為了增強(qiáng)流量系統(tǒng)的開放性、可靠性和通信功能,文中介紹如何將單片機(jī)、CAN總線及組態(tài)軟件技術(shù)應(yīng)用于渦輪流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)中,文中給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)方法。

　　流量測(cè)量廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防建設(shè)、科學(xué)研究、產(chǎn)品貿(mào)易輸送以及人民日常生活等各個(gè)領(lǐng)域,流量測(cè)量的好壞對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量,供需爭(zhēng)議,能源的 利用等也有很大影響,特別像我國(guó)這樣一個(gè)能源消耗大國(guó),流量測(cè)量的作用更是非常重要。為了對(duì)流量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量,就必須研究不同流體在不同條件下的流量測(cè) 量方法,并提供相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表,即流量計(jì)。對(duì)于封閉管道的流量測(cè)量到目前為止,使用的工具主要有速度式流量計(jì)、容積式流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等幾十種流量計(jì), 每種各有特點(diǎn)。由于速度式中的渦街流量具有其他流量計(jì)不可兼得的優(yōu)點(diǎn),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而牢固,無可動(dòng)部件,可靠性高,壓損小,運(yùn)行費(fèi)用低,量程寬等,是一種新型 的流量測(cè)量?jī)x表[3],它正隨著傳感器及單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)完善。

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的自動(dòng)水平不斷提高,在很多情況下需要集中監(jiān)測(cè)多個(gè)流量點(diǎn),如石油注水開采過程中,為了保持開采效果、保護(hù)地下環(huán)境以及日后分析注 水?dāng)?shù)據(jù),需要對(duì)注水量進(jìn)行監(jiān)測(cè),需要測(cè)量的節(jié)點(diǎn)往往幾百個(gè)以上,因此如何精確地對(duì)多點(diǎn)進(jìn)行流量監(jiān)測(cè),就需要將流量計(jì)通過一種標(biāo)準(zhǔn)的總線接口聯(lián)成流量系統(tǒng)。

　　1　渦街流量系統(tǒng)的硬件組成

　　系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。上位機(jī)的任務(wù)是完成對(duì)總線上所有節(jié)點(diǎn)流量狀況,獲取各節(jié)點(diǎn)瞬時(shí)流量和累積流量數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)作后續(xù)處理, 即保存、顯示、統(tǒng)計(jì)、查詢及報(bào)表工作,主要由工控機(jī)、CAN通信適配卡、打印機(jī)等構(gòu)成。下位機(jī)的主要任務(wù)是將各種信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),經(jīng)放大整形、模數(shù)轉(zhuǎn)換、積算、顯示、保存等處理,通過RS232與上位機(jī)通訊,或通過CAN總線接口與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)。下位機(jī)儀表系統(tǒng)主要由渦街流量傳感器、壓力和溫度傳感 器、轉(zhuǎn)換部分、智能流量積算儀等構(gòu)成的智能渦輪流量計(jì)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)雖然比環(huán)形結(jié)構(gòu)信息吞吐率低,但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,并且采用無源抽頭連接,系統(tǒng)可靠性高。CAN總線連接各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),形成多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),傳輸介質(zhì)采用雙絞線。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗能 力,在控制器和傳輸介質(zhì)之間增加了高速光耦進(jìn)行光電隔離[2],流量節(jié)點(diǎn)采用了電池供電,并具有掉電保護(hù)等措施。

　　流量系統(tǒng)的總原理圖如圖1(圖中只畫了多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)中的一個(gè)完整節(jié)點(diǎn),在CAN總線最多可以掛110個(gè)節(jié)點(diǎn)),器件全部選用低功耗器件。單片機(jī) 選用TI公司的具有超低功耗的16位MSP430F149單片機(jī),該單片機(jī)的工作電壓范圍很寬為1·8~3·6 V,系統(tǒng)功耗極低,特別適合用在干電池供電的儀表。

　　文中設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了智能化,在滿足傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)流量顯示之外,通過數(shù)字技術(shù)加強(qiáng)了對(duì)渦街信號(hào)的處理,提高測(cè)量精度。不但能測(cè)液體,也可測(cè)量氣體流量,測(cè)氣體時(shí)需要進(jìn)行溫壓補(bǔ)償功能。流量計(jì)除了具有RS232通信功能以外,還嵌入了CAN總線接口技術(shù),進(jìn)一步提高了通信的距離。其中單片機(jī)是流量計(jì)的核心。流量計(jì)的所有數(shù)據(jù)都必須由它來處理。沒有單片機(jī)智能流量計(jì)就不能進(jìn)行流量信號(hào)的收集、處理和輸出[1]。其中CAN總線部分的詳細(xì)原理 如圖2。文中使用SJA1000作為流量計(jì)的CAN控制器,與CPU(單片機(jī))的I/O口直接相連,再通過PCA82C250組成CAN總線。這種結(jié)構(gòu)很容易實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信息收發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)高速光耦CNW137與PCA82C250相連后,連到CAN總線上。

