油田注水智能控制系統(tǒng)設計

摘要油田注水是采油生產(chǎn)過程中最重要的工作之一，油田的注水開發(fā)在油田的開發(fā)過程中具有極其重要的意義，通過控制注水和控制產(chǎn)出水量保持地底壓力，達到油田長期高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)是一項十分重要的技術。在實際的注水過程中，人工調節(jié)注水會存在很多的問題，工作人員不能長期駐守在現(xiàn)場，而且人工調節(jié)易出現(xiàn)超注或欠注的現(xiàn)象，影響正常的生產(chǎn)。針對目前的這些狀況，本文設計了一種基于ATmega16單片機的油田注水智能監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了注水流量的自動監(jiān)測，并將PID控制引入到控制系統(tǒng)中，實現(xiàn)實時增加注水量保持地層壓力的目的。本文在介紹了注水油田系統(tǒng)的研究背景和國內外發(fā)展現(xiàn)狀基礎上，根據(jù)油田注水系統(tǒng)的的結構組成和注水流程，確立了油田智能注水監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案，并介紹了測控系統(tǒng)的工作原理。測控系統(tǒng)選用ATmega16作為系統(tǒng)的核心，利用流量計監(jiān)測流量，由流量誤差值通過PID控制器計算出控制量，單片機通過PWM控制電機的轉向和轉速控制閥門的開關度，達到調節(jié)注水的目的。關鍵詞油田注水PID控制單片機流量測控系統(tǒng)AbstractOilfieldwaterinjectionisoneofthemostimportantworksintheoilproductionprocess，oilfieldwaterfloodinghastheextremelyvitalsignificanceintheprocessofoilfielddevelopment，itcanremainundergroundthroughthecontrolofwaterinjectionandcontrolofoutputwater，it'saveryimportanttechnologytoachievelong-termoil.Intheactualwaterinjectionprocess，therearemanyproblemsintheartificialregulationofwater，theworkerscouldnotstayatthesameallthetime，whenitneedtoregulatetheflowcannotbeperformedimmediately，anditwillaffectthenormalproductionbecauseofultrainjectionorshortphenomenon.ThispaperdiscussesthedesignofasinglechipmicrocomputerbasedonATmega16ofoilfieldwaterinjectionintelligentmonitoringsystemforaimingattheseconditions，realizingthewaterinjectionflowautomaticmonitoring，andthePIDcontrolisintroducedintothecontrolsystem.Thispaperintroducesthebackgroundofresearchingonthewaterfloodinganddevelopmentstatusathomeandabroadfirstly，andestablishedoilfieldintelligentinfusionmonitoringsystemaccordingtotheoilfieldwaterinjectionsystemstructureandtheinjectionprocess，atthesametime，itintroducestheprincipleofmeasurementandcontrolsystem.Inthispaper，wechoosetheATmega16asthecoreofthesystem，andflowerrorvaluesbyPIDcontrollercalculatesacontrololume，throughthesingle-chipPWMcontrolofmotorsteeringandspeedcontrolvalveswitch，toregulatethepurposeofwaterinjection.KeywordOilfieldwaterinjectionPIDcontrolSinglechipFlowmeasurementancontrolsystem目錄TOC\o"1-3"\u摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題的研究背景和意義 11.2油田注水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 21.2.1國外研究現(xiàn)狀 21.2.2國內研究現(xiàn)狀 31.3本課題主要研究目的及內容安排 41.3.1研究目的 41.3.2主要內容安排 4第2章油田注水系統(tǒng)基本工作原理 52.1油田注水系統(tǒng)的結構和基本原理 52.2注水系統(tǒng)控制方式比較 62.3關鍵參數(shù) 6第3章系統(tǒng)方案的確定 73.1系統(tǒng)的設計要求 73.2系統(tǒng)總體方案確定 73.3執(zhí)行機構的選擇 93.3.1流量計 93.3.2調節(jié)閥 103.4測控系統(tǒng)的工作原理 10第4章基于ATmega16的測控系統(tǒng)設計 124.1單片機的選型和特點 124.2測控系統(tǒng)硬件電路設計 154.2.1電源電路 164.2.2時鐘電路 174.2.3復位電路 184.2.4鍵盤設計 194.2.5液晶顯示部分 194.2.6壓力傳感器電路 214.2.7流量計傳感器電路 234.2.8PWM控制電路和負載驅動電路 254.2.9溫度保護電路 274.3軟件設計 294.3.1開發(fā)環(huán)境 294.3.2控制系統(tǒng)工作流程分析 304.3.3初始化程序模塊 314.3.4電機控制模塊 314.3.5PID控制模塊 324.4系統(tǒng)的MATLAB仿真 354.4.1MATLAB簡介 354.4.2電機MATLAB仿真 35結論 38致謝 39參考文獻 40附錄1 42附錄2 43CONTENTSAbstract IPartIIntroduction 11.1Thebackgroundandsignificanceofthesubject 11.2Researchstatusofoilfieldwaterinjectionsystem 21.2.1Thestatusofforeignresearch 21.2.2Thestatusofdomesticresearch 31.3Themainpurposeofthissubjectandcontentarrangement 41.3.1Researchpurpose 41.3.2Maincontents 4PartIIThebasicoperatingprincipleofwaterinjectionsystem 52.1ThestructureandbasicprinciplesofOilfieldwaterinjection 52.2Compareofinjectionsystemcontrol 62.3Keyparameters 6PartIIIDeterminethesystemplan 73.1TherequirementsofSystemdesign 73.2Programtodeterminetheoverallsystem 73.3Choiceofimplementingagencies 93.3.1Flowmeter 93.3.2Regulatingvalve 103.4Principlesofmeasurementandcontrolsystem 10PartIVMeasurementandcontrolsystembasedonATmega16 124.1MCUselectionandfeatures 124.2Controlsystemhardwarecircuitdesign 154.2.1Thepowersupplycircuit 164.2.2Clockcircuit 174.2.3Resetcircuit 184.2.4Keyboarddesign 194.2.5LCDportion 194.2.6Pressuresensorcircuit 214.2.7Flowmetercircuit 234.2.8PWMcontrolcircuitandloaddrivingcircuit 254.2.9Temperatureprotectioncircuit 274.3Softwaredesign 294.3.1Developenvironment 294.3.2Controlsystemworkflowanalysis 304.3.3Initializationprogrammodule 314.3.4Motorcontrolmodule 314.3.5PIDcontrolmodule 324.4MATLABsimulationofsystem 354.4.1MATLABintroduction 354.4.2MotorMATLABsimulation 35Conclusion 38Acknowledgements 39Reference 40Appendix1 42Appendix2 43第1章緒論1.1課題的研究背景和意義石油，被稱作“工業(yè)的血液”，我國的石油缺口很大，所以石油的開采量及石油資源利用率最大化，成為了重中之重[1]。