基于ARM的油田單井油罐太陽能加溫控制器的研制

　　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(shè)備?，F(xiàn)在我國主要利用三種熱泵技術(shù)，分別是水源熱泵，地緣熱泵，以及空氣源熱泵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1996年我國空調(diào)設(shè)備（指電動(dòng)冷熱水機(jī)組、吸收式冷熱水機(jī)組、房間空調(diào)器以及單元空調(diào)機(jī)組，但不包括進(jìn)口機(jī)組）的總制冷能力約為2000萬kW,其中熱泵型機(jī)組的制冷能力約占60%.在全部熱泵型機(jī)組中，電驅(qū)動(dòng)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(jì)，1996年銷售的溴化鋰吸收式制冷機(jī)約3000多臺(tái)，其中直燃機(jī)1115臺(tái)。

　　太陽能與太陽能輔助加熱空氣源熱泵結(jié)合作為中央熱水系統(tǒng)的熱源，其目的在于取長補(bǔ)短，使二者互為補(bǔ)充，互為備用，在日照充足時(shí)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?zé)崴鳛樘柲茌o助加熱空氣源熱泵的輔助熱源，從而改善熱泵的運(yùn)行工況，提高其制熱性能。這種組合形式，使二者均在相對(duì)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(yīng)。空氣源熱泵制熱過程本質(zhì)上是對(duì)空氣中蘊(yùn)藏的太陽熱能的提升利用，根據(jù)熱泵的工作特性，在整個(gè)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，熱泵機(jī)組作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)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(duì)一次能源的消耗。

　　油田中的采油系統(tǒng)分布相對(duì)較為稀疏，油罐儲(chǔ)存和傳輸過程中需要對(duì)油溫進(jìn)行加熱，以避免因原油凝固而不能傳送到中間站進(jìn)行處理。由于每個(gè)井口的分布位置相對(duì)較遠(yuǎn)，因此需要對(duì)每個(gè)單獨(dú)的油罐進(jìn)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(hù)成本高等弊端，而且，伴生氣燃燒過程中所排放的廢氣對(duì)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(jià)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(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)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(chǔ)運(yùn)全天候供熱問題，達(dá)到節(jié)能和減少環(huán)境污染的目的， 具有很大的應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能油罐的加熱和對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(chǔ)油罐、太陽能集熱場(chǎng)、熱水箱、補(bǔ)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(shí)，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(bǔ)充加熱；當(dāng)熱泵出現(xiàn)故障時(shí)，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(chǔ)、運(yùn)全天候供熱問題，同時(shí)也大大節(jié)省了電能的使用。

　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　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(jī)構(gòu)等組成。工作過程為溫度采集卡實(shí)時(shí)對(duì)10路溫度信號(hào)進(jìn)行循環(huán)采集，采集到的信號(hào)通過信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，再通過模擬開關(guān)選擇相應(yīng)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(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后由ARM微處理器根據(jù)相應(yīng)的條件對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的判斷，同時(shí)將采集到的溫度值實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。也可以通過觸摸屏對(duì)系統(tǒng)的工作起始時(shí)間，循環(huán)泵的溫差值等各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.1 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

　　油田單井的油罐太陽能加溫控制器主要完成顯示、存儲(chǔ)、控制以及通信等功能。考慮到本系統(tǒng)對(duì)微控制器的要求較高，特別是處理器的運(yùn)算速度要求較高，在處理過程中需要較多的存儲(chǔ)空間及外擴(kuò)接口，而傳統(tǒng)的單片機(jī)已不能滿足要求，因此本設(shè)計(jì)采用三星的S3C2410ARM作為微控制器。硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。系統(tǒng)控制器的原理框圖如圖2所示。