许少娟 吴横溢 陈海明 大连理工大学城市学院



基于MSP430单片机的油田称重计量系统设计

许少娟 吴横溢 陈海明 大连理工大学城市学院

【文章摘要】

【关键词】

石油称重；MSP430单片机；485通信；变频器

引言

油田的称重计量工作是石油开采工作中的重要环节，是反映该油田年产量的重要依据。更是科学合理的考核各级单位生产任务完成情况、及时全面掌握区块产能动态的重要基础。目前我国采油站，普遍采用传统立式计量分离器，该系统占地面积大，计量精度低，劳动强度大，能耗大并且存在安全隐患。并且抽油机一直处于高强度工作状态，耗电量巨大，系统效率低，不利于节能。因此，油田称重计量系统的设计与改进尤为重要［1］。

利用变频器节电是近几年新兴的节能技术［2］。采用变频器调频控制抽油电机的工作频率以达到节电的作用，这样不仅可以减少抽油电机低效工作的时间，还可以增加抽油电机的工作频率、方式与当前油井抽油的实际情况相匹配，保证抽油机的工作效率，最大程度上杜绝无效做功，这样不仅降低了耗电量，减少系统的损耗和维护，同时还提高了整个系统的工作效率。

图1　石油称重计量系统总体设计

图2　滤波电路原理图

本系统采用称重与变频相结合的理念，根据当前的石油开采效率来控制抽油机的工作频率，达到实时控制，实时响应的节能效果，不仅可以减少石油开采所需要的能耗，还可以根据累计已开采的石油重量，计算出单井的出油率和经济效益，降低成本。

1.总体设计

本设计提出一种基于MSP430单片机的油田称重计量系统，整个系统由MSP430F149单片机最小系统、电源模块、称重传感器模块、 LCD液晶显示模块、光耦隔离继电器模块、 485通信模块、电磁阀、变频器和电机等组成。系统的总体组成框图如图1所示。

系统首先将抽油机抽出的原油装入称重油桶，由称重传感器计量原油质量，称重传感器采集到的小信号需要放大滤波，通过AD转换后可以被单片机识别，单片机根据桶中原油的重量控制进油电磁阀、出油电磁阀和抽油电机的关断，以达到两个称重油桶中的石油依次连续计量的目的。进出油电磁阀和抽油电机的关断由单片机控制继电器的通断来实现，其中，单片机通过光耦隔离芯片与继电器连接，避免强电和弱电之间互相干扰。

系统通信部分采用目前工业上常用的485总线MODBUS协议，实现单片机对变频器的控制，进而控制抽油机的工作频率，根据采集抽油速率达到智能控制抽油机的工作频率，达到节能目的。

2.硬件电路设计

2.1称重传感器的选取

称重传感器是称重计量系统的重要核心部件，可以分为电阻应变式、电容式、光电式等［3］。基于石油称重计量系统的动态称重工作环境在施工现场，工作环境相对恶劣；此外石油称重系统也要求传感器具有较高的精度、速度以及较好的频率特性。基于以上的原因，从精度、造价、性能等方面综合考虑，本设计选择使用电BF350-3AA型康铜金属箔电阻应变式称重传感器［4］。

2.2放大滤波电路的设计

由于称重传感器采用电阻应变片式传感器，此类传感器所采集到的是微小的模拟信号。因此，在称重传感后接入放大电路和滤波电路。本系统采用的是多级差分式输入组合放大电路和四阶巴特沃斯低通滤波器。放大器采用LM358双运算放大器，滤波电路采用低成本的LM324系列放大器。滤波电路硬件原理图如图2所示。

2.3光耦隔离继电器的设计

单片机与电磁阀电机之间采用4路5V光耦隔离继电器模块相连接。模块本身带有FL817C光耦芯片，SRD-05VDC-SL-C继电器。将单片机与电磁阀通过光耦隔离开强电与弱点，将强弱电之间的干扰降到最低。光耦隔离继电器原理图如图3所示。

图3　光耦隔离继电器硬件原理图

3.软件设计

3.1控制器软件流程图

软件部分主要立足于称重部分和变频器的控制部分。称重部分负责测量称重油桶中的石油质量，并且累加石油重量；变频器控制部分，根据单位时间内重量，预先设定多个采油阈值，超过阈值则改变变频器的工作频率。系统实时采样，实时响应。总体的系统软件流程框图如图4所示。

图4　系统软件流程图

3.2称重程序的设计

称重程序主要核心在于，单片机采集称重传感器采集到的模拟重量信号采用并进行A/ D转换。采用MSP430 F149单片机内置十二位精度的A/D转换模块，可以满足本系统的精度要求。此外，单片机还提供了四种不同的转换模式，单通道单次、多次转换和序列通道单次、多次转换［5］，由于本系统中采用两个称重油桶交替称重，并且需要实时响应，实时反馈石油重量，因此采用序列通道单次转换模式。称重模块程序流程图如图5所示。

图5　称重程序流程图

4.总结

本文通过分析当前国内现有的油田石油称重技术，并结合油田称重的实际使用的缺点和不足，设计了基于MSP430单片机的油田称重计量系统。通过对石油的实时称重达到了控制变频器的目的，从而实现了称重的同时对抽油机进行节能改造的目的。本设计结构简单，计量准确，在油田开采中具有较强的实用性。

【参考文献】

［1］张继震，方舒东，张宗轩，等.油井产流计量技术二十年回顾与展望［J］.油气井测试.2004（5）.

［2］姜璐瑶.油井计量技术现状及其发展趋势探究［J］.化工管理.2014（36）.

［3］赵广平，孙雯萍，孙建军.电子称重技术现状及发展趋势［J］.仪表技术与传感器.2007（7）:76-77.

［4］郑宇翔.基于应变传感器的无线测量系统的设计与实现［D］.哈尔滨工业大学硕士论文.2007（7）.

［5］冯彦君，靳鸿，章晓眉.微型变频实时采集记录仪［J］.仪表技术与传感器.2012（3）.

基金项目：辽宁省大学生创新创业训练计划项目（2015131980285）

针对油田对于石油称重的需求和不足，设计了一种基于MSP430单片机的油田称重计量系统。该系统由核心控制器、称重系统和变频器控制系统组成。系统由应变片将采集到的重量信息转化为模拟信号，通过滤波放大电路，由MPS430F149单片机控制A/D转换模块计算当前称重油桶装入石油的重量，通过单片机控制进、出油电磁阀的关断控制称重油桶内石油的进出，实时采集累计已称石油的重量；变频器控制部分由单片机作为主机通过485串口通信遵循MODBUS协议实现控制抽油机的工作频率，从而达到节能的作用。

【作者简介】

许少娟（通信作者）（1981-），女，讲师，硕士，主要从事电子技术应用设计。