在油田開采過程中，為了保持地底油層中的壓力，利用注水井將水注入到油層中，地底油層壓力大小是和油田的開采時間長短成正比的，開采時間越長，壓力越小，油田注水的目的是為了保持油層壓力，提高供液能力，降低原油遞減率，以達到進一步開采石油的目的，是實現(xiàn)原油高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要手段[2]。特別是油田進入中后期開發(fā)階段，措施增油效果越來越差，穩(wěn)產(chǎn)難度日益增大，強化有效的注水是目前改善油田開發(fā)效果的關鍵[3]。當油井壓力發(fā)生變化時，注水量就會隨之改變。目前很多油井注水量主要是人工控制[4]。每口注水井都安裝有高壓閥門、壓力表、高壓注水表。所用的注水閥門多為高壓閘閥或截止閥，開關時需要人工旋轉手輪，用來打開或關閉閥門[5]。操作人員根據(jù)注水工藝配注量進行人工調節(jié)，由于閘閥或截止閥不適于經(jīng)常性調節(jié)，絲桿和螺母磨損易漏，加之由于人工控制的時間滯后效應，不能對注水出現(xiàn)的異常情況及時處理，特別是夜間，由于壓力波動，操作人員不能及時發(fā)現(xiàn)并做出處理，使得注水量失控或反吐“倒灌”，嚴重時造成地底出砂，嚴重影響油田的穩(wěn)定開發(fā)和安全生產(chǎn)。對于周期短的間注水井和層間矛盾突出或測試難度大的油井，人工測試的控制精度差，注水量調節(jié)難度大，工作量大，注水倒流和因此引起的地層出砂現(xiàn)象時有發(fā)生[6][7]。另一方面，大部分油田注水壓力都在10MPa~30MPa之間，屬高壓力危險環(huán)境，普通閘閥或截止閥易損易漏，在實際中存在著許多的不安全因素，現(xiàn)場人工調節(jié)極不安全[8]。另外，注水流量人工調節(jié)，程序繁瑣，油田為了減員增效，對網(wǎng)絡信息化、自動化管理要求極為迫切。此時，需要能自動調節(jié)流量的智能注水系統(tǒng)。1.2油田注水系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀國外油田注水自動化監(jiān)控工作已有幾十年的歷史了，上世紀50年代，美國海灣石油公司就建成了世界上第一套自動化監(jiān)控輸送系統(tǒng)（LACT）并解決了原油的自動收集、計量、處理、輸送等問題。上世紀六十年代，Arco公司的IatanEastHoward油田將PLC用于注水控制，并快速的發(fā)展到其他的領域，例如報警、泵控、撬裝等[9]。在上世紀八十年代，作為數(shù)字化油田檢測的重要組成部分的注水井檢測就已經(jīng)相當發(fā)達了，可以實現(xiàn)分布式監(jiān)測[10]。目前國外油田將現(xiàn)代管理制度引入到油田自動化系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)原油開采、存儲、加工、銷售的全面監(jiān)控。并且在實際應用中取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，例如在巴西Bahia州，某個油田的700口井安裝了PLC自動控制系統(tǒng)，操作人員可以實時遙測遙控現(xiàn)場采油設備[11]，科威特石油公司基于提供高質量且可靠的石油開采和生產(chǎn)信息給技術監(jiān)管和決策人員的目的設計的E&P數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也是油田生產(chǎn)自動化的典型范例，此系統(tǒng)將計算機技術很好地應用到石油開采中，將位于沙漠地區(qū)的1480多口油井利用油井管道整合成19個采集中心，大大方便了油井管理。隨著科技的發(fā)展，近幾年的自動化監(jiān)控技術又有了極大的進步，如:為了達到原油的最大采收率，保持地層壓力，英國石油公司建立了自動化監(jiān)控系統(tǒng)，它通過監(jiān)測到的地質情況自動控制注水井注水井注入情況；功能強大的PRC油田自動控制系統(tǒng)是美國LUFKIN公司最近推出的產(chǎn)品，它可以對油井、注水井進行全方位的測量，從而達到自動控制的目的，大大提高了工作效率。并且，代表當前世界最高水平的美國部分油田自動化管理系統(tǒng)中，精確到將原油銷售過程中由于溫度等因素引起的體積變化導致的銷售差額都作為考慮因素[12]；Jeroen等人在石油開采國際會議上提出了油田脈沖技術，避免了不斷調節(jié)注水壓力來保持流量不變，并在加拿大的油田中得到了很好的應用。雖然國外的油田自動化監(jiān)測系統(tǒng)功能已經(jīng)十分齊全，監(jiān)測水平也遠遠超過了國內的水平，但是國外的油田自動化監(jiān)測系統(tǒng)并不完全適用于國內油田，且其價格十分昂貴，制約了在我國的發(fā)展推廣[13]。1.2.2國內研究現(xiàn)狀我國油氣田較晚步入到自動化監(jiān)測控制領域，隨著資源的日益匱乏和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，國內油田越來越感受到自動化監(jiān)控的重要性，所以近些年來將國外的一些比較先進的自動化設備和技術引入到海洋采油平臺、西部油田和長輸管道方面，經(jīng)過近十年的發(fā)展應用、吸收消化，達到了集中分布式監(jiān)控階段，并且正向著智能化、網(wǎng)絡化和現(xiàn)代企業(yè)自動化方向發(fā)展[14]。我國早在上世紀60年代就開始了對油井遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)，國內涉足過此類系統(tǒng)的企業(yè)有數(shù)百家，但由于技術、科技含量低等問題在實際應用中效果不佳[15]。20世紀90年代，我國西部的塔里木、海上、吐哈等油田為了提高工作效率，提高采收率，引入了國外的自動化系統(tǒng)，并且取得了良好的效果。這些百萬噸油田的操作人員基本控制在100人以內[16]。由于計算機、網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展，特別是油井的現(xiàn)代化管理的要求有力促進了油井監(jiān)控系統(tǒng)的研究和發(fā)展，到20世紀90年代后期，我國的華盛信息技術有限公司、集納公司、安控公司等在油井監(jiān)控研究方面取得了可喜的成績[17]。當對油田注水系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集后，如何應用反饋對執(zhí)行元件進行控制是關鍵。傳統(tǒng)的控制方法是PID控制，但其對大慣性、純滯后和非線性的系統(tǒng)控制往往整定不良、性能欠佳，而且注水系統(tǒng)需要實時調節(jié)，并且實際中有些系統(tǒng)難以用建立數(shù)學模型，人們需要非傳統(tǒng)的控制方法進行控制[18]。李湘閩、張君等將改進了數(shù)字流量閥的PID控制器，將模糊控制、自適應控制引入到了PID控制算法中，流量閥控制性能得到了顯著提高[19]。這些實例都為以后的研究提供了可借鑒的思路。1.3本課題主要研究目的及內容安排1.3.1研究目的對油田集輸、注水泵站生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動化管理后，能夠提高泵站生產(chǎn)管理及運行水平，主要表現(xiàn)在：（1）現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員通過實時監(jiān)控站各個生產(chǎn)過程的生產(chǎn)參數(shù)，能夠及時分析各個生產(chǎn)過程的工作狀態(tài)，可以預測并發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題，能夠大大提高油田站的生產(chǎn)運行質量。