為了增強流量系統的開放性、可靠性和通信功能,文中介紹如何將單片機、CAN總線及組態軟件技術應用于渦輪流量計測量系統中,文中給出了系統的設計思想與實現方法。
流量測量廣泛地應用于工農業生產、防建設、科學研究、產品貿易輸送以及人民日常生活等各個域,流量測量的好壞對生產質量,供需爭議,能源的 利用等也有很大響,別像我這樣個能源消耗大,流量測量的作用是非常重要。為了對流量進行準確的測量,就必須研究不同流體在不同條件下的流量測 量方法,并提供相應的測量儀表,即流量計。對于封閉管道的流量測量到目前為止,使用的工具主要有速度式流量計、容積式流量計、質量流量計等幾十種流量計, 每種各有點。由于速度式中的渦街流量具有其他流量計兼得的優點,結構簡單而牢固,無可動部件,可靠性,壓損小,運行費用低,量程寬等,是種新型 的流量測量儀表[3],它正隨著傳感器及單片機技術的發展而不斷改進完善。
隨著現代工業的自動水平不斷提,在很多情況下需要集中監測多個流量點,如石油注水開采過程中,為了保持開采效果、保護地下環境以及日后分析注 水數據,需要對注水量進行監測,需要測量的節點往往幾百個以上,因此如何地對多點進行流量監測,就需要將流量計通過種標準的總線接口聯成流量系統。
1 渦街流量系統的硬件組成
系統由上位機和下位機兩部分組成。上位機的任務是完成對總線上所有節點流量狀況,獲取各節點瞬時流量和累積流量數據,并對數據作后續處理, 即保存、顯示、統計、查詢及報表工作,主要由工控機、CAN通信適配卡、打印機等構成。下位機的主要任務是將各種信號轉變為電信號,經放大整形、模數轉換、積算、顯示、保存等處理,通過RS232與上位機通訊,或通過CAN總線接口與上位機交換數據。下位機儀表系統主要由渦街流量傳感器、壓力和溫度傳感 器、轉換部分、智能流量積算儀等構成的智能渦輪流量計。網絡拓撲結構采用總線式結構,此種結構雖然比環形結構信息吞吐率低,但結構簡單、成本低,并且采用無源抽頭連接,系統可靠性。CAN總線連接各個網絡節點,形成多節點網絡,傳輸介質采用雙絞線。因為本系統應用在工業現場,為進步提系統的抗能 力,在控制器和傳輸介質之間增加了速光耦進行光電隔離[2],流量節點采用了電池供電,并具有掉電保護等措施。
流量系統的總原理圖如圖1(圖中只畫了多個智能節點中的個完整節點,在CAN總線多可以掛110個節點),器件全部選用低功耗器件。單片機 選用TI公司的具有低功耗的16位MSP430F149單片機,該單片機的工作電壓范圍很寬為1·8~3·6 V,系統功耗低,別適合用在干電池供電的儀表。
文中設計的渦輪流量計實現了智能化,在滿足傳統渦輪流量計流量顯示之外,通過數字技術加強了對渦街信號的處理,提測量精度。不但能測液體,也可測量氣體流量,測氣體時需要進行溫壓補償功能。流量計除了具有RS232通信功能以外,還嵌入了CAN總線接口技術,進步提了通信的距離。其中單片機是流量計的核心。流量計的所有數據都必須由它來處理。沒有單片機智能流量計就不能進行流量信號的收集、處理和輸出[1]。其中CAN總線部分的詳細原理 如圖2。文中使用SJA1000作為流量計的CAN控制器,與CPU(單片機)的I/O口直接相連,再通過PCA82C250組成CAN總線。這種結構很容易實現CAN網絡節點中的信息收發,從而實現對現場的控制。
SJA1000的AD0~AD7連接到MSP420F149的P0口,INT接到P1·0,/CS接到P1.1,/RD連接到P1·2,/WR 連到P1·3,ALE連到P1·4,SJA1000的RX0與TX0分別通過兩個速光耦CNW137與PCA82C250相連后,連到CAN總線上。
PCA82C250為CAN總線收發器,是CAN控制器與CAN總線的接口器件,對CAN總線差分方式發送,其RS引腳用于選擇 PCA82C250的工作方式:速方式、斜率方式。RS接地為速,RS引腳串接個電阻后再接地,用于控制上升和下降斜率,從而減小射頻。RS引 腳接電平,PCA82C250處于等待狀態。此時,發送器關閉,處于低電流工作,可以對CAN總線上的顯性位做出反應,通知CPU。實驗數據表明 15~200 kΩ為較理想的取值范圍,在這種情況下,可以使用平行線或雙絞線作總線,文中PCA82C250的斜率電阻為取30 kΩ.CNW137為速光耦,速度為10 Mbps,用于保護CAN總控制器SJA1000。CAN總線的終端匹配電阻起相當重要的作用,不合適的電阻會使數據通信的抗性及可靠性大大降低,甚 無法通信,范圍為108~132Ω,文中使用的電阻為124Ω.
