摘要：混砂車是壓裂作業(yè)中的重要組成部分，其液位的控制是混砂車系統(tǒng)的核心，本文介紹了stm32微控制器為控制核心，觸摸屏輸入系統(tǒng)參數(shù)，采集、分析、處理數(shù)據(jù)進而對液位進行PID自動控制的設(shè)計過程，包括硬件電路設(shè)計、觸摸屏設(shè)計和軟件編程，有一定的實際意義。

關(guān)鍵詞：stm32；混砂車；液位控制

1引言

混砂車主要用于加砂壓裂作業(yè)中，將液體（可以是清水、基液等）和支撐劑（石英砂或陶粒）、添加劑（固體或液體）按一定比例均勻混合，把不同砂比、不同黏度的壓裂液以一定壓力送向施工中的壓裂車（組）。在混砂車中，混合罐液位自動控制系統(tǒng)是其核心部分，關(guān)系著混砂車的工作性能，研究其系統(tǒng)設(shè)計意義重大。

2設(shè)計思路

本文介紹了基于stm32的混砂車智能液位控制系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)包括4路ADC和2路DAC來測量和控制數(shù)據(jù),用戶可以通過人機交互終端輸入系統(tǒng)參數(shù)及PID控制系數(shù)等，同時通過人機交互終端監(jiān)控系統(tǒng)控制狀態(tài)以及執(zhí)行一些開關(guān)動作,與此同時將測量的數(shù)據(jù)按照一定規(guī)律存入EEPROM數(shù)據(jù)存儲器中，以便后期的數(shù)據(jù)查詢和處理?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1液位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在系統(tǒng)4路ADC中，AD1通道測量混合液的液位，AD2通道測量吸入蝶閥的角度，AD3通道測量吸入流量，AD4通道測量排出流量，2路DAC中，DA1輸出控制液壓泵，DA2輸出控制吸入蝶閥的角度，通過此過程來監(jiān)控當前系統(tǒng)運行參數(shù)并且自動控制混合液的液位值，使其達到目標液位。

3硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖如圖2所示。該系統(tǒng)設(shè)計中以stm32F103RC芯片為控制核心，該芯片有三種不同的時鐘源來驅(qū)動系統(tǒng)時鐘，其時鐘頻率可達到72MHz，高性能，低功耗，哈佛結(jié)構(gòu)，并且有著豐富的增強I/O接口和連接到兩條APB總線的外設(shè)，可滿足設(shè)計要求。

圖2總體硬件框圖

如圖所示，4路傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)采集、A/D轉(zhuǎn)換、過濾、求穩(wěn)等處理，與用戶通過觸摸屏輸入的參數(shù)相比較，經(jīng)PID算法控制DA轉(zhuǎn)換輸出，進而控制液壓泵及蝶閥的運行狀態(tài)，達到控制混砂車液位的效果。其中觸摸屏與微控制器是以串口進行通訊的，微控制器通過串口接收和發(fā)送指令來識別和控制觸摸屏動作。其中吸入、排出流量計各有4#和8#兩種選擇，需要用戶來設(shè)定，以及吸空、目標、高低、高高低低液位值也要用戶來設(shè)定，當測量的液位值低于吸空液位值，系統(tǒng)將由PB3吸空報警輸出，當測量的液位值高于高液位，PA6高液位報警輸出，當測量的液位值低于低液位，PA7低液位報警輸出。數(shù)據(jù)存儲通過I2C總線連接存儲芯片AT24C512，該芯片是串行大容量電可擦的可編程控制器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大、功耗價格低、數(shù)據(jù)保存時間長、讀寫次數(shù)多等特點，其內(nèi)部具有512頁存儲空間，每頁有128個字節(jié)，當存儲空間存滿，會覆蓋歷史數(shù)據(jù)，刷新存儲記錄，完全滿足系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)和參數(shù)的需求。

4觸摸屏設(shè)計

人機交互系統(tǒng)的設(shè)計在整個系統(tǒng)設(shè)計中占據(jù)著重要的位置，交互界面是否簡潔美觀，觸摸屏操作是否準確流暢影響著整個液位控制系統(tǒng)的性能好壞。在本系統(tǒng)中使用的觸摸屏為北京迪文科技公司的基本型DMT64480T056_01WT型號的彩色觸摸屏終端，它有5.6英寸，分辨率為640×480像素，電源供給12V，全雙工異步串口模式，波特率為115200bps，外設(shè)簡單，價格低廉。

迪文觸摸屏和控制器采用串口通信，使用統(tǒng)一的操作指令集，用戶發(fā)送數(shù)據(jù)給觸摸屏，數(shù)據(jù)從觸摸屏用戶接口的“DIN引腳”輸入，觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)給用戶時，數(shù)據(jù)從觸摸屏用戶接口的“DOUT引腳”輸出，其串口數(shù)據(jù)幀由4個數(shù)據(jù)塊組成，如表1所示，具體指令的功能參考HMI指令集。

表1迪文HMI數(shù)據(jù)幀組成

根據(jù)系統(tǒng)中測量監(jiān)測數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計人機操作主界面如圖3所示。

