基于嵌入式ARM的计量泵控制系统设计概述

张建宇

摘 要 天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，是目前公认的主要清洁能源，广泛应用于居民用气、工业用气、汽车燃料等。天然气主要成分为烷烃，其中甲烷含量最多。正常情况下天然气为无色无味气体，对人体基本无毒，高浓度时，能引发中毒窒息事故。天然气泄漏后，因与管道或设备产生摩擦，能与空气形成爆炸性环境，容易引发火灾爆炸事故。因此为保障天然气稳定供应，预防天然气安全事故，保护人民生命安全和财产安全，在民用天然气使用中，进行加臭处理，本文就民用天然气供应中天然气加臭计量泵控制系统进行设计。

关键词 嵌入式ARM;计量泵;加臭剂（THT）;控制系统

前言

随着社会的不断发展，人民的需求越来越多，建设一个安全、稳定、和谐、绿色、生态的居住环境成为人们迫切的希望。伴随着2019年太原能源低碳发展论坛、首届可持续发展论坛的召开，清洁能源的利用与开发已成为一种必然的趋势。天然气作为一种的绿色能源和一种普遍燃料，目前已广泛应用于居民生活中，如居民家庭炊事和热水制备等。纯净天然气无色无味体，在居民生活中使用时若发生泄漏，容易引发人员窒息或爆炸事故。为使居民能及时发现天然气泄漏问题，在民用供气中，需对天然气进行加臭处理。

加臭处理一般方法是在天然气中加入四氢噻吩燃气添加剂（THT），四氢噻吩燃气添加剂是一种具有强烈气味的有机化合物，具有抗氧化性、化学性质稳定、气味存留时间久、烧后无残留物、不污染环境、添加量少、腐蚀性小等优点。当空气中存在0.01PPm时，就能够刺激人类的嗅觉细胞，嗅细胞受到THT的刺激就会产生神经冲动，神经冲动沿嗅神经传入大脑皮层而引起人民察觉，天然气泄漏量大时，可触发报警。本文主要针对向天然气中添加一定体积比例的THT需用到的一种重要工具——计量泵，做精密控制，完成安全、稳定、可靠、快速和经济的添加工作。

1控制系统架构描述

计量泵工作原理是经机械联杆系统带动流体输送隔膜活塞实现往复运动。改变计量泵的冲程往复运动频率或每一次往复运动冲程长度，就可实现调节流体输送量目的。本文就电磁式驱动隔膜计量泵基于嵌入式ARM的控制系统进行了设计，在控制系统中，还需要在天然气进气端安装气体流量计，一般市面上常用的气体流量计是输出4-20mA电流信号。

基于ARM的控制系统中需用到的仪表和功能模块描述如下：

（1）计量泵采用LMI（米顿罗P746系列）电磁驱动隔膜计量泵，该计量泵具有多功能阀、冲程调节机构、电磁驱动单元、速度调节控制接口等，拥有完全的产品系列，可满足几乎所有生产场所对化学药剂投加的需要，广泛应用于石化、化工、石油、天然气等行业。其主要特性及相关组成如图1所示。

LMI主要控制方式：

①P型的计量泵采用外部脉冲自动控制的方式。②脉冲频率的高低和参入THT的体积成正比例关系。

（2）使用气体流量计，对天然气进气速率做数据采集。根据流量大小不同，控制流量计输出的4-20mA的模拟量电流信号大小，进一步控制加THT的量。

（3）防爆箱：机械加工或钣金件成品，用来安装控制系统中带电部分，比如电源、控制板、信号接收板、显示屏等器件。

（4）LCD显示器，采用LCM12864自带中文字库的显示屏。

（5）遥控器，由遥控面板及接收器组成。因天然气属于易燃易爆物质，因此核心控制板必须得置于防爆箱内，为了防止天然气串入控制柜内，控制柜设置为密闭，在信号接入和引出部分采用防爆穿管并用防火泥进行封堵。为方便控制和管理，采用433协议的无线载波遥控方案对各个目标参数做设置调整。遥控器如图3所示，其工作原理是利用射频识别技术，发射器先對控制器的按键进行编码，调制到射频信号上后发射无线信号，然后接收器将接收到的无线信号进行再次编码，控制相应的控制面板进行工作，完成无线调节参数的功能[1]。