　　PCA82C250為CAN總線收發(fā)器,是CAN控制器與CAN總線的接口器件,對(duì)CAN總線差分方式發(fā)送,其RS引腳用于選擇 PCA82C250的工作方式:高速方式、斜率方式。RS接地為高速,RS引腳串接一個(gè)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 腳接高電平,PCA82C250處于等待狀態(tài)。此時(shí),發(fā)送器關(guān)閉,處于低電流工作,可以對(duì)CAN總線上的顯性位做出反應(yīng),通知CPU。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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為高速光耦,最高速度為10 Mbps,用于保護(hù)CAN總控制器SJA1000。CAN總線的終端匹配電阻起相當(dāng)重要的作用,不合適的電阻會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗性及可靠性大大降低,甚 至無法通信,范圍為108~132Ω,文中使用的電阻為124Ω.

　　2　渦輪流量系統(tǒng)的軟件組成

　　設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要由上位機(jī)(帶有接入PC內(nèi)部的CAN總線適配卡)和若干個(gè)CAN總線接口的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(智能渦輪流量計(jì))組成,軟件設(shè)計(jì)分上位機(jī)程序與下位機(jī)的單片機(jī)程序兩部分。

　　采用了國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件組態(tài)王6·5+VB編寫上位機(jī)程序。組態(tài)王軟件是通用組態(tài)軟件,支持研華、西門子、歐姆龍等廠商生產(chǎn)的底層硬件設(shè)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(dòng)畫連接后,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在主控界面上的實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警以及實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線和 歷史趨勢(shì)曲線等顯示功能。每個(gè)下位機(jī)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)不但能自己存儲(chǔ),還可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)在組態(tài)王內(nèi)部是以變量的形式存在,用戶通過在數(shù)據(jù)詞典中定義變 量以及與變量相對(duì)應(yīng)的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)組態(tài)王與底層硬件設(shè)備的數(shù)據(jù)交換。但是組態(tài)王不支持CAN總線,所以通過VB采集CAN總線適配卡的數(shù)據(jù),以DDE的方式 傳到組態(tài)王中。

　　本系統(tǒng)在組態(tài)環(huán)境中設(shè)計(jì)所需要的各種靜止畫面,通過鏈接形成一個(gè)整體。組態(tài)軟件為每一個(gè)渦輪流量計(jì)的圖形元素定義了不同的動(dòng)畫屬性,該動(dòng)畫屬性 與管道流量的數(shù)據(jù)變量相關(guān)聯(lián),連接到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)管道的流量發(fā)生變化時(shí),通過CAN適配卡將變化的數(shù)據(jù)采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的變量中,該變量是與動(dòng)畫 屬性相關(guān)的變量,數(shù)值的變化,使圖形的狀態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。由于現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)是連續(xù)被采集進(jìn)來的,這樣就會(huì)產(chǎn)生逼真的動(dòng)畫效果.

　　本系統(tǒng)一共開發(fā)了十幾個(gè)界面,包括計(jì)量間界面、報(bào)警控制臺(tái)界面、曲線顯示、報(bào)表、參數(shù)設(shè)置等。通過主界面可以調(diào)用不同的界面,對(duì)于操作人員設(shè)置了不同的權(quán)限,微機(jī)軟件主程序結(jié)構(gòu)如圖3。

　　本系統(tǒng)下位機(jī)程序的設(shè)計(jì)采用自頂向下的模塊化設(shè)計(jì)方法,就是從整體到局部再到細(xì)節(jié)。先制定整體方案,然后將系統(tǒng)的每個(gè)功能都用對(duì)應(yīng)的相互獨(dú)立的子程序模塊來實(shí)現(xiàn),主程序大部分時(shí)間處于低功耗狀態(tài)。系統(tǒng)測(cè)量的主程序流程圖如圖4。

　　儀表上電后,在進(jìn)行測(cè)量之前首先進(jìn)行系統(tǒng)功能和變量初始化,然后接收各種信號(hào),其中渦輪流量信號(hào)經(jīng)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器輸入單片機(jī)內(nèi),溫度、壓力經(jīng)過相 關(guān)處理后,經(jīng)過CPU自帶的A/D轉(zhuǎn)換口輸入。如果被測(cè)介質(zhì)是液體,讀出儀表系數(shù),根據(jù)溫度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償后,計(jì)算液體流量,存入內(nèi)存;如果被測(cè)液體介質(zhì) 是氣體,根據(jù)補(bǔ)償設(shè)置,完成溫度和壓力的補(bǔ)償,計(jì)算氣體的標(biāo)準(zhǔn)體積流量。渦輪流量計(jì)將測(cè)量數(shù)據(jù)通過CAN接口送到上位機(jī)中。

　　當(dāng)多個(gè)渦輪流量計(jì)與上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)后,系統(tǒng)運(yùn)行良好,這種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的高抗、性能可靠的流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完全能滿足工程需要。