圖3系統(tǒng)操作主界面

當系統(tǒng)開機后，進入主界面，在界面左側(cè)，為顯示部分，在相應(yīng)位置分別顯示系統(tǒng)4路測量數(shù)據(jù)混合液的液位、吸入蝶閥的角度、吸入流量以及排出流量值，除此之外，還包括顯示設(shè)置的目標液位值和泵效率的計算值。在界面右側(cè)，是液位報警區(qū)和功能設(shè)置區(qū)，當測量的液位值高于高報警液位或者低于低報警液位和吸空液位值時，系統(tǒng)發(fā)出報警蜂鳴聲，并且報警紅燈閃爍，此時按下“報警消音”功能鍵可消除蜂鳴聲。

功能設(shè)置區(qū)域共有5個功能鍵，“設(shè)置”鍵、“開閥”鍵、“關(guān)閥”鍵、“啟動”鍵以及“報警消音”鍵。“開閥”、“關(guān)閥”鍵控制著蝶閥的開啟和關(guān)閉，“啟動”鍵開啟系統(tǒng)的自動PID控制過程，“設(shè)置”鍵進入系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面，需要輸入系統(tǒng)密碼，進入主菜單。在主菜單中，有“用戶設(shè)定”、“廠家設(shè)定”、“修改時間”和“修改密碼”選項，“廠家設(shè)定”選項用戶不可進入，是系統(tǒng)的默認配置，包括控溫參數(shù)比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的設(shè)置，只能由廠家設(shè)定，有廠家密碼所保護，一旦調(diào)好參數(shù)用戶不可更改，“修改時間”和“修改密碼”選項可以修改系統(tǒng)顯示時間以及進入系統(tǒng)設(shè)置所需要的密碼，修改密碼時為了防止輸入錯誤，需要兩次輸入新密碼，“用戶設(shè)定”由用戶根據(jù)需要修改系統(tǒng)控制參數(shù)，用戶設(shè)定界面如圖4所示。

圖4用戶設(shè)定界面

在用戶設(shè)定中，“液位設(shè)置”包括目標液位、吸空液位、高液位、低液位、高高液位、低低液位等參數(shù)的設(shè)定，設(shè)定好的參數(shù)送入EEPROM存儲器存儲；“手動校準”包含4個ADC通道數(shù)據(jù)測量的零點校準和終點校準，根據(jù)實際情況對數(shù)據(jù)進行校正；“數(shù)據(jù)處理”包括對數(shù)據(jù)存儲周期的設(shè)定（以分鐘為單位），歷史數(shù)據(jù)峰值查詢和索引查詢以及數(shù)據(jù)是否清零的設(shè)定，需要注意的是數(shù)據(jù)清零會將EEPROM中所有存儲的歷史數(shù)據(jù)全部清零，要慎重選擇；吸入、排出流量計各有4#和8#兩種選擇，需要根據(jù)實際情況一一進行設(shè)定。用戶設(shè)定好控制參數(shù)就可以按“返回”鍵返回系統(tǒng)主界面，一切準備就緒，就可以啟動系統(tǒng)運行，開始對液位的自動控制，并實時監(jiān)控系統(tǒng)運行狀況。

5軟件設(shè)計

5.1總體設(shè)計

軟件程序主要完成以下幾部分功能，系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)處理、觸摸屏通訊、PID算法控制等，其中系統(tǒng)配置包含定時器配置、串口配置、中斷配置、IO口配置、ADC、DAC配置、觸摸屏配置以及EEPROM配置等，觸摸屏通訊通過串口中斷來實現(xiàn)，數(shù)據(jù)的處理通過定時器中斷來實現(xiàn),其中串口優(yōu)先級高于定時器優(yōu)先級，優(yōu)先解決觸摸屏指令。軟件程序流程圖如圖5所示，軟件程序的編寫就是基于此進行的。

圖5系統(tǒng)程序流程圖

5.2PID控制算法

本文中采用PID控制算法來控制混合液的液位，該算法結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，其PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6PID控制原理框圖

在這里使用的PID控制算法是增量式控制，計算公式如下所示，其中Kp為比例系數(shù)，TI為積分時間常數(shù)，TD為微分時間常數(shù)，通過調(diào)節(jié)三個系數(shù)的大小來改善PID控制的性能，本系統(tǒng)中在“廠家設(shè)定”選項中可更改三個參數(shù)值。

6結(jié)語

混砂車智能液位控制系統(tǒng)對于混合罐液位的控制意義重大，其控制能力直接決定著混砂車工作性能的好壞，本文詳細介紹了智能液位控制系統(tǒng)的整體設(shè)計思路，硬件部分設(shè)計、觸摸屏設(shè)計及軟件程序編寫流程，能夠準確實現(xiàn)對液位的自動控制，人機通訊精準靈敏，大大提高了混砂車在壓裂作業(yè)中的性能，具有很大的實際意義。

[1]喻金錢，喻斌．基于STM32F系列ARMCortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

[2]鄔春學(xué)，王娜，余鎮(zhèn)危，雷鳴，李宏魁．HF2002混砂車自動控制系統(tǒng)[期刊論文]．計算機測量與控制，2003，11(5)．

作者簡介：杜苗苗：北京科技大學(xué)自動化學(xué)院2012級碩士研究生，研究方向：嵌入式系統(tǒng)、控制理論與控制工程；石中鎖：北京科技大學(xué)自動化學(xué)院教授研究方向：控制理論與控制工程、模式識別、嵌入式系統(tǒng)、圖像信息智能分析與圖像工程。