（2）對油田集輸、注水泵站生產(chǎn)參數(shù)實現(xiàn)自動采集后，可以減少大量的現(xiàn)場值班人員，同時較大幅度降低了現(xiàn)場工人的勞動強度，有利于油田減員增效。（3）實現(xiàn)油田集輸、注水泵站生產(chǎn)過程的全自動化監(jiān)控，對建成環(huán)保、節(jié)能、運行效率高、自動化管理水平高的智能化、數(shù)字化的油田泵站有著重要意義，它同時也是數(shù)字化油田建設的重要組成部分。1.3.2主要內容安排（1）查閱油田注水方面的有關著作，了解油田注水過程存在的問題，研究國內外油田注水流量監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。（2）在了解系統(tǒng)工作原理的基礎上，介紹幾種注水方式和注水流程，針對系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，分析系統(tǒng)耗能的主要原因，并分析了節(jié)能的幾種主要方式。（3）提出了系統(tǒng)的總體設計方案，根據(jù)設計方案確定了需要的幾種相關技術，并根據(jù)系統(tǒng)的要求選取了PID控制作為控制方法。（4）搭建系統(tǒng)的硬件平臺，選取合適的單片機，控制系統(tǒng)的硬件模塊設計由電源管理模塊、控制器基本電路、伺服電機控制等模塊組成。（5）編寫控制系統(tǒng)軟件，軟件系統(tǒng)由控制器模塊、系統(tǒng)初始化模塊、和電機控制模塊等幾個軟件模塊組成。（6）搭建MATLAB軟件仿真平臺，對PWM控制直流電機進行MATLAB仿真，并對波形進行分析整理。第2章油田注水系統(tǒng)基本工作原理2.1油田注水系統(tǒng)的結構和基本原理注水系統(tǒng)是由節(jié)點單元（包括注水間、配水間、注水井及管線交匯點）、管道單元（包括注水干線、注水支線）和附屬單元（包括閥門、三通、彎頭等）組成的，是一個復雜而龐大的水力學系統(tǒng)，同時也是一個大型流體網(wǎng)絡系統(tǒng)[20]。在注水系統(tǒng)中，隨著油田注水工作不斷進展，新、老聯(lián)合注水站的污水已成為注入水主要來源，污水經(jīng)過沉降過濾處理后，用泵打入污水儲罐，依據(jù)生產(chǎn)指標要求，經(jīng)過高壓注水泵增壓后，注入到注水管網(wǎng)中，然后到達各個配水間，再經(jīng)控制、計量后分配至各注水井，通過各條注水管柱，最后通過配水嘴噴出，注入到地底油層中[21]，注水系統(tǒng)結構圖如圖2-1所示。注水干線注水井注水干線注水井注水支線多井配水間注水井i（i=1，2，…，n）單井配水間注水井注水站注水管網(wǎng)系統(tǒng)表示水的流向圖2-1注水系統(tǒng)結構圖注水系統(tǒng)整個流程是從水源——凈化系統(tǒng)——注水站——配水間——注水井，凈化系統(tǒng)實際上是水質處理系統(tǒng)。注水站的主要任務是將處理后符合質量標準的水升壓，使其滿足注水井注入壓力的要求。由于油田區(qū)域分布廣，注水管網(wǎng)復雜龐大，注水井的數(shù)目也比較多，因此油田注水系統(tǒng)往往不是一個注水站或單個注水間，而是包含有很多注水站、多個配水間。2.2注水系統(tǒng)控制方式比較控制注水的目的是在保證達到地底油層壓力的條件下，通過提高注水泵的效率、降低單耗等手段，來達到降低系統(tǒng)功耗、節(jié)約電能的目的。對注水系統(tǒng)的控制有三種方式:泵的臺數(shù)控制、調速控制和閥門節(jié)流控制。三種控制方式的比較：泵的臺數(shù)控制：優(yōu)點是控制方式簡單，經(jīng)濟性好；缺點是壓力變化大，不能連續(xù)控制；適用條件為泵的實際揚程大于管道損失或臺數(shù)多、小容量水泵多的情況。閥門節(jié)流控制：優(yōu)點是控制方法較簡單，可連續(xù)控制流量、壓力，經(jīng)濟性好；缺點是效率低，有噪音；適用條件為泵的揚程大于管道損失，臺數(shù)多、中等容量水泵的情況。泵的調速控制：優(yōu)點是可連續(xù)控制流量和壓力，效率高；缺點是初期投資大，并聯(lián)運轉是對控制要求高；適用條件為流量范圍大，臺數(shù)少、大容量水泵和泵實際揚程小于管道損失的情況。2.3關鍵參數(shù)流量、壓力、溫度是工業(yè)自動化領域的三大檢測參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)中流量測量的意義重大，它可以直接為生產(chǎn)提供消耗的能源數(shù)量，進行經(jīng)濟核算，也可以將流量信號作為控制生產(chǎn)的主要參數(shù)。地層壓力和地層溫度是開發(fā)油氣田的能量，也是油氣田開發(fā)中重要的基礎參數(shù)。油氣藏地層壓力和溫度的高低，不僅決定著油氣等流體的性質；還決定著油氣田開發(fā)的方式、油氣開采的技術特點與經(jīng)濟成本，以及油氣的最終采收率。因此，對一個油氣田來說，在勘探階段以至整個開發(fā)過程中，都要十分重視地層壓力和溫度這兩個基礎參數(shù)的獲取、由于油氣層深埋地下，多種因素影響著油氣層壓力和溫度，要想準確地獲取地層壓力和溫度特別是不同開發(fā)階段地層壓力的確切數(shù)值是十分困難的，所以要精心的做好地層壓力的測試、計量和計算工作。第3章系統(tǒng)方案的確定3.1系統(tǒng)的設計要求對于油田注水智能監(jiān)控系統(tǒng)，從油田生產(chǎn)和實際需要出發(fā)，要求系統(tǒng)有如下功能:（1）可靠性:第一，傳感器超過量程時不會損壞；第二，現(xiàn)場所有儀表要具有較強的防水、防磁、防爆、耐高低溫、抗振特性。（2）準確性:壓力、溫度、流量等參數(shù)的計量誤差小于5%。（3）安全性:一是軟件訪問網(wǎng)絡的權限要實施保密和防護，以保證數(shù)據(jù)的安全；二是為了保證系統(tǒng)不因系統(tǒng)問題而造成事故發(fā)生，系統(tǒng)要采用防爆結構；三是為了保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的正常傳輸，所有電纜要埋于地下并且要有管保護；四是系統(tǒng)對每一個動作操作提供檢查和校核，操作有誤時，被禁止并報警。（4）良好的開放性和擴充性:現(xiàn)場總線通訊網(wǎng)絡結構的采用使系統(tǒng)設備可方便靈活的進行擴充，可根據(jù)泵站的要求及需要進行設備的增加。硬件的設計具有開放性，所有的硬件均為模塊化，構成一個通用、開放的結構體系；這就允許系統(tǒng)隨時增加新的標準設備，構成有機整體結構。3.2系統(tǒng)總體方案確定方案一：傳統(tǒng)PID控制，這種控制方式在很多情況下，PID控制器只需要一到兩個單元就可以達到目的，并不需要三個單元一起來調節(jié)，但是這些單元中必須要有比例控制單元。PID控制原理簡單、使用方便、適應性強、魯棒性強等優(yōu)點。PID控制器在實際應用中同樣存在著缺點，當其在控制時變、耦合、非線性及參數(shù)和結構不確定的復雜系統(tǒng)時，在系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)性能之間，跟蹤設定值與抑制擾動能力之間存在著矛盾，通常使用折中的辦法，使系統(tǒng)不能獲得最佳的控制效果。PID控制器在實際的工程應用中參數(shù)整定相當繁雜，需要通過試湊法等方法來實現(xiàn)，影響了PID控制器的性能，對于實際的工程運行狀況適應性差，所以常規(guī)PID控制在實際應用中受到了限制。方案二：采用AVR單片機與PID控制相結合的方式，彌補PID控制中的不足，結合兩者優(yōu)點，利用單片機與計算機的結合，編成計算機可以接受的控制方式，讓計算機代替人力來進行有效地，實時控制。本次實驗采用第二種方案。本設計的油田注水智能監(jiān)控系統(tǒng)，結合油田注水環(huán)境及流量控制的特點，確定注水監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計方案，以期達到穩(wěn)定高效安全的實現(xiàn)注水系統(tǒng)的監(jiān)測及控制的目的，保證注水質量，提高原油生產(chǎn)率。油田注水智能流量監(jiān)控系統(tǒng)整體框圖如圖3-1示，系統(tǒng)的檢測元件為壓力計、溫度計、流量計，選用流量為主要的被控對象，并由控制電路調節(jié)閥門，完成對流量的調節(jié)，達到所需要的流量標準。