劉興華 蘇盈盈 黃利軍

(重慶科技學(xué)院電氣工程學(xué)院， 重慶 401331)

原油具有一定的黏性，石蠟含量較高，凝固點(diǎn)溫度較高。溫度較低的時候，存儲在大型儲油罐的油品就不容易直接輸出，而需要用加熱爐來加熱，提高原油的流動性。原油加熱爐在長時間運(yùn)行后，其溫控精度、加熱速度、熱工效率會下降，導(dǎo)致加熱爐模型參數(shù)的不確定性，使得加熱爐溫度控制系統(tǒng)失靈。加熱爐溫度控制系統(tǒng)如果失靈，不但會影響原油輸出，還可能導(dǎo)致加熱爐事故，造成人員傷亡和環(huán)境污染。因此，保證原油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的性能是十分重要的。

根據(jù)某油田輸油泵站加熱爐的結(jié)構(gòu)及工作原理，針對加熱爐在空氣稀薄的高原的作業(yè)環(huán)境，為提高泵站加熱爐系統(tǒng)的控制性能，我們研究設(shè)計了一種可實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制的原油加熱爐溫度控制系統(tǒng)。

1 加熱爐溫控系統(tǒng)的設(shè)計

為滿足輸油泵站原油加熱爐溫度控制系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，提出的總體控制方案如圖1所示。圖中，虛線框內(nèi)為Arduino單片機(jī)。主要通過對Arduino的編程，達(dá)成對泵站加熱爐模型溫度控制系統(tǒng)的模擬。硬件方面，通過對溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集和對加熱片等元器件的驅(qū)動控制，實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。其內(nèi)部軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)溫度、閥值等數(shù)據(jù)的實(shí)時匯報，并根據(jù)所編譯的控制算法對溫度進(jìn)行自動控制。

1.1 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

1.1.1 傳感器

根據(jù)現(xiàn)場需要，溫度傳感器必須滿足0～120 ℃的測量范圍，測量精度必須在0.5 ℃以內(nèi)。為降低成本，減少出錯率，簡化溫度傳感器硬件調(diào)試過程，提高電路的易用性，選擇了高集成度、單總線接口的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器[1，2]。

1.1.2 加熱器和驅(qū)動模塊

為達(dá)到加熱快、效率高、精度高的設(shè)計目標(biāo)，泵站加熱爐模型的加熱器選用了4片功率為12 W的PTC加熱半導(dǎo)體。這種半導(dǎo)體內(nèi)阻較小、電熱轉(zhuǎn)化率較高、溫度利用率較高，在達(dá)到設(shè)計的最高溫度后就自動恒溫。它的高安全系數(shù)是傳統(tǒng)加熱器無法比擬的，即使長時間使用，其溫度也會始終被自身材料控制在一定范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)材料表面發(fā)紅、自燃等現(xiàn)象。

泵站加熱爐的滿載總功率為48 W左右。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及設(shè)計目標(biāo)，避免引起系統(tǒng)過載，選用了大功率、低內(nèi)阻、高效率以及有效占空比范圍廣的直流驅(qū)動模塊。加熱器驅(qū)動方案如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)控制框圖

圖2 加熱器的驅(qū)動方案

PWM信號：由Arduino單片機(jī)經(jīng)過PID算法計算后，輸出相應(yīng)開度閥值。

大功率驅(qū)動模塊：有9個接線端子，即電源正極輸入、電源負(fù)極輸入、電源正極輸出、電源負(fù)極輸出、5V電源正極輸出、5V電源負(fù)極輸出、PWM控制輸入、使能端口1、使能端口2。

加熱爐：由4枚加熱片互相并聯(lián)而成，加熱過程迅速。在一定電壓范圍內(nèi)，加熱曲線與電壓大小具有類線性關(guān)系，因此具有可控性，溫控精度較高。

輸油泵站采用的加熱爐為燃?xì)馐郊訜釥t，以天然氣為燃料。天然氣經(jīng)過加壓泵加壓與一定比例的空氣混合后點(diǎn)燃。爐膛內(nèi)有高壓可燃?xì)怏w，會產(chǎn)生劇烈的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生大量的熱能，通過爐膛內(nèi)的熱輻射將熱量傳遞給原油。輸油泵站加熱爐溫控原理參見圖3。

圖3 泵站加熱爐溫控原理框圖

由天然氣燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，純凈的天然氣與氧氣完全燃燒時，一體積的天然氣需要兩倍體積的氧氣。正常情況下，空氣中的含氧量約為21%。因此在一般情況下，加熱爐內(nèi)天然氣與空氣的配比為1∶10。設(shè)計針對的輸油泵站位于高海拔戈壁灘，這里植被覆蓋率低，空氣中的含氧量較低。根據(jù)現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)計算，設(shè)計的燃?xì)馀浔燃s為 1∶13。

1.2 系統(tǒng)的控制電路

設(shè)計采用的單片機(jī)型號為Arduino UNO R3，規(guī)格8 cm×6 cm，晶振頻率16 MHz，有14個數(shù)字輸入輸出接口，6個模擬輸入輸出接口，1個IIC總線接口，1個ICSP接口。微處理器型號為ATmega328，是一款A(yù)VR單片機(jī)，操作電壓為5 V，輸入電壓為 7～12 V，每個I/O最大輸出電流為40 mA，驅(qū)動能力較強(qiáng)，可靠性高。主要部件溫度傳感器的設(shè)計電路如4圖所示。

