基于單片機的海上平臺儀表氣干燥塔控制器

何 良，竇志強，劉景安，李名強

（1.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 遼東作業公司，天津 300456；2.中海石油（中國）有限公司 天津分公司 渤南作業公司，天津 300456 ；3.中海石油（中國）有限公司 天津分公司，天津 300456）

0 引言

海上采油平臺采用集散控制系統和安全儀表系統來實現生產過程監控和緊急情況下設備自動關停及流程放空，自動控制設備以動力為電動、液動、氣動，而清潔安全的氣動控制被廣泛應用。采油平臺的氣源來自儀表氣系統，空壓機壓縮空氣形成含有大量的水分的壓縮氣，再經過干燥，露點合格后供儀表氣用戶使用。目前，海上平臺干燥機普遍使用無熱再生式干燥塔，隨著工業控制技術的不斷進步，新型干燥塔控制器的功能增多，結構精簡，成本降低。

朱鋼、王永年、關濟實等人發表在《儀器儀表用戶》2011 年第6 期上的《基于單片機的干燥器控制系統設計》一文，為解除國外供應商的技術封鎖，設計一款以AT89C52 為核心的干燥塔控制系統，應用于核電站柴油機應急系統。其控制時間精確度高，工作穩定，運行可靠，解除了國外供應商的技術封鎖[1]。

章罡本、王乾虎發表在《壓縮機技術》2011 年第2 期的《無熱再生式干燥器節能改造》一文采用西門子S7-200可編程控制器和MCGS 的6 寸彩色觸摸屏，實現對干燥器的參數實時監控，且可以根據露點和設定值比較，選擇是否延長均壓時間，此節能改造保障了壓縮空氣的品質，減少壓縮機用電量，不到一年收回成本[2]。

海上井口N 平臺使用的是2006 年生產的無熱再生式干燥塔，其按固定時間循環工作，用戶無法根據現場天氣情況修改系統參數，調整各狀態運行時間，存在再生氣消耗大，空壓機啟動次數多，耗電量大的缺點，且控制器電路復雜，檢修困難，直接更換成本高。為克服現有產品存在的上述缺點，有效地利用N 平臺在用儀表氣干燥塔工藝結構，設計了一種與其配套的低成本、易維修的干燥塔控制器，用戶根據需要調整干燥塔系統運行參數，可減少再生氣消耗，實現節能運行。

1 海上采油平臺儀表氣干燥塔

無熱型干燥器是利用變壓吸附原理，去除壓縮空氣中的水分[3]，以達到干燥的目的。其由A 吸附筒、B 吸附筒、消聲器、A 筒進氣閥、B 筒進氣閥、A 筒再生閥、B 筒再生閥、調節針法、兩個單流閥和自動控制器組成。自動控制器根據預設的程序控制兩組進氣閥和再生閥的開關，實現A 吸附筒、B 吸附筒的交換干燥和再生，無熱再生式干燥塔結構簡圖如圖1 所示。

圖1 無熱再生式干燥塔結構簡圖Fig.1 Structure diagram of non thermal regeneration drying tower

2 干燥塔控制器的硬件設計

無熱再生式吸附干燥自動控制器，除了控制4 個電磁閥的開關來完成干燥塔的工作外，還設計了友好的人機交互界面和鍵盤。控制器由核心控制器、電源電路、控制器驅動電路、指示電路和調節系統參數電路組成，核心控制器內置控制軟件?？刂破饔布Y構如圖2 所示。

圖2 控制器硬件結構圖Fig.2 Hardware structure of controller

控制器核心采用的是STC89C51RC 單片機，片內含有4 K 的Flash程序存儲器、512的靜態RAM 和4K 的EEPROM，電源范圍為5.5 V～3.3 V。12 M 晶振串接2 個30 pF 電容接入單片機晶振接口，按鈕和10μF 電容并聯后串聯10K 電阻組成上電復位電路接入單片機復位接口，以上組成經典的51 單片機最小系統。單片機的I/O 口與設備驅動電路、指示電路和操控電路接口連接，其中PO 外接10 K 的上拉排阻。

電源電路接收平臺提供的220V 交流電，一部分分配給設備驅動電路，一部分接入220V 轉6V 降壓變壓器，AC220V 降壓為AC6V，然后經過4 個IN4007 二極管組成的全橋整理電路，AC6V 整流為波形直流電，直流電經過104 陶瓷電容和470μF 電解電容旁路和濾波，形成平穩的DV6V，穩壓芯片LM7805 穩壓后再次進行旁路和濾波處理，最后提供穩定的DC5V 電，供單片機和外圍電路使用。

設備驅動電路由4 組相同電路組成，在每組電路中，單片機I/O 串接220Ω 保護電路控制8050 型三極管基極進而驅動G5LA-14-5VDC 型繼電器，繼電器常開觸點與外部供電220V 串接，最后分別控制干燥塔進氣閥和再生閥，電路結構如圖3 所示。