2 渦輪流量系統的軟件組成
設計的系統主要由上位機(帶有接入PC內部的CAN總線適配卡)和若干個CAN總線接口的網絡節點(智能渦輪流量計)組成,軟件設計分上位機程序與下位機的單片機程序兩部分。
采用了產組態軟件組態6·5+VB編寫上位機程序。組態軟件是通用組態軟件,支持研華、西門子、歐姆等廠商生產的底層硬件設備 (PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等)。利用軟件提供的控件加入用戶的動畫連接后,可實現數據在主控界面上的實時顯示、報警以及實時趨勢曲線和 歷史趨勢曲線等顯示功能。每個下位機節點的數據不但能自己存儲,還可以傳輸到計算機中。數據在組態內部是以變量的形式存在,用戶通過在數據詞典中定義變 量以及與變量相對應的設備來實現組態與底層硬件設備的數據交換。但是組態不支持CAN總線,所以通過VB采集CAN總線適配卡的數據,以DDE的方式 傳到組態中。
本系統在組態環境中設計所需要的各種靜止畫面,通過鏈接形成個整體。組態軟件為每個渦輪流量計的圖形元素定義了不同的動畫屬性,該動畫屬性 與管道流量的數據變量相關聯,連接到實時數據庫中。當現場管道的流量發生變化時,通過CAN適配卡將變化的數據采集到實時數據庫的變量中,該變量是與動畫 屬性相關的變量,數值的變化,使圖形的狀態產生相應的變化。由于現場的數據是連續被采集進來的,這樣就會產生逼真的動畫效果.
本系統共開發了十幾個界面,包括計量間界面、報警控制臺界面、曲線顯示、報表、參數設置等。通過主界面可以調用不同的界面,對于操作人員設置了不同的權限,微機軟件主程序結構如圖3。
本系統下位機程序的設計采用自向下的模塊化設計方法,就是從整體到局部再到細節。先制定整體方案,然后將系統的每個功能都用對應的相互立的子程序模塊來實現,主程序大部分時間處于低功耗狀態。系統測量的主程序流程圖如圖4。
儀表上電后,在進行測量之前先進行系統功能和變量初始化,然后接收各種信號,其中渦輪流量信號經二進制計數器輸入單片機內,溫度、壓力經過相 關處理后,經過CPU自帶的A/D轉換口輸入。如果被測介質是液體,讀出儀表系數,根據溫度對系統進行補償后,計算液體流量,存入內存;如果被測液體介質 是氣體,根據補償設置,完成溫度和壓力的補償,計算氣體的標準體積流量。渦輪流量計將測量數據通過CAN接口送到上位機中。
當多個渦輪流量計與上位機聯網后,系統運行良好,這種基于現場總線的抗、性能可靠的流量監測系統完滿足工程需要。