在工業(yè)控制領域控制主機有多種選擇，本系統(tǒng)選用有高性價比的低功耗ATmega16系列單片機為主機。ATmega16單片機具有耗電量小，適用溫度范圍寬，小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，抗干擾能力強等特點，非常適合油田注水環(huán)境。本系統(tǒng)充分利用ATmega16單片機的高性能，結合LCD、鍵盤、壓力計、流量計、閥門等，組建一個具有良好的人機交互界面的油田注水監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)利用流量計對油田注水流量進行計量，并把實時的流量值傳送給ATmega16單片機，ATmega16根據(jù)事先設置的預定值和檢測值的差值控制閥門的開啟，并根據(jù)流量值的反饋值，實時調整閥門狀態(tài)，調節(jié)注水量；同時將相關的數(shù)值進行記錄存儲，并在LCD上進行查詢顯示。圖3-1油田注水智能控制系統(tǒng)整體框圖鑒于油田環(huán)境惡劣，電磁干擾較強，溫度和濕度變化范圍較大，空氣中含腐蝕性氣體濃度高，野外供電不方便和成本問題，系統(tǒng)選用了8位的、具有先進指令集的高性能、低功耗的AVR微處理器，ATmega16單片機。3.3執(zhí)行機構的選擇3.3.1流量計流量儀表即使在實驗中獲得很高的精度，但在油田現(xiàn)場不一定會出現(xiàn)相同的精度，因為流量儀表對于使用條件的依賴十分強烈，性能會隨著條件的變化而變化。油井的溫度大概是80~180℃，注水壓力范圍一般在15~50MPa之間，流量范圍最大約為40~0.1m3/h（400:1），且液體中含有氣體，儀表容易被腐蝕，一般的流量儀表很難適應這種惡劣的環(huán)境。本系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場工作條件，選用容積式流量計FLOMECOM004。FLOMECOM004容積式流量傳感器兩大優(yōu)勢：（1）活動的機械部件僅有兩個橢圓齒輪，有利于系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。（2）脈沖電壓輸出信號，這種信號適合AVR單片機處理。綜上，F(xiàn)LOMECOM004容積式流量傳感器具有抗干擾能力強、可靠性高、輸出脈沖穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點，適合本次設計的應用場所。3.3.2調節(jié)閥在自動調節(jié)系統(tǒng)的設計中，調節(jié)閥的選擇是一個十分重要的環(huán)節(jié)。正確選擇調節(jié)閥，合理地確定水泵的揚程，還有明顯的節(jié)能效果。調節(jié)閥是按照控制信號的方向和大小，通過改變閥芯行程來改變閥的阻力系數(shù)，達到調節(jié)流量的目的。隨著科技的發(fā)展，出現(xiàn)了智能調節(jié)閥，它具有控制、保護、診斷等功能，集常規(guī)調節(jié)閥檢測、控制、調節(jié)于一身的現(xiàn)場智能控制器，可以根據(jù)系統(tǒng)工作過程中的流量、閥門開度、壓力變化等情況及時調整，使系統(tǒng)系統(tǒng)可以更好的工作。調節(jié)閥在現(xiàn)場使用中，會出現(xiàn)各種各樣的問題，其中很多問題是由調節(jié)閥的安裝使用不當造成的，所以在調節(jié)閥在安裝過程中需要注意一下以下幾方面:（1）調節(jié)閥屬于現(xiàn)場儀表，環(huán)境溫度應該在-25~60℃范圍，相對濕度≤95%。在高溫或露天場所要增加降溫、防水措施。（2）調節(jié)閥只有在特殊情況下可以傾倒，一般應垂直安裝，在閥本身過重或傾斜角度太大時，應該對調節(jié)閥增加支承件。（3）執(zhí)行機構的減速器在維護時要注意加潤滑油，一般不要拆洗低速電機。當調節(jié)閥安裝后，要注意檢查閥門開度顯示與實際的開度是否相符。3.4測控系統(tǒng)的工作原理儀器測控系統(tǒng)是泵站實現(xiàn)自動化最基礎、最重要的組成部分，其可靠性和精度直接影響泵站的正常運行，因此熟悉測控系統(tǒng)的工作原理具有重要的意義。整個測控系統(tǒng)對提高注水生產(chǎn)的效率具有非常重要的作用。它所完成的主要功能是對實現(xiàn)參數(shù)進行采集，并轉換成電流標準信號，送到顯示儀表、控制儀表或單片機的輸入端，通過對采集到的數(shù)據(jù)進行記錄分析、比較，達到實現(xiàn)對注水泵的壓力、流量的調節(jié)，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動保護、報警功能。系統(tǒng)裝置內的邏輯控制保護電路部分，能夠自動進行超限報警保護、自動停泵保護、安全狀況下重新啟動等功能。本設計采用流量值作為控制系統(tǒng)的調節(jié)參數(shù)，檢測控制系統(tǒng)主要由流量計（測量機構）、電機控制閥門（控制器）、電動機（執(zhí)行機構）和被控對象（流量值）構成。如下圖所示。PID算法PID算法圖3-2檢測控制系統(tǒng)結構圖由采集模塊中流量計、壓力計測得的流量值和壓力值輸入到單片機中，與單片機中設置的流量值上、下限值進行比較，可以得到實際值與預設值的偏差，通過單片機內的控制算法，可以由偏差計算出電動機的轉動量，電機閥門調節(jié)的流量值輸出量，完成整體控制。注水監(jiān)測系統(tǒng)的主要組成部分是以ATmega16單片機為核心的控制器，控制器通過流量計所檢測的流量值來控制閥門調節(jié)，即對電動機轉動量的調節(jié)，以達到保持地底壓力的目的。通過程序設定注水井壓力A1和注水流量值B1，通過壓力計和流量計采集實時壓力值A2和流量值B2，壓力傳感器將實時壓力信號轉化為電信號，通過放大濾波，數(shù)模轉換傳入單片機中與預設值A1進行比較，當A1>A2，單片機發(fā)出開閥門信號，經(jīng)保護電路、隔離放大電路和驅動放大電路后驅動電動機，即驅動電機閥門的開關和轉動量。隨后，流量計檢測流量值大小傳入單片機，進行數(shù)據(jù)分析比較，判斷實際流量值B2與預設值B1的大小，當B2=B1時，閥門不動；當B1>B2或B2>B1時，根據(jù)流量差值計算電動機轉量，利用單片機來驅動電機，進而達到控制電機閥門的開關度的目的，實現(xiàn)電機閥門的正轉和反轉，實現(xiàn)自動控制，直到B1=B2，裝置自動停止調節(jié)。第4章基于ATmega16的測控系統(tǒng)設計測控系統(tǒng)硬件部分主要由單片機的流量采集、壓力采集、溫度采集和電機控制等組成。本設計選用ATmega16系列單片機，所設計的產(chǎn)品較適合用于工業(yè)環(huán)境下，并且具有低功耗、開發(fā)方便等特點。4.1單片機的選型和特點ATmega16是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16AVR內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16實物圖如下：圖4-144引腳TQPF封裝實物圖圖4-240引腳PDIP封裝實物圖ATmega16管腳圖如下：圖4-344引腳TQPF封裝管腳圖圖4-440引腳PDIP封裝管腳圖ATmega16是以Atmel高密度非易失性存儲器技術生產(chǎn)的。片內ISPFlash允許程序存儲器通過ISP串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于AVR內核之中的引導程序進行編程。引導程序可以使用任意接口將應用程序下載到應用Flash存儲區(qū)（ApplicationFlashMemory）。在更新應用Flash存儲區(qū)時引導Flash區(qū)（BootFlashMemory）的程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了RWW操作。通過將8位RISCCPU與系統(tǒng)內可編程的Flash集成在一個芯片內，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調試器/軟件仿真器、仿真器及評估板。