【正文】 現(xiàn)了對輸油泵站的自動控制，配合軟件仿真可以直觀的查看此系統(tǒng)的功能。石油產(chǎn)業(yè)是現(xiàn)代文明發(fā)展的支柱，是國家的命脈所在，在國民經(jīng)濟中占有 非常 重要的地位，石油的質(zhì)量和產(chǎn)量關系著 國家生產(chǎn)部門的方方面面。 目前國內(nèi)輸油泵站數(shù)量較多且大部分處于偏遠地區(qū)，位置分散，環(huán)境惡劣，交通不便， 主管部門和監(jiān)控部門 對輸油泵站的工作狀態(tài)和輸油管道的監(jiān)測難度很大。因此，國內(nèi)各大輸油泵站 需要一種低成本、高效率的自動控制 系統(tǒng)，來解決實際生產(chǎn)問題。 90年代，我國長輸管道廣泛地采用 SCADA 系統(tǒng)進行全線監(jiān)視、生產(chǎn)管理、調(diào)度及控制。 輸油管道用的 5000kW 及以下的加熱爐己形成標準系列，己在東北、華北輸油管道上廣泛應用。特別在高凝點、高枯度、高含蠟原油的加熱輸送，原油熱處理以及加劑輸送屆畢業(yè)設計 第 2 頁 共 38 頁 等方面己達國際水平?？傮w來說，國外原油管道的輸送工藝正朝著多元化和新型化的方向發(fā)展。例如 :美國的全美管線就是世界上最先進的一條熱輸原油管道，全長 2 715 km，管徑 760，全線采用計算機監(jiān)控和管理系統(tǒng) (SCSS)，在控制中心的調(diào)度人員通過計算機可實現(xiàn)管道流量、壓力及泵、爐、閥等設備的自動控制，仿真系統(tǒng)軟件可完成泄漏檢測、定位、 設備優(yōu)化配置、運行模擬等功能。 本文的主要研究內(nèi)容 本設計是一個輸油泵站自動控制系統(tǒng)，主要任務是長距離的輸油管線進行實時數(shù)據(jù)采集和控制。硬件的設計主要包括了各個功能模塊的方案論證和電路設計；軟件設計主要包括主程序 、 LCD 顯示、 A/D 轉(zhuǎn)換 等子程序編制。 屆畢業(yè)設計 第 3 頁 共 38 頁 2 設計需求 系統(tǒng)的功能 需求 與技術指標 本次 畢業(yè)設計系統(tǒng)的功能 要求及技術指標 ： （ 1） 使用 5V DC 供電。 （ 5） 超過閥值自動報警，停止工作。 輸油 泵 站是長輸管線的主要組成部分之一。主要任務是接收來油，經(jīng)計量后，加壓加熱向下站輸送。 末站：是長輸管線的終點站。 實現(xiàn) 輸油泵站自動控制 功能 的 總體思路如下 ： 系統(tǒng)由電源進行供電，當 啟動 自動控制系統(tǒng)后， 加熱加壓電路和跑馬燈電路（模擬油路的傳輸）開始工作。 當壓力屆畢業(yè)設計 第 4 頁 共 38 頁 低于 5MPa 時，系統(tǒng)低壓報警，加壓電路開始加壓；當壓力高于 20MPa 時，系統(tǒng)高壓報警，減壓電路開始減壓；當溫度低于 30攝氏度時，系統(tǒng)低溫報警，加熱電路開始加熱；當溫度 高于 50 攝氏度時，系統(tǒng)高溫報警，加熱電路停止加熱。 從 1976 年 9月 Intel 公司推出 MCS— 48系列單片機以來，世界上的一些著名的器件公司都紛紛推出各自系列的單片機產(chǎn)品。 AT89C51 是一種帶 4K字節(jié) FLASH存儲器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8位微處理器 ， 可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種 軟件可選的節(jié)電工作模式。 正確地選擇、合理地使用傳感器，對 設計自動化系統(tǒng) 具 有重要意義。主要參數(shù) (壓力、溫度等 )的計量誤差不高于 ％；各項參數(shù)的年漂移量不大于 %FS；采集誤差不高于 1/10000?，F(xiàn)在已利用集成電路技術，將變送電路做成小型模塊，安裝在鉑電阻或熱電阻的接線盒內(nèi)，直接安裝在現(xiàn)場，這樣可以最大限度地減少線路電阻的影響 ，從而獲得較高的精確度，安裝和使用十分方便。 本設計中為了仿真需要， 使用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 代替 一體化溫度變送器 ；使用滑動變阻器和 ADC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 代替 振弦式壓力變送器 。無線數(shù)據(jù)采集要將惡劣，復雜的現(xiàn)場環(huán)境下的采集量完整的采集，還要將采集到的數(shù)據(jù)傳送給遠端的控制室。 