所測得的脈沖信號頻率在CPU中經過特定的控制規律計算后，通過SPCE061A內部的DAC模塊輸出0～3mA的電流，經調理電路輸出0～10V模擬電壓給變頻調速器FR―S540。
1.3 變頻調速器FR―S540
變頻調速器FR―S540工作模式為EXT，該模式是利用FR－S540變頻調速器的模擬電壓輸入來控制變頻器的輸出，模擬電壓輸入與變頻器的輸出頻率之間呈線性關系，控制信號0～10V模擬電壓對應變頻器輸出頻率0～60Hz。
1.4 其它輔助模塊設計
1.4 其它輔助模塊設計
為了便于對控制規律中某些參數的修改以適應現場情況變化的需要，系統中還帶有鍵盤和液晶顯示器。當把撥斷開關撥到ON端時，系統進入參數修改模式，此時通過矩陣式鍵盤(4行×5列)，輸入流量計的每轉流量、各路流量計的每轉脈沖數以及控制比例系數等，輸入的參數存入單片機內部的Flash中。液晶顯示器(240×128)用來顯示操作界面，并在修改參數前，顯示各輸油管道上流量傳感器測到的即時頻率。
由于SPCE061A為3.3V供電，而一些芯片需要＋5V或＋24V供電，因此系統中存在三種工作電壓，分別由SPY0029、L7805轉換提供。I/O口邏輯電平匹配需要特別注意，SPCE061A的I/O口電平與5VTTL電平兼容。
由于SPCE061A為3.3V供電，而一些芯片需要＋5V或＋24V供電，因此系統中存在三種工作電壓，分別由SPY0029、L7805轉換提供。I/O口邏輯電平匹配需要特別注意，SPCE061A的I/O口電平與5VTTL電平兼容。
2. 軟件設計
本系統的軟件部分采用SPCE061A單片機支持的C以及匯編語言編制而成，因而程序具有簡明高效、人機界面友好完備等特點。程序主要由包含控制算法的主程序和用于控制參數設置人機界面程序組成。
2.1 系統控制算法
① 原油的流量計算
假設流量計每轉一轉輸出的液量為 
(單位：升/轉)；流量計每轉一轉輸出的脈沖信號數為 
(單位：1/轉)；流量計傳送過來的脈沖信號的頻率為 (單位：赫茲)， 為四路流量信號頻率之和。
(單位：升/轉)；流量計每轉一轉輸出的脈沖信號數為 (單位：1/轉)；流量計傳送過來的脈沖信號的頻率為 (單位：赫茲)， 為四路流量信號頻率之和。令原油的流量為
，則有：
，則有：
(單位：升/秒)
(單位：毫升/秒) (1)② 活塞泵（加藥泵）的工作頻率與泵電機電源頻率之間的關系
根據活塞泵銘牌上的標稱，在50Hz額定電源頻率下，活塞泵工作次數為
(單位：次/分)。
(單位：次/分)。我們現假設活塞泵工作次數
隨泵電機電源頻率
(單位：赫茲) 線性變化，即
。不妨令 
，則有活塞泵的工作頻率與泵電機電源頻率之間的關系式：
隨泵電機電源頻率 (單位：赫茲) 線性變化，即 。不妨令 ，則有活塞泵的工作頻率與泵電機電源頻率之間的關系式：
(單位：次/分)
(單位：次/秒) (2)③ 活塞泵容積的計算
根據活塞泵銘牌上的標稱，在50Hz額定電源頻率下，活塞泵的額定流量為
(單位：升/小時)，活塞泵的額定工作次數為
(單位：次/分)。
(單位：升/小時)，活塞泵的額定工作次數為 (單位：次/分)。假設活塞泵的額定體積為
(單位：毫升)，則有
(單位：毫升)，則有
(單位：毫升) 實際上，我們并不一定使活塞泵工作在額定工作狀態。在本系統中，我們假定活塞泵的工作體積為：
(單位：毫升)
(單位：毫升) (3)式中α＝1，2，…，10。例如，當α＝5時，表示加藥泵工作的實際工作容積為額定容積的十分之五。
④ 活塞泵打藥的速率
令活塞泵打藥的速率為ｑ，由(2)、(3)式有：
(單位：毫升/秒)
(單位：毫升/秒)
(單位：毫升/秒) (4)⑤ 破乳劑的濃度以及投放比例
破乳劑的投放比例為：
(單位：ppm)
(單位：ppm)
(單位：ppm)
的單位為ppm，考慮到在CPU中運算的需要，故我們令：
其中 的取值為大于零的整數，例如當
時，表示加入的破乳劑比例為200ppm。
的取值為大于零的整數，例如當 時，表示加入的破乳劑比例為200ppm。 在實際操作過程中，投放到原油中的并非純破乳劑，而是破乳劑與水的混合物，假設我們不考慮破乳劑與水混合后體積的變化，即我們假定在1升破乳劑中加入1升水后的體積為2升，設破乳劑的濃度為
：
：式中破乳劑與水的體積均采用相同的單位，故 不帶量綱。
不帶量綱。的取值為0～1之間的小數，考慮到在CPU中運算的需要，故我們令
其中 的取值為1～100之間的整數。例如，當L2＝50時，表示破乳劑在混和液中的比例為50%。
的取值為1～100之間的整數。例如，當L2＝50時，表示破乳劑在混和液中的比例為50%。所以，
(單位：立方厘米/秒)
(單位：立方厘米/秒)
(單位：立方厘米/秒) (單位：立方厘米/秒)而實際加入的是破乳劑與水的混合物。
所以，
(單位：立方厘米/秒)而混合物的投放速率即為活塞泵打藥的速率為ｑ (單位：立方厘米/秒)。
所以，
(單位：立方厘米/秒)由上式與(4)式可得：
(5)
(5)⑥ 變頻器與DAC之間的關系
關系如圖所示：
由上圖的曲線可得：
(6)
(6)其中 
為變頻器的輸出頻率(單位：Hz)， 
為D/A轉換寄存器中的數值。
為變頻器的輸出頻率(單位：Hz)， 為D/A轉換寄存器中的數值。根據(5)、(6)式可得：
2.2 主程序流程
主程序主要完成參數的設置、保存和顯示以及控制變頻器起停，并實時檢測各路流量計的輸出脈沖頻率，經過控制規律的計算來控制變頻器的輸出。
流程如下：
圖3 主程序流程
2.3 流量計輸出脈沖信號的測量
通過單片機的IO口測量脈沖信號的頻率，我們所采用的方法是分時測量的方法，即依次循環檢測四路輸入信號的頻率，四路測量完成后，按控制規律計算輸出，然后再測量、計算和輸出，這樣循環下去。在測量各路脈沖信號的頻率時，我們在定時器A中定時，在定時的這段時間內，對脈沖信號的跳變(包括上跳和下跳)進行計數，根據所計得的數值算出頻率值。
為減小干擾，我們采用了滑動平均濾波算法。
3. 結束語
該控制系統目前已經成功地應用于長慶油田。實踐表明，它具有運行穩定可靠，控制精度高等特點，在設計開發過程中，通過SPCE061A單片機的使用，極大地簡化了控制器軟、硬件系統的設計，并提高了整個系統的可靠性。
參考文獻
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[3]胡壽松。自動控制原理（第四版）。國防工業出版社，2002
[4]劉文生，李錦林。取樣技術原理與應用。科學出版社，1981
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號