產(chǎn)品特性：–高性能、低功耗的8位AVR微處理器–先進的RISC結構（簡單指令結構）–131條指令–大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期–32個8位通用工作寄存器–計數(shù)/定時器：2個8位，1個16位–全靜態(tài)工作–工作于16MHz時性能（最大吞吐量）高達16MIPS–只需兩個時鐘周期的硬件乘法器–非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器–片內數(shù)據(jù)存儲器：16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash，512字節(jié)的EEPROM（電可擦除可編程ROM）擦寫壽命:10，000次–具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)通過片上Boot程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程真正的同時讀寫操作擦寫壽命：100.000次–1K字節(jié)的片內SRAM–可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密·JTAG接口（與IEEE1149.1標準兼容）–符合JTAG標準的邊界掃描功能–支持擴展的片內調試功能–通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程·外設特點–兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器–一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器–具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC–四通道PWM–8路10位ADC8個單端通道TQFP封裝的7個差分通道2個具有可編程增益（1x，10x，或200x）的差分通道–面向字節(jié)的兩線接口–兩個可編程的串行USART–可工作于主機/從機模式的SPI串行接口–具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器（WatchDog）–片內模擬比較器·特殊的處理器特點–上電復位以及可編程的掉電檢測–片內經(jīng)過標定的RC振蕩器–片內/片外中斷源（共有21個中斷源）–6種睡眠模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式·I/O和封裝–32個可編程的I/O口–40引腳PDIP封裝，44引腳TQFP封裝，與44引腳MLF封裝·工作電壓:–ATmega16L：2.7-5.5V–ATmega16：4.5-5.5V·速度等級–0-8MHzATmega16L–0-16MHzATmega16·ATmega16L在1MHz，3V，25°C時的功耗–正常模式:1.1mA–空閑模式:0.35mA4.2測控系統(tǒng)硬件電路設計油田注水流量監(jiān)控系統(tǒng)主要由鍵盤輸入模塊、信息采集模塊、顯示模塊、報警模塊和CPU處理模塊等組成，系統(tǒng)的原理框圖如圖4-5所示。信息輸入模塊通過采集傳感器采集壓力、溫度和流量等信號。顯示模塊則采取了顯示效果較好的液晶顯示模塊。圖4-5系統(tǒng)原理框圖整個系統(tǒng)的結構一目了然，信息采集模塊直接與ATmega16連接，簡化采集設計，增加系統(tǒng)的可靠性。通過單片機的P0口來實現(xiàn)鍵盤輸入，由于P0口具有中斷功能，實現(xiàn)起來非常容易，同時也適合軟件編程。電源和復位模塊主要是為系統(tǒng)提供可靠的電源，另外系統(tǒng)工作需要復位功能，需要提供復位信號。報警模塊是為了當注水流量出現(xiàn)異常時，給予提示。顯示模塊用以顯示實時的測量值，以便進行讀取。4.2.1電源電路本設計中主電路及控制電路用電電壓為5V，傳感器供電電壓為15V，本次設計電源電路采用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源，其所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如設計中用到的7805表示輸出電壓為+5V，7915輸出電壓為-15V，在實際應用中，應在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當然小功率的條件下不用）。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。在78**、79**系列三端穩(wěn)壓器中最常應用的是TO-220和TO-202兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如下圖所示。從正面看①②③引腳從左向右按順序標注，接入電路時①腳電壓高于②腳，③腳為輸出位。如對于78**正壓系列，①腳高電位，②腳接地，③腳為輸出位；而對于79**負壓系列，①腳接地，②腳接負電壓，③腳為輸出位。圖4-678系列封裝圖7805三端穩(wěn)壓IC內部電路具有過壓保護、過流保護、過熱保護功能，這使它的性能很穩(wěn)定。能夠實現(xiàn)1A以上的輸出電流。器件具有良好的溫度系數(shù)，因此產(chǎn)品的應用范圍很廣泛?？梢赃\用本地調節(jié)來消除噪聲影響，解決了與單點調節(jié)相關的分散問題，輸出電壓誤差精度分為±3%和±5%。7815為三端正穩(wěn)壓器電路，TO-220F封裝，能提供多種固定的輸出電壓，應用范圍廣。內含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。一般的雙電源（正負對稱電源）都沒有連續(xù)可調的功能，給使用帶來一定程度上的不便。用一塊7815和一塊7915三端穩(wěn)壓器對稱連接，可獲得一組正負對稱的正負15V穩(wěn)壓電源。電源電路原理圖如下圖所示。圖4-7電源電路4.2.2時鐘電路本次設計中的時鐘電路采用單片機內部時鐘加上外部晶振的方式。這種時鐘的方式簡單，成本低廉，雖然精度稍差，但是不影響整體運行情況。外部電路圖如下圖所示。圖4-8時鐘電路4.2.3復位電路無論用戶使用哪種類型的單片機，總是要涉及到復位電路的設計，它的性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性，如果設計的復位電路不可靠，會引起“死機”、“程序走飛”等現(xiàn)象。復位電路是在系統(tǒng)上電或者復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，提高電磁兼容性能。復位電路可以采用矩陣搭載單片機內部RESET管腳來復位，或者是使用復位芯片來實現(xiàn)。本系統(tǒng)選用搭載電路，利用單片機內置RESET管腳來實現(xiàn)電路的復位，采取一鍵復位。復位電如圖4-9所示。圖4-9復位電路4.2.4鍵盤設計該掃描鍵盤由4個按鍵組成，為了實現(xiàn)中斷功能，選用PA2、PA3、PA4和PA5作為鍵盤的輸入端，按鍵接上拉電阻，若無按鍵按下，為高電平，若有健按下，則為低電平，這時通過設置低電平觸發(fā)中斷方式，低電平就觸發(fā)中斷而進入中斷服務程序，從而獲得輸入的數(shù)據(jù)，S1為設置按鍵，第一次按下為壓力預設值設置，第二次按下為流量預設值設置，第三次按下為溫度預設值設置，第四次按下為設置完成，循環(huán)設定；S2為換檔鍵，換檔鍵是更換輸入加減鍵位的數(shù)量檔初始檔位為1，按下后變?yōu)?0，再按下重新變?yōu)?，循環(huán)；S3為預設值加，每次按下預設值增加1或10，檔位通過換檔鍵設置；S4為預設值減，用法與S3相同。鍵盤模塊電路圖如圖4-10所示。圖4-10鍵盤電路4.2.5液晶顯示部分測試現(xiàn)場的數(shù)據(jù)需要存儲，并且在液晶顯示屏上顯示出來，例如流量計所測得的瞬時流量，同時單片機求得一段時間內的壓力值，壓力值是否在要求范圍內，都要根據(jù)ATmega16的時鐘電路按照日期顯示，以便可以隨時查閱歷史記錄，為油田注水提供依據(jù)。液晶顯示模塊是一種將液晶顯示器件、背光源、PCB（Printedcircuitboard）線路板、集成電路、連接件、結構件裝配在一起的組件。幾乎所有的通用型點陣液晶顯示器件都是加工成模塊后才供給用戶的，所以通常所說的“模塊”主要是指點陣液晶顯示器裝配的點陣液晶顯示模塊，這和廣義上所說的模塊，即模塊是由液晶顯示器件和集成電路裝配在一起的部件有所不同。液晶顯示器件本身不發(fā)光，它主要是通過背光源濾光并且通過電路板給顯示器件供電通過不同的占空比驅動來顯示。液晶顯示器具有功耗低、體積小、質量輕、超薄等優(yōu)點，LCD（LiquidCrystalDisplay）液晶顯示器彌補了LED（LightEmittingDiode）顯示效果不夠美觀、不能顯示圖形和漢字等特點，不僅可以顯示字符、數(shù)字，還可以顯示各種圖形、漢字和曲線。本設計中選用型號為1602液晶顯示屏，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。