LTE 是目前快速發(fā)展的 4G 移動網(wǎng)絡， LTE 實現(xiàn)了 網(wǎng)絡時延的減少、更高的數(shù)據(jù)速 率、系統(tǒng)容量和覆蓋。詳細闡明芯片的選擇比較，所選用芯片的內(nèi)部組成、功能特點、外圍電路及其接口電路，并設計出具體的硬件電路。 中央處理器電路核心芯片 中央處理電路 是以 AT89C51 為核心芯片， AT89C51 是一種附帶 4K字節(jié) 可編程 、 可擦除的只讀存儲器 CMOS8 位微處理器。 （ 3） 4K 字節(jié)可重復 擦寫 Flash 存儲器 （ 4） 三級 可 加密程序存儲器 （ 5） 128 8 字節(jié)內(nèi)部 隨機存儲器 （ 6） 32 個可編程 I/O 口線 （ 7） 兩組 16 位定時 、 計數(shù)器 （ 8） 六 個中斷源 （ 9） 可編程串行通道 （ 10） 低功耗的 掉電 和 閑置 模式 （ 11） 片內(nèi)部 振蕩器和時鐘電路 屆畢業(yè)設計 第 8 頁 共 38 頁 圖 3 AT89C51 引腳圖 單片機 AT89C51 引腳如圖 3所示， AT89C51 引腳功能說明： VCC：供電 。 P0 接口能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可被定義為數(shù)據(jù) 、地址的低 8 位。在 FLASH 編程和校驗時， P1接口作為低 8 位地址接收。在給出地址 “1”時，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進 行讀寫時， P2接 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 接 口將輸出電流（ ILL） 。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸 入編程脈沖。如想禁止 ALE的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 P2接 口： P2接 口與溫度傳感器、加熱加壓模塊和報警器連接，當溫度高于或低于設置溫度時，單片機控制報警并啟動加熱加壓模塊。 因為電容兩端電壓不可突變， 在上電的瞬間，電容通過電阻充電，就在 復位 端出現(xiàn)一定時間的高 電平。若 VCC 上升時間小于 20ms，那么從上電時間算起，只要保持 RST 引腳在高電平停留時間不小于 20ms 即可。 AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器 ， 引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是 該 反相放大器輸入 端 和輸出端， 這個放大器與作為反饋的片外石英晶體一起構(gòu)成自激振蕩器。 圖 5 系統(tǒng)時鐘電路圖 屆畢業(yè)設計 第 11 頁 共 38 頁 A/D 轉(zhuǎn)換電路設計 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0832 A/D 轉(zhuǎn)換的過程是模擬信號依次通過取樣、保持和量化、編碼幾個過程后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 CH0： 模擬輸入通道 0。 DO： 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)輸出 。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在 0~5V 之間。 單片機對 ADC0832 的控制原理 ADC0832 與單片機的接口使用四 條數(shù)據(jù)線，分別是 CS 口 、 CLK 口 、 DO口 、 DI 口 。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端 CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI 端則使用 DI 端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。當 2 位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “0” 時，將 CH0作為正輸入端 IN+， CH1 作為負輸入端 IN進行輸入。直到第 11 個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù) DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。 