圖3 控制器驅動電路結構圖Fig.3 Structure diagram of controller drive circuit

指示電路包括狀態指示和每周期運行時間指示。指示電路使用4 個發光二極管分別指示4 個閥體的狀態，進而指示工作狀態，每個發光二極管直接由單片機I/O 驅動；每周期運行時間使用4 位共陽數碼管JM-S05641B 顯示，數碼管4 個公共陽極使用4 個8050 型三極管驅動，4 個三極管和數碼管陰極接單片機I/O 口控制，其中三極管基極與單片機I/O 之間串接470Ω 保護電阻，電路結構如圖4所示。

圖4 指示電路結構圖Fig.4 Diagram of indicating circuit structure

操控電路使用獨立鍵盤模式，6 個按鈕分別串聯10 K電阻，接入電源正負極，單片機I/O 采集按鍵信號，按鍵依次實現啟停、復位、確認、設置、增加和減少功能。

控制器設計了4 個七段數碼管顯示一個過程的運行時間，LED 發光二極管顯示塔體的工作狀態以及4 個電磁閥的狀態，使得系統的運行狀態可視化。同時，還設計了4個按鈕：啟停、設置、增加/減少、返回/復位，用戶可以根據自己的需要和現場的實際流程狀況重新設置干燥和沖壓時間，且系統有記憶功能，下次啟動后仍然按修改的時間工作，直到復位后，系統工作過程按預設時間進行。

3 干燥塔控制器的軟件設計

系統軟件開發使用優秀的單片機應用開發軟件KEIL uVISION2，程序語言使用了可讀性和可移植性強的C 語言，編程采用了模塊思維，其包括主程序、計時子程序、人機互動子程序和復位子程序。

3.1 主程序設計

系統上電后，核心控制器、電源電路、控制器驅動電路、指示電路和調節系統參數電路根據程序開始工作。程序首先進行初始化，收到啟動指令后，系統自動進行再生和干燥程序，并運行計時程序和人機互動子程序，顯示系統運行狀態和等待用戶調整系統參數，主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

3.2 計時子程序設計

計時子程序為系統提供再生和干燥時間基準，基準時間為1 s。子程序采用循環計時，可重復調用。

3.3 人機互動子程序設計

人機互動子程序實現系統狀態可視化和系統參數調節。當用戶需要根據現場環境、設備運行狀況及用氣需求調整系統參數時，程序進入人機互動子程序，用戶可調整干燥和充壓時間，調整過程也是可視化。

3.4 復位子程序設計

復位子程序通過單片機的中斷端口實現，當用戶進行復位操作后，程序進入單片機內置中斷程序，對系統參數恢復初始值，按系統默認設置自動運行。

4 仿真調試結果

在PROTEUS 電子設計平臺下，先繪制電路，然后用KEIL uVISION2 軟件進行編程、調試。對設計好的程序進行編譯，生成*.HEX 文件，加載到單片機中，仿真結果如下：

4.1 系統自動運行

無熱再生吸附式干燥塔啟動后，自動控制器首先打開A 筒進氣閥，氣體從進入A、B 吸附筒，A 筒開始干燥，B筒開始沖壓，兩塔壓力很快達到管網壓力；4 s 后打開B 筒再生閥，B 筒開始再生，如圖6 所示。

圖6 A筒干燥、B筒再生效果圖Fig.6 Effect picture of a cylinder drying and B cylinder regeneration

4 min 20s 后，B 筒再生閥關閉，B 筒開始沖壓；5 min后，A 筒進氣閥關閉，B 筒進氣閥、A 筒再生閥打開，B 筒開始干燥工作、A 筒再生。

9 min 20 s 后，A 筒再生閥關閉，A 筒沖壓；10 min 后，B 筒進氣閥關閉，A 筒進氣閥、B 筒再生閥打開，A 筒開始干燥工作、B 筒再生，此時1 個周期完成。

A 筒干燥工作的同時B 筒再生和沖壓，B 筒干燥工作的同時A 筒再生和沖壓，以后重復循環。整個循環過程見表1。

表1 干燥塔控制過程圖Table 1 Control process diagram of drying tower

4.2 系統參數調整

按下“設置”鍵，首先通過“增加”“減少”按鈕對干燥時間進行修改，修改完成后按下“確認”鍵，再對沖壓時間進行修改，最后按“確認”鍵返回。系統重啟并按照重置的時間運行，直到復位。圖7 示例的系統默認的干燥時間為4 min 20s，修改為4 min；充壓時間為40 s，修改為30 s。

圖7 干燥和充壓時間調整效果圖Fig.7 Effect of drying and charging time adjustment

5 結論

通過STC89C51RC 嵌入式微型控制器，實現對干燥塔工作過程的控制，此設計方案的結構簡單，可行性和實用性較強，完全能夠滿足海上采油平臺儀表氣用戶要求。此外，還設計了良好的人際交互界面，實現了系統運行過程的可視化，用戶通過鍵盤在線調整系統參數，靈活調整儀表氣再生時間，減少干燥塔再生氣消耗，實現節能運行。