ATmega16單片機內部并具有LCD控制寄存器和顯示寄存器，可以將采集到的數(shù)據(jù)進行顯示，外部搭載時鐘模塊可以實現(xiàn)實時信息比較，將采集到的壓力值、流量值、溫度值與預設值進行比較，通過LCD進行顯示。圖4-11LCD1602顯示電路4.2.6壓力傳感器電路隨著集成電路和半導體的發(fā)展，人們利用半導體材料的壓阻效應原理，研究出半導體力敏傳感器，半導體力敏傳感器之中的硅壓阻式壓力傳感器具有性價比高、體積小等優(yōu)點。本設計根據(jù)應用場合，實現(xiàn)測量液體壓力的要求，確定選型采用擴散硅壓力傳感器，此種傳感器滿足檢測環(huán)境，方便安裝，穩(wěn)定性好，價格便宜的特點。（1）擴散硅型壓力傳感器工作原理和構成工作原理：被檢測的液體的壓力作用在傳感器的膜片上時，傳感器膜片就會產(chǎn)生位移量，此位移量與液體壓力成正比，從而引起傳感器的電阻值隨之相應的改變。傳感器的內部電路檢測到阻值變化時，就將這種阻值變化轉換成與壓力相對應的標準檢測信號。使用硅材料的壓力傳感器一般都是壓阻式傳感器，這種傳感器屬于微型化的傳感器。壓阻效應機理：被測介質有力作用于硅晶體后，晶體的晶格發(fā)生變形，這個過程載流子自一個能谷向另一個能谷漂移，致使載流子的遷移率發(fā)生改變，引起載流子縱向量和橫向量的波動，硅的電阻率也隨之產(chǎn)生改變。硅晶體的壓阻效應與晶體的取向有著緊密關系，硅晶體的壓阻效應與金屬應變產(chǎn)生的壓阻是不同的，硅晶體電阻是外界壓力引起的電阻率變化決定的，金屬電阻則是由金屬變形的形變量決定。前者的靈敏度極高，所以在系統(tǒng)檢測壓力時能夠達到高精準度。壓阻式壓力傳感器的結構：壓阻式壓力傳感器也被稱作固態(tài)壓力傳感器，它是通過硅膜片感應壓力。壓阻式壓力傳感器是采用高集成工藝將電阻條集成在單晶硅膜片上，同時將芯片固定在封裝外殼內，拉出信號引線。引線的一端是硅膜片與被測介質相通的高壓腔，引線的另一端則是硅膜片到與大氣相連接的低壓腔。其制成工藝為圓形硅膜片中N型域內擴散出4條摻雜P雜質的電阻條，連接為全橋型。摻雜P雜質的電阻條有兩個在壓應力區(qū)，另外的兩個則在拉應力區(qū)，他們對稱分布在膜片兩側。（2）設計選擇PRC-801壓力傳感器PRC-801壓力傳感器實物圖如圖4-12所示，該產(chǎn)品壓力敏感元件采用擴散硅充油芯體，穩(wěn)定性好。外殼采用不銹鋼殼體，具有耐腐蝕性，方便安裝。高性能、高可靠性、全固態(tài)、耐腐蝕，不銹鋼全焊接結構及“0”型圈密封結構，恒壓源供電。圖4-12PRC-801壓力傳感器實物圖PRC-80壓力傳感器技術指標如下表所示：表4-1壓力傳感器技術指標量程范圍0~100Mpa測量精度0.5%/0.2%FS輸出形式功率輸出管的集電極壓力接口電壓比較器的輸出端瞬時過載功率輸出壓力形式電源輸出端長期穩(wěn)定性定時電容供電9~36VDC響應時間≤10ms介質溫度-30℃~85℃壓力檢測由壓力傳感器PRC-801和CPU的A/D功能實現(xiàn)。PRC-801的工作范圍廣，線性度好，靈敏度較高。PRC-801輸出的是電壓信號，經(jīng)過放大電路放大后，輸入單片機。運放A4采用LM324通用運放，以恒流驅動傳感器，輸出電流為1.5mA。從壓力傳感器輸出端取出的電流要變換為差動電壓輸出。因此，要采用阻抗高、僅放大差動電壓的電路。在這里A1和A3亦選用LM324，構成差動輸入與差動輸出的放大電路。由于輸出電壓很小，約為60mV~70mV，因此，如果要求測量精度高，必須選用失調電壓很小的運放。若要求放大電路輸出電壓為0~1V，則要求放大電路增益為5.5倍到17倍，以為壓力傳感器輸出為60mV~180mV。因此電路增益G科表示為：硬件電路如圖4-13所示。圖4-13壓力傳感器放大電路4.2.7流量計傳感器電路流量傳感器信號用于實現(xiàn)將油路中的流量輸出轉換為脈沖電壓信號，反饋給單片機進行處理并將測量數(shù)據(jù)與內部預設值比較，調節(jié)電機轉速，為了實現(xiàn)對流量進行采樣，本系統(tǒng)采用FLOMECOM004橢圓齒輪流量計作為智能傳感器，它將測到的流量轉換為脈沖形式的電壓信號輸出。FLOMECOM004流量計為不同行業(yè)所要測量的流體、或液體提供精確的體積測量。應用行業(yè)之廣，使用領域之多。FLOMECOM004流量計之所以被廣泛應用，是因為其采用先進的生成工藝，能夠精確地實現(xiàn)測量流量，是一種精密度極高的流量檢測設備。FLOMECOM004容積式流量計技術參數(shù)要求精度：±1%重復精度、±0.03%流量范圍、2~100L/h壓力、2~8公斤黏度：3~400立波材質、不銹鋼4~20毫安，定標脈沖。外形結構如圖4-14所示。圖4-14FLOMECOM004實物外形FLOMECOM004小型容積式流量傳感器是一對橢圓齒輪端面上鑲有四塊磁體，當橢圓齒輪因存在壓差產(chǎn)生旋轉時，磁鐵將伴隨著齒輪進行同步轉動。傳感器的感應探頭被放置在磁體運轉的軌道中，當橢圓齒輪運行到感應探頭時，此刻其作用相當于提供磁感應強度為B的磁場，當磁場方向與流過探頭的電流方向垂直時；由于存在洛倫茲力，導致導體片的電阻率因運動方向的偏轉而增大，這個過程被稱為半導體磁阻效應。磁感應探頭電阻增大時，由磁性金屬薄膜電阻組成橋路放大器會產(chǎn)生不平衡，此時橋路就會輸出高電位。齒輪旋轉離開探頭時，由于不存在磁場作用，其電阻值沒有變化，此時橋路處于平衡狀態(tài)，輸出低電位。由以上理論得出，齒輪旋轉一圈時，橋路放大器一共輸出四個脈沖，這些脈沖的寬度與齒輪轉速成正比關系。脈沖電壓信號經(jīng)放大整形后，輸出信號為5V，送進單片機，內部結構如圖4-15所示。1傳動軸總集成2轉子總集成3機身安裝O型圈4儀表蓋5機身安裝螺絲6脈沖輸出板7輸出板安裝螺絲8端蓋O型圈9外端蓋10端蓋安裝螺絲圖4-15流量傳感器內部結構圖FLOMECOM004容積式流量傳感器兩大優(yōu)勢：（1）活動的機械部件僅有兩個橢圓齒輪，有利于系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性。（2）脈沖電壓輸出信號，這種信號適合AVR單片機處理。綜上，F(xiàn)LOMECOM004容積式流量傳感器具有抗干擾能力強、可靠性高、輸出脈沖穩(wěn)定性好、體積小等優(yōu)點，適合本次設計的應用場所。采用FLOMECOM004流量計，最小流量數(shù)據(jù)采樣小于10秒（最大脈沖周期2.4922sec）。大流量時，保證時間計數(shù)器最小讀數(shù)1000，采用16位計時計數(shù)器，計數(shù)下限為210=1024，上限為214=16384。采用固定的時鐘頻率1KHz（1msec）最大流量保護，設定流量最大值，一旦超過此值，反饋給單片機，控制電機從而控制閥門開度，降低流量，保護系統(tǒng)安全性。最小流量檢測，設定最大時間脈沖數(shù)，若實測脈沖數(shù)超過此值，則認為該通道沒有噴油或流量過低，控制閥門開度增大，增加流量。放大電路設計如圖4-16所示。圖4-16流量傳感器放大電路4.2.8PWM控制電路和負載驅動電路本文中的電動機選用直流伺服電動機，它是控制電動機的一個種類，又稱為執(zhí)行電動機，可以把輸入的電壓信號變換為軸上的角位移和角速度的輸出。直流伺服電動機的結構和直流電動機相同。它由定子和轉子兩大部分組成。磁極安裝在定子上，電磁式伺服電動機的定子磁極上繞有勵磁繞組。伺服電動機和普通電動機的最大區(qū)別是在于其電樞鐵心長度和直徑之比，比普通電動機的要大，氣隙也較小。直流伺服電動機的工作原理是當定子中的勵磁磁通和轉子中的電流相互作用時，電磁轉矩就會產(chǎn)生，從而驅動電樞轉動，改變控制轉子中電樞的電流方向和大小，就可以控制伺服電動機的轉動速度和轉動方向。電樞電流為零時，伺服電動機則停止轉動。脈寬調制PWM（PulseWidthModulated）是對輸出方波的一個周期中高電平和低電平所占的時間比例進行調整。PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉換，讓信號保持在數(shù)字形式減小了噪聲的影響。因為PWM控制具有控制簡單、靈活和動態(tài)響應好的特點成為電力電子技術最廣泛應用的控制形式。在PWM調速時，占空比是一個重要的參數(shù)。在一個周期T內開關導通時間與周期的比值就是占空比。當電源電壓不變，占空比大小決定著電樞電壓平均值的大小，改變占空比就可以達到調速的目的。在ATmega16中，定時器A、B均帶有多個捕獲/比較寄存器，同時可實現(xiàn)多路PWM輸出。直流電動機PWM控制系統(tǒng)有可逆和不可逆系統(tǒng)之分?？赡嫦到y(tǒng)是指電動機可以正反兩個方向旋轉；不可逆系統(tǒng)是指電動機只能單向旋轉。對于可逆系統(tǒng)，可又分為單極性驅動和雙驅動方式兩種。