74HC138 譯碼器可接受 3位二進制加權(quán)地址輸入 ，并當使能時，提供 8個互斥的低有效輸出（ Y0至 Y7）。任選一個低有效使能輸入端作為數(shù)據(jù)輸入，而把其余的使能輸入端作為選通端，則 74HC138 亦可充當一個 8輸出多路分配器，未使用的使能輸入端必須保持綁定在各自合適的高有效或低有效狀態(tài)。 圖 9 跑馬燈電路 圖 液晶顯示電路設計 液晶顯示器具有液體的流動性和晶體的某些光學特性，它本身不發(fā)光，而只是調(diào)制環(huán)境光，越是亮的地方顯示越清晰，黑暗中不能顯示。 液晶顯示芯片 LM016L： LM016L 是 16 字 2 行的字符 型液晶。 （ 2） 芯片工作電壓： 。 VEE： LCD 對比度調(diào)節(jié)端，電壓調(diào)節(jié)范圍為 0～ 5V。 R/W：讀寫控制端。 D0～ D7： 8位數(shù)據(jù)總線，三態(tài)雙向。 信息經(jīng)過單線接口送入 DSl820 或從 DSl820 送出 ， 因此從主機 CPU 到 DSl820 僅需一條線 (和地線 )。 DSl820 的測量范圍從 55 到 +125， 增量值為 ， 可在 ls內(nèi)把溫度變換成數(shù)字 。 屆畢業(yè)設計 第 17 頁 共 38 頁 4 系統(tǒng)的軟件設計 本章詳細介紹系統(tǒng)軟件的設計，本系統(tǒng)的軟件采用 C 語言編寫，模塊化程序設 計，大致可分為單片機主程序、顯示程序、 A/D 轉(zhuǎn)換程序 、跑馬燈程序 等，與硬件電路配合實現(xiàn)各種功能，使系統(tǒng)完全符合本設計的要求。 調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力值：如圖 14，按下“減一”按鈕，管道內(nèi)壓力減少 1MPa，按下“加一”按鈕，管道內(nèi)壓力增加 1MPa。第一行為首站的壓力值和溫度值，第二行為中間站的壓力值和溫度值。在不需要硬件設備投入的情況下， Proteus 軟件可以建立完整的電子學習設計開發(fā)環(huán)境，縮短研發(fā)周期， 且降低開發(fā)成本。 PROSPICE 仿真器的一個擴展 PROTEUS VSM:便于包括所有相關的器件的基于微處理器設計的協(xié)同仿真。 （ 3） 強大的調(diào)試工具 ,包括寄存器和 存儲器 ,斷點和單步模式 。 當壓力低于 5MPa 時，系統(tǒng)低壓報警，啟動蜂鳴器和紅色報警燈，油路停止運行，加壓電路開始加壓。 圖 21 系統(tǒng)高壓 圖 圖 21 系統(tǒng)高壓 圖 壓力 高 于20MPa 跑馬燈停止運行 蜂鳴器報警 警報燈亮 儲油罐停止儲油 開始減壓 LCD 顯示當前壓力 屆畢業(yè)設計 第 25 頁 共 38 頁 當溫度低于 30 攝氏度時，系統(tǒng)低溫報警，啟動蜂鳴器和紅色報警燈，油路停止運行， 加熱電路開始加熱。 圖 23 系統(tǒng)高溫 圖 溫 度 高 于50 攝氏度 跑馬燈停止運行 蜂鳴器報警 警報燈亮 儲油罐停止儲油 停止加熱 LCD 顯示當前溫度 屆畢業(yè)設計 第 27 頁 共 38 頁 6 總結(jié) 至此，本次所設計的輸油 泵站機泵控制 系統(tǒng)已經(jīng)完成，該設計的硬件設計包括：中央處理器、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 跑馬燈 電路、液晶顯示電路等。 該系統(tǒng)主要是以 AT89C51 單片機作為核心控制芯片， A/D 轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量， 同時傳遞給單片機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析并處理 。 屆畢業(yè)設計 第 28 頁 共 38 頁 參考文獻 [1] 中國石油規(guī)劃總院 . 油氣管道技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [R].北京 :中國石油管道技術與管理專題報告會 .2020:16 [2] 鮑秀華 .油田集輸、注水泵站生產(chǎn)自動化監(jiān)控系統(tǒng)的應用研 究 [D].浙江 :浙江大學電氣工程學院 .2020:830 [3] 馮盛 . 無線移動通信在石化輸油沿線的應用 [J].科技信息 .2020(24):13 [4] 韓斌杰 .GPRS 原理及其網(wǎng)絡優(yōu)化 [M].機械工業(yè)出版社 . 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