1.3 系統(tǒng)的軟件構(gòu)成及PID算法

系統(tǒng)的軟件包括主體程序、溫度變量采集、溫度變量處理、PID計算、上位機(jī)交互、液晶顯示等組成部分。主體程序部分的職能是為其他程序部分架設(shè)橋梁、進(jìn)行協(xié)調(diào)及初始化。溫度變量采集部分，將溫度傳感器上傳的數(shù)字變量采集并儲存到相應(yīng)存儲區(qū)域中。溫度變量處理部分，運(yùn)用消抖濾波算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。PID計算部分，計算數(shù)據(jù)處理模塊處理過的可用數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的控制閥值，將其帶入對應(yīng)的驅(qū)動引腳，進(jìn)行PWM信號輸出，從而驅(qū)動溫度控制系統(tǒng)的加熱器件。上位機(jī)交互部分，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。在單片機(jī)作為下位機(jī)的控制系統(tǒng)中，單片機(jī)既可以讀取上位機(jī)所下達(dá)的指令，也可以向上位機(jī)實(shí)時上傳重要數(shù)據(jù)[3]。溫控系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。

圖4 溫度傳感器設(shè)計電路圖

圖5 溫控系統(tǒng)程序流程

在本次設(shè)計中，因?yàn)楸豢貙ο鬄闇囟龋渥兓徛?，有一定的滯后性，所以采用了?shù)字式PID增量控制算法[4]。數(shù)學(xué)模型如式(1)。

(1)

傳遞函數(shù)為：

(2)

式中，KP為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)。

為了便于編程實(shí)現(xiàn)，將方程變?yōu)椴罘址匠?，做如下近似?/p>

(3)

(4)

其中，t為采樣周期，k為采樣序號。

將式(1)(3)(4)變形成數(shù)字PID位置型控制算法，如式(5)。

(5)

由于要累加偏差，不夠精簡，在編程累加時會占用較多的存儲單元。因此，還需對其進(jìn)行改進(jìn)。由式(5)可改寫出式(6)。

(6)

將式(5)和式(6)相減，可得數(shù)字PID增量型控制算法的計算式：

Δu(k) =u(k)-u(k-1)

=KP[e(k)-e(k-1)]+

KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+

e(k-2)]

(7)

式(7)中：KP為比例增益，KP=1/σ；KI為積分系數(shù)，KI=KP*T/TI；KD為微分系數(shù)，KD=KP*TD/T。

為編程方便，將式(7)整理為式(8)。

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

(8)

其中

對于一個特定的被控對象，在純比例控制的作用下改變比例系數(shù)，可以求出產(chǎn)生臨界振蕩的振蕩周期(TU)和臨界比例系數(shù)(KU)。

根據(jù)Z-N條件，有T=0.1TU，TI=0.5TU，TD=0.125TU。代入式(8)則有：

Δuk=KP(2.45ek-3.50ek-1+1.25ek-2)

(9)

經(jīng)過長達(dá)3周的參數(shù)調(diào)試，根據(jù)獲得的大量圖表信息，最終結(jié)合泵站加熱爐溫度控制系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，對臨界振蕩的振蕩周期和臨界比例系數(shù)進(jìn)行調(diào)試，優(yōu)化數(shù)據(jù)，解決了系統(tǒng)的不確定性和抖振等問題。

首先根據(jù)臨界比例法，求出臨界震蕩周期(TU)和臨界比例系數(shù)(KU)。數(shù)據(jù)采集后需要經(jīng)過對比，才能得到最好的等幅震蕩圖形以及平均震蕩周期。因此，在第一次得到等幅震蕩數(shù)據(jù)的周圍，又做了多組數(shù)據(jù)用以逼近最佳值。經(jīng)過多組KU值比對后，所得最佳等幅震蕩曲線如圖6所示。

圖6 最佳等幅震蕩曲線圖

2 加熱爐溫控系統(tǒng)的驗(yàn)證

為檢驗(yàn)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計目標(biāo)的各項(xiàng)要求，進(jìn)行了現(xiàn)場數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)某油田輸油泵站調(diào)度室的報表數(shù)據(jù)(見表1)，將加熱爐出爐溫度的平均值(71 ℃)、最小值(64 ℃)和最大值(76 ℃)分別輸入上位機(jī)中，觀察系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果，并記錄整個運(yùn)行過程。結(jié)果表明，以現(xiàn)場報表溫度作為目標(biāo)值時，加熱爐均能達(dá)到相應(yīng)設(shè)定溫度，而且系統(tǒng)控制過程穩(wěn)定迅速，溫度控制曲線反應(yīng)靈敏。在溫度趨于穩(wěn)定時，浮動溫差均為0.5 ℃。

表1 某輸油泵站加熱爐運(yùn)行報表

3 結(jié) 語

為了提高輸油泵站加熱爐系統(tǒng)的控制性能，根據(jù)某油田輸油泵站加熱爐的具體情況，設(shè)計了原油加熱爐溫度控制系統(tǒng)。利用Arduino單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫控算法、溫度采集、模型加熱爐的控制及上位機(jī)的數(shù)據(jù)上傳，解決了控制系統(tǒng)的不確定性、抖振等問題，實(shí)現(xiàn)了泵站加熱爐溫度控制系統(tǒng)的魯棒性控制，取得了良好的效果。