單極性驅動是指在一個PWM周期里，作用在電樞兩端的脈沖電壓是單一極性的，雙極性驅動的脈沖電壓則是正負交替的。本系統(tǒng)因為要控制閥門的開關，同時雙極性系統(tǒng)具有電流波動大，功率損耗較高的特點，所以選用單極性可逆系統(tǒng)。單極性驅動也有T型和H型之分，我們選用H型驅動。采用專用集成電路芯片可以很方便的組成單片機控制的直流伺服系統(tǒng)，LM629是一種功率集成芯片，它的主要功能是電機驅動，是由美國國家半導體公司生產(chǎn)的。圖4-17應用LM629組成的位置伺服系統(tǒng)。LM629的I/O口D0~D7與單片機的PC口相連，用來從單片機傳送數(shù)據(jù)和控制指令。ATmega16的PD3引腳與LM629的片選相連，作為選中LM629的地址線。引腳PD7與LM629的PS相連，作為另一條地址線。當PD7=0時，ATmega16可以向LM629寫指令，或從其中讀狀態(tài)；當PD7=1時，ATmega16可以向LM629寫數(shù)據(jù)，或從中讀信息。ATmega16的主要工作就是向LM629傳送運動數(shù)據(jù)和PID數(shù)據(jù)，并通過LM629對電動機進行監(jiān)控，LM629則根據(jù)ATmega16發(fā)來的數(shù)據(jù)生產(chǎn)速度圖，進行位置跟蹤，進行PID控制和生成PWM信號輸出。LM629的2個輸出PWMS和PWMM經(jīng)光電隔離與驅動芯片LMD18200相連，來驅動直流電機運行，并通過增量式光電編碼器來進行轉速反饋。光電編碼器是通過讀取光電編碼盤上的圖案或編碼信息來表示與光電編碼器相連的電機轉子的位置信息的。增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計數(shù)器對脈沖進行加/減計數(shù)，以此達到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器輸出兩路相位相差90o的脈沖信號A和B，當電機正轉時，脈沖信號A的相位超前脈沖信號B的相位90o，此時邏輯電路處理后可形成高電平的方向信號Dir。當電機反轉時，脈沖信號A的相位滯后脈沖信號B的相位90o，此時邏輯電路處理后的方向信號Dir為低電平。因此根據(jù)超前與滯后的關系可以確定電機的轉向。驅動電路如圖4-17所示。圖4-17伺服電機驅動系統(tǒng)4.2.9溫度保護電路本設計中溫度保護電路中的溫度傳感器采用DALLAS公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域。DS18B20在出廠時以配置為12位，讀取溫度時共讀取16位，前5個位為符號位，當前5位為1時，讀取的溫度為負數(shù)；當前5位為0時，讀取的溫度為正數(shù)。溫度為正時讀取方法為：將16進制數(shù)轉換成10進制即可。溫度為負時讀取方法為：將16進制取反后加1，再轉換成10進制即可。DS18B20的主要特性：（1）適應電壓范圍更寬，電壓范圍：3.0～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；（2）獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；（3）DS18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；（4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內；（5）溫范圍－55℃～+125℃，在-10～+85℃時精度為±0.5℃；（6）可編程的分辨率為9～12位，對應的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫；（7）在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快；（8）測量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；（9）負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。DS18B20引腳定義：（1）DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；（2）GND為電源地；（3）VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。DS18B20實物圖及封裝圖如下圖所示。圖4-18DS18B20實物圖及封裝圖本文使用DS18B20與主控單片機ATmega16相結合，控制溫度檢測顯示在LCD顯示屏上，并且設置報警溫度，當溫度高于預設高溫報警溫度時，將會致使蜂鳴器報警，并中斷整個注水控制系統(tǒng)，使電機停止轉動控制閥門停止開度，保證電機的正常運轉，不被燒毀，從而保護整個注水控制系統(tǒng)的安全性。溫度保護電路部分原理圖如圖4-19。圖4-19溫度保護電路圖4.3軟件設計4.3.1開發(fā)環(huán)境許多第三方的廠商為AVR系列單片機開發(fā)了對應的AVR單片機C編譯器，每個C編譯器各有特點。其中比較主要的有：CVAVR（CodeVisionAVR）、EWAVR（IAREmbeddedWorkbench）、ICCAVR、WinAVR（GCCAVR）。EWAVR由IAR公司推出，ICCAVR由ImageCraft公司推出。本次設計中采用ICCAVR來編譯程序，ICCAVR是一種符合ANSI標準的C語言來開發(fā)MCU（單片機）程序的一個工具，功能合適、使用方便、技術支持好，它主要有以下幾個特點：1、ICCAVR是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境（IDE）；2、源文件全部被組織到工程之中，文件的編輯和工程的構筑也在這個環(huán)境中完成，錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當你點擊編譯錯誤時，光標自動跳轉到錯誤的那一行；3、該工程管理器還能直接產(chǎn)生INTELHEX格式文件的燒寫文件（該格式的文件可被大多數(shù)編程器所支持，可以直接下載到芯片中使用）和符合AVRStudio的調試文件（COFF格式）。4、ICCAVR是一個32位的程序，支持長文件名。5、ICCAVR是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），是一個純32位的程序，可在Win95、Win98、WinME、WinNT、Win2000、WinXP和Win7環(huán)境下運行。4.3.2控制系統(tǒng)工作流程分析智能流量監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主要由主程序、中斷服務程序、子程序等組成。子程序主要包括PID控制子程序、電機控制子程序等。測控系統(tǒng)平時處于低功耗狀態(tài)，當有外部中斷信號時，才開始執(zhí)行程序，達到低功耗設計的目的。其流程圖如圖4-20所示。圖4-20智能流量控制系統(tǒng)流程圖4.3.3初始化程序模塊在ATmega16測控系統(tǒng)設計中，用中斷方式實現(xiàn)全部功能，主程序初始化后，開中斷進入到低功耗模式死循環(huán)，當有中斷時，CPU從低功耗模式喚醒，進行中斷處理，當執(zhí)行完后再返回低功耗死循環(huán)。其流程圖如下。圖4-21ATmega16程序流程圖4.3.4電機控制模塊電機控制是利用超聲波流量計測得的流量值通過計算與設定值的偏差來控制，采樣周期設為20分鐘，由定時器A實現(xiàn)該功能，當要采集數(shù)據(jù)時，將ATmega16單片機從低功耗模式喚醒，采集數(shù)據(jù)并存儲，并計算測量值與流量值的偏差，若為零，不用調節(jié)，否則根據(jù)單片機內部的控制規(guī)則表來決定是正轉還是反轉，達到控制流量的目的。其流程圖如圖4-22所示。圖4-22電機控制模塊流程圖4.3.5PID控制模塊在工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器結構簡單、工作可靠、穩(wěn)定性好、調整方便，成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能得到精確的數(shù)學模型，控制理論的其他技術難以實現(xiàn)時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和調試來確定，這時采用PID控制最為方便。PID控制器是根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差，利用比例、積分、微分來計算出控制量進行控制。