基于ARM的油田單井油罐太陽能加溫控制器的研制
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熱泵是一種能從自然界的空氣、水或土壤中獲取低品位熱，經(jīng)過電力做功，輸出能用的高品位熱能的設備?，F(xiàn)在我國主要利用三種熱泵技術，分別是水源熱泵，地緣熱泵，以及空氣源熱泵。據(jù)統(tǒng)計，1996年我國空調(diào)設備（指電動冷熱水機組、吸收式冷熱水機組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機組，但不包括進口機組）的總制冷能力約為2000萬kW,其中熱泵型機組的制冷能力約占60%.在全部熱泵型機組中，電驅動熱泵容量約為1070kW,占90%;吸收式熱泵容量約為130萬kW,占10%.近幾年來，我國的吸收式制冷裝置發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計，1996年銷售的溴化鋰吸收式制冷機約3000多臺，其中直燃機1115臺。
太陽能與太陽能輔助加熱空氣源熱泵結合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長補短，使二者互為補充，互為備用，在日照充足時優(yōu)先使用太陽能加熱熱水，利用太陽能集熱器產(chǎn)生的低溫熱水作為太陽能輔助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對比較穩(wěn)定高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的衛(wèi)生熱水供應?？諝庠礋岜弥茻徇^程本質(zhì)上是對空氣中蘊藏的太陽熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個熱水系統(tǒng)的運行過程中，熱泵機組作為輔助熱源運行所供應的熱量中，只有一小部分來自電能，所以太陽能-熱泵中央熱水系統(tǒng)大大提高了太陽能利用率，減少了對一次能源的消耗。
油田中的采油系統(tǒng)分布相對較為稀疏，油罐儲存和傳輸過程中需要對油溫進行加熱，以避免因原油凝固而不能傳送到中間站進行處理。由于每個井口的分布位置相對較遠，因此需要對每個單獨的油罐進行加溫控制。目前所使用的加溫裝置大多是以伴生氣為燃料的水套爐或者以電能為能源的電加熱器等。水套爐存在熱效率低、能耗高、爐體易產(chǎn)生燒蝕損壞、維修維護成本高等弊端，而且，伴生氣燃燒過程中所排放的廢氣對環(huán)境造成污染。電加熱器存在耗電高、易停電、頻繁掃管、造價高等弊端。本文提出了一套以太陽能集熱器為主、熱泵熱水器為輔助熱能提供裝置、ARM為主要控制器的加熱系統(tǒng)。熱泵與太陽能集熱設備、蓄熱機構相聯(lián)接的系統(tǒng)方式， 不僅能夠有效克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且可以充分利用太陽能，解決原油集輸、儲運全天候供熱問題，達到節(jié)能和減少環(huán)境污染的目的， 具有很大的應用潛力。
1 系統(tǒng)功能
油田單井的油罐太陽能加溫控制系統(tǒng)主要通過ARM控制器、溫度采集卡及觸摸屏實現(xiàn)對太陽能油罐的加熱和對執(zhí)行機構的控制。油田單井的油罐太陽能加溫控制器系統(tǒng)主要包括石油儲油罐、太陽能集熱場、熱水箱、補水箱、空氣源熱泵、低熱管、電加熱器、電磁閥、10只溫度傳感器和溫度控制系統(tǒng)。
系統(tǒng)主要功能為：在光照條件好時，主要由太陽能集熱裝置為油罐加熱；在光照不足的條件下，利用熱泵為油罐補充加熱；當熱泵出現(xiàn)故障時，利用電加熱為油罐加熱。智能化控制裝置提高了太陽能集熱器效率和熱泵系統(tǒng)性能， 從而解決了原油集輸、儲、運全天候供熱問題，同時也大大節(jié)省了電能的使用。
2 系統(tǒng)總體設計
油田單井的油罐太陽能加溫控制器主要由溫度采集卡、ARM控制器、液位傳感器、觸摸屏和執(zhí)行機構等組成。工作過程為溫度采集卡實時對10路溫度信號進行循環(huán)采集，采集到的信號通過信號處理電路轉變?yōu)殡妷盒盘枺偻ㄟ^模擬開關選擇相應的傳輸通道，通過AIN0輸入口把數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM處理器進行A/D轉換，然后由ARM微處理器根據(jù)相應的條件對執(zhí)行機構做出相應的判斷，同時將采集到的溫度值實時顯示在觸摸屏上。也可以通過觸摸屏對系統(tǒng)的工作起始時間，循環(huán)泵的溫差值等各個參數(shù)進行設置。系統(tǒng)總體設計結構如圖1所示。
2.1 系統(tǒng)的硬件電路設計
油田單井的油罐太陽能加溫控制器主要完成顯示、存儲、控制以及通信等功能。考慮到本系統(tǒng)對微控制器的要求較高，特別是處理器的運算速度要求較高，在處理過程中需要較多的存儲空間及外擴接口，而傳統(tǒng)的單片機已不能滿足要求，因此本設計采用三星的S3C2410ARM作為微控制器。硬件設計包括：ARM的最小系統(tǒng)、溫度采集卡電路、觸摸屏電路等模塊電路的設計。系統(tǒng)控制器的原理框圖如圖2所示。
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