2ARM内核的单片机控制器

电源AC220V经过AC-DC的电源模块（输入220V，输出DC 24V 2A）给控制器提供直流电源，其中J7端口为隔离型RS485通信端口，当不需要连接上位机系统做通信功能时，可以省略。根据该计量泵所需要实现的控制功能，结合使用的电子元件，利用ALtium Designer 10软件，布置有关电子元件电路板界面，画出ARM的控制系统控制界面图，并制作控制主板。其控制电路板示意图如图4所示。

嵌入式ARM的计量泵控制系统主要实现天然气加臭计量泵的加药控制，通过控制计量泵的加臭频次、加臭流量、加药量来控制天然气中THT的含量。该计量泵的控制还设置有连锁报警功能，如THT物料储罐内液位，计量泵出口流量报警功能等。现场采用的仪表及控制器、检测元件全部为防爆型。

嵌入式ARM主要通过接收无线遥控面板调节的有关控制参数，无线遥控能发出一个基础频率，又叫载波频率（即38K）。38K的频率对应的周期为T（T=0.026毫秒），在这个T的时间内，用高速中断去查询脉冲数，不同的按键被按下去，在这个周期内发送的脉冲数是不同的，ARM通过接受无线遥控面板的按键不同脉冲数来实现调节。如“OK”键的编码内容为0Xd0e1等[2]。

3控制系统的软件框架

ARM控制器共实现计量泵的6个功能，即通讯、流量、设置、分段、报警、累计。具体实现功能如下：

（1）通讯：按“菜单键”—“修改”，可以设置通讯波特率、通讯地址、通讯方式，设置完成后按“确定”键确认。如用户需要上传通讯，该参数的设定则由厂家调试人员根据用户现场参数设定。如无上传通讯则无须设定该参数。

（2）流量：完成通讯后，再次按下菜单键出现，出现AB选项，其中AB分别代 计量泵A和计量泵B，若生产实际过程中只需使用一个泵，则值需要设置其中一个，另一个备用，所有的操作都通过无线遥控面板调整。可调节计量泵A、B的流量上限和下限、使用通道等。A泵和B泵的调节是分布进行的，先调节A，再调节B。通常A泵通道设为1，A泵的流量参数设置完成后按“确认”键，可出现B泵的调节界面，B泵的调节和A泵的调节设置方法相同，B泵使用通道根据现场情况可设为1或2，然后按“确定”键回到主画面。流量上限及下限的设定可根据用户流量计参数设定。

（3）设置：该功能主要是根据用户需求，设置计量泵的THT的加药量和单次注入量、频次等功能。主要控制对象依旧为计量泵A和计量泵B。其主要操作为：按下“菜单”键，出现计量泵A有关标准加药量、单次注入量（根据用户实际需求设定）、定频次数（按用户需要设置）、最大频次（根据用户实际需求设定），设置完成后按“确定”键出现计量泵B的有关设置。其设计程序跟A泵一样。根据《城镇燃气设计规范》（GB50028）中要求，天然气标准加药量18-28mg/m?，通常按20mg/m?或25mg/m?设计。

（4）分段：该功能为用户提供分时段加药功能。根据用户需求，可控制不同时段加药的时间段，且用户可根据不同要求，随时调整有关加THT的时间。调节界面控制时间段可精确到秒，每天加药时段最多可以分成三段。

（5）报警：该功能为用户设定报警参数时使用。主要报警功能包括液位、流量报警器的参数设置。主要报警功能包括浓度低报警、液位低报警、流量高低报警。各报警值可通过用户现场情况进行实际条件。

（6）累计：该功能是实现累计加药频次的统计，可为用户提供查询功能。通过该功能可查看到计量泵A和B工作的频次，以及二个泵累计频次[3]。

4结束语

基于嵌入式ARM的计量泵控制系统设计是对天然气加臭计量泵的设计，该控制系统可广泛应用于天然气调压站、天然气门站、天然气长输管道等。通过对天然气加臭计量泵的流量、加入量、频次、液位的控制，实现天然气供气系统中THT自动加入功能，让人民能够及时发现天然气的泄漏，防止中毒窒息和火灾爆炸事故发生。

参考文献

[1] 王晶，魏晋宏，冯超.基于嵌入式Linux的恒压计量泵控制系统的设计[J].仪表技术与传感器，2015，394（11）：64-67.

[2] 武芳军.电气自动化控制设备的可靠性测试与研究[J].民营科技，

2011，（6）：9.

[3] 城镇燃气设计规范： GB50028-2006[S].北京：中国标准出版社，2006.