比例（P）控制比例控制是最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。僅有比例控制時系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。積分（I）控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。對一個自控系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，就稱這個控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為消除穩(wěn)態(tài)誤差，所以在控制器中引入積分項。隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即使誤差很小，積分項也會隨著時間而增大，它使控制器的輸出增大，使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到為零。因此，比例積分（PI）控制器，可以在靜茹穩(wěn)態(tài)后使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為零。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分成正比關系。自控系統(tǒng)在克服誤差的調節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。原因是存在有較大慣性的組件或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差變化。解決辦法是使抑制誤差的變化“超前”，即在誤差接近于零時，抑制誤差的作用就應該為零。所以對具有較大慣性或滯后的被控對象，采用比例微分（PD）控制器能夠改善系統(tǒng)在調節(jié)過程中的動態(tài)特性。在連續(xù)控制過程中，采用增量式數(shù)字PID程序對脈沖輸出進行控制，此算法結構簡單，參數(shù)易于調整。增量式數(shù)字PID的數(shù)學表達式為式中——比例系數(shù)；——采樣周期；——微分周期；——積分周期；——積分系數(shù)，；——微分系數(shù)，。下圖為軟件實現(xiàn)PID算法流程圖。圖4-23PID算法流程圖4.4系統(tǒng)的MATLAB仿真4.4.1MATLAB簡介MATLAB是MathWorks公司于1984年推出的數(shù)學軟件，是一種用于科學工程計算的高效率的高級語言。MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣實驗室，主要向用戶提供一套完善的矩陣運算命令。隨著數(shù)值運算的演變，它逐漸發(fā)展成為各種系統(tǒng)仿真、數(shù)字信號處理、科學可視化的通用標準語言，由于MATLAB軟件完整的專業(yè)體系和先進的設計開發(fā)思路，使得MATLAB在多種領域都有廣闊的應用空間，特別是在科學計算、建模仿真以及工程系統(tǒng)的設計開發(fā)上，已經(jīng)成為業(yè)內的首選工具。MATLAB具有其他高級語言無法比擬的一些優(yōu)點，例如編寫簡單、編程效率高、簡單易懂等，因此MATLAB語言也被通俗地稱為“演算紙式的科學算法語言”。MATLAB由主包和功能各異的工具箱組成，其基本的數(shù)據(jù)結構是矩陣。4.4.2電機MATLAB仿真本次設計選用直流電動機的額定參數(shù)PN=2.2kW、UN=220V、IN=10A、nN=1480r/min，Ks=30，電動勢系數(shù)Ce=0.136V/min/r。選取電動機參數(shù)為Ra=1.5Ω，La=0.5H，Ka=0.015，Kb=0.015，f=0.3Nms，Ja=0.02kg·m2.。分別以電動機的電樞電壓和負載力矩為輸入變量，以電動機的轉動速度為輸出變量，在MATLAB中建立電動機的數(shù)學模型。>>Ra=1.5;La=0.5;Ka=0.1;>>Kb=0.1;f=0.3;Ja=0.02;>>G1=tf(Ka,[LaRa]);>>G2=tf(1,[Jaf]);>>dcm=ss(G2)*[G1,1];>>dcm=feedback(dcm,Kb,1,1);>>dcm1=tf(dcm)Transferfunctionfrominput1tooutput:10s^2+18s+46Transferfunctionfrominput2tooutput:50s+150s^2+18s+46下圖為電機數(shù)學模型函數(shù)圖。/圖4-24電機數(shù)學模型函數(shù)圖系統(tǒng)基于MATLAB的仿真部分為PID控制的直流電機調速部分，基于Simulink的結構圖如圖4-25所示。圖4-25基于MATLAB中Simulink的結構圖圖4-26PID仿真波形圖結論本文在分析了國內外油田注水監(jiān)控現(xiàn)狀的基礎上，從我國油田生產(chǎn)的實際出發(fā)，設計了一套基于ATmega16的油田注水智能監(jiān)控系統(tǒng)，以流量計和壓力計作為測量工具，以ATmga16作為控制中心，以直流電動機作為執(zhí)行機構，實現(xiàn)油田注水的智能控制，同時利用LCD顯示技術將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來，更直觀的觀測數(shù)據(jù)。在課題研究的過程中，主要完成了以下工作:（1）開發(fā)了以ATmega16低功耗單片機為主控芯片的系統(tǒng)硬件平臺，設計了控制系統(tǒng)的硬件模塊和電路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示以及直流伺服電動機的控制等。（2）將增量式PID控制器與單片機結合引入到系統(tǒng)當中，相較于傳統(tǒng)的PID控制具有調節(jié)時間短、魯棒性強等優(yōu)點，并利用增量式PID控制達到間歇性控制的目的，減少執(zhí)行結構的動作次數(shù)。（3）利用MATLAB對電機進行數(shù)學模型的構建，并用Simulink對PID控制電機部分進行仿真，輸出PID控制波形。致謝感謝我的指導教師任思璟，本文是在他熱切的指導、鼓勵與關愛下順利完成的。在畢業(yè)設計過程中我看到的是一個博學多才、認真負責的任老師，任老師以他的謙遜、豁達的胸懷讓我領受到的教師的智慧和本色。讓我深深地體會到人類心靈工程師的風采。論文題目雖然是我自己選定的，可里面也蘊涵著任老師曾經(jīng)揮灑過的汗水和功勞，沒有任老師，不會有本問的出現(xiàn)，任老師讓我學到很多東西，他是我一生的榜樣，永遠的恩師。在這短短的畢業(yè)設計期間，得到了同學的幫助和支持，與他們相處的時刻、點點滴滴都是我永遠難忘的美好回憶，忠心的表達我對他們的友愛和感謝！學校也給我提供了一個安靜舒適的設計環(huán)境，讓我在無受外界干擾的情況下完成論文。在論文中的寫作過程中也參閱了大量的文獻資料，在此對各位作者表示感謝！再次向我的導師任思璟表示衷心的感謝！參考文獻[1]吳錫令.石油開發(fā)測井原理[M].高等教育出版社，2004，4:1-2.[2]于振威，王慧敏，盧迪.油田注水站工控機監(jiān)控系統(tǒng)[J].哈爾濱科學技術大學學報，1994，18（2）:40-43.[3]油田注水工藝技術.（2011-10-8）[2012-3-6]/view/0a5e5a0a581b6bd97f19eabd.html.[4]劉永勝，宋雪杰，趙世新，等.老油田恒定量注水工藝技術[J].油氣田地面工程.2005，30（7）.[5]李靖，王紅標，房忠明，等.油田開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].石油地質與工程.2010，24（5）:97-94.[6]屈靜，馬瑞竹，杜春龍.油田的自動化監(jiān)控系統(tǒng)探析[J].信息技術，2010.16:40.[7]萬大松.油田注水自動化的設計與應用[J].中國儀器儀表.2005（6）:79-81.[8]黃偉，郭兵.基于智能融合的油田注水系統(tǒng)控制策略[J].遼寧工程技術大學學報.2010，29（5）:799-802.[9]張源.油田生產(chǎn)與安全監(jiān)控技術研究[D].西安石油大學檢測技術與自動化裝置碩士學位論文.2008，3:2.[10]OrmerodL，SardoffH，WilkinsonJ，etal.Real-TimeFieldSurveillanceandWellSer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