基于MCU的抽油機節(jié)能控制儀表與控制技術
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提出采用星角雙向切換+間抽控制的節(jié)能控制技術方案，并選用完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片C8051F206開發(fā)了抽油機智能功率控制器。
關鍵詞：C8051F206；抽油機；節(jié)能技術
Economical Power Controlling Technology of the
Sucker Rod Pump B ased on MCU
Sucker Rod Pump B ased on MCU
REN Zhiguo, LIN Li
(University of Petroleum, Beijing 102249, China)
Key words: C8051F206; sucker rod pump; energy saving technology
為了實現(xiàn)抽油機能自動根據(jù)負載需要實時進行Δ/Y雙向切換和間歇定時控制的目標，采用嵌入式控制技術設計了如圖1所示的控制電路。
? 智能功率控制器的硬件系統(tǒng)以新華龍電子公司為C8051F206配套的實驗板為基礎，新增輸出電路和鍵盤顯示電路后形成。直接利用實驗板上的C8051F206MCU、JTAG接口、晶振、復位及電源電路，大大降低了硬件設計工作量。
(1)輸出電路
本系統(tǒng)的被控對象是電機的開關。為滿足星角切換和開機/停機要求，需要對3只交流接觸器(C1～C3)按一定組合關系進行控制，其電路原理和控制真值表如圖2(a)和圖2(b)所示?？紤]到現(xiàn)場抗干擾的需要，在輸出端口P0.1，P0.3和P0.5后采用了光電隔離電路(圖2(c))，其中驅(qū)動用的靈敏繼電器J的工作觸頭串接在電機控制回路中，以控制相應交流接觸器的動作。
(2)顯示和鍵盤電路的設計
顯示器采用4位LED串行通信方式，接口電路由3只74HC595串行移位寄存器，5只三極管型功率放大器9014和4只LED數(shù)碼管組成(如圖3所示)。由端口P0.2輸入串行數(shù)據(jù)、P0.4產(chǎn)生移位脈沖，P0.0產(chǎn)生鎖存脈沖。
按鍵采用1×5非編碼鍵盤，將5個按鍵的一端分別與串行移位寄存器U1的輸出端Q3、Q4、Q5、Q6、Q7相連，公共端與P0.6直接相連，通過不斷檢測計算機引腳P0.6來獲取是否有按鍵被按下。
(3)模擬量輸入電路的設計
(1)輸出電路
本系統(tǒng)的被控對象是電機的開關。為滿足星角切換和開機/停機要求，需要對3只交流接觸器(C1～C3)按一定組合關系進行控制，其電路原理和控制真值表如圖2(a)和圖2(b)所示?？紤]到現(xiàn)場抗干擾的需要，在輸出端口P0.1，P0.3和P0.5后采用了光電隔離電路(圖2(c))，其中驅(qū)動用的靈敏繼電器J的工作觸頭串接在電機控制回路中，以控制相應交流接觸器的動作。
(2)顯示和鍵盤電路的設計
顯示器采用4位LED串行通信方式，接口電路由3只74HC595串行移位寄存器，5只三極管型功率放大器9014和4只LED數(shù)碼管組成(如圖3所示)。由端口P0.2輸入串行數(shù)據(jù)、P0.4產(chǎn)生移位脈沖，P0.0產(chǎn)生鎖存脈沖。
按鍵采用1×5非編碼鍵盤，將5個按鍵的一端分別與串行移位寄存器U1的輸出端Q3、Q4、Q5、Q6、Q7相連，公共端與P0.6直接相連，通過不斷檢測計算機引腳P0.6來獲取是否有按鍵被按下。
(3)模擬量輸入電路的設計
抽油機功率切換控制程序的設計采用C51與MCS51匯編語言混合編程，其程序流程如圖4所示。
儀器上電初始化后，首先發(fā)出電鈴報警預示電機即將起動；隨后電機以三角形方式起動以滿足抽油機重載起動的要求；起動后系統(tǒng)將根據(jù)電機的實時功耗情況使電機在三角形、星形或過載停機三種狀態(tài)間自動切換，即在實時功耗小于設定三角形向星形切換功率時電機工作在星形方式，在功耗大于設定星形向三角形切換功率時電機工作在三角形方式，大于設定過載功率時停機；如果系統(tǒng)中設置了間歇控制參數(shù)，則系統(tǒng)還將對開機和停機的累計時間進行計時，實現(xiàn)定時控制。上述過程周而復始進行，直至人工干預停機為止。
為防止外界干擾對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)設計中采用了中值濾波，自動校零，軟件冗余、錯誤陷阱和看門狗等技術。
儀器上電初始化后，首先發(fā)出電鈴報警預示電機即將起動；隨后電機以三角形方式起動以滿足抽油機重載起動的要求；起動后系統(tǒng)將根據(jù)電機的實時功耗情況使電機在三角形、星形或過載停機三種狀態(tài)間自動切換，即在實時功耗小于設定三角形向星形切換功率時電機工作在星形方式，在功耗大于設定星形向三角形切換功率時電機工作在三角形方式，大于設定過載功率時停機；如果系統(tǒng)中設置了間歇控制參數(shù)，則系統(tǒng)還將對開機和停機的累計時間進行計時，實現(xiàn)定時控制。上述過程周而復始進行，直至人工干預停機為止。
為防止外界干擾對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，系統(tǒng)設計中采用了中值濾波，自動校零，軟件冗余、錯誤陷阱和看門狗等技術。
本文開發(fā)的抽油機節(jié)能控制儀表在江蘇和長慶等油田進行了工業(yè)試驗。結果表明，系統(tǒng)的可靠性很好，在-30～50℃的條件下已正常工作約2年時間。抽油機的節(jié)能效果令人滿意，節(jié)電率普遍達到15％以上(在負載率為20％的條件下測算)。實踐表明，采用C8051F206設計的節(jié)能控制器的生產(chǎn)成本很低，易于為現(xiàn)場用戶接受，充分顯示出良好的市場前景
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