張建功， 張 樂

（1.山西太鋼哈斯科科技有限公司， 山西 太原 030100； 2.西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054）

智能流量計(jì)在線檢定信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張建功1， 張 樂2

（1.山西太鋼哈斯科科技有限公司， 山西 太原 030100； 2.西安科技大學(xué)， 陜西 西安 710054）

針對(duì)流量計(jì)在線檢定數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化的要求，基于RS-485通訊接口和MODBUSRTU通訊方式，設(shè)計(jì)了以PC為核心的智能流量計(jì)在線檢定信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集兩臺(tái)流量計(jì)的流量數(shù)據(jù)，分析表間相對(duì)誤差，并將分析得到的結(jié)果輸出保存為文件。初步試用的結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，連接方便，通訊實(shí)時(shí)性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，可以為流量計(jì)“標(biāo)準(zhǔn)表比對(duì)法”在線檢定提供便利。

信息采集 在線檢定 流量計(jì) MODBUSRTU

科里奧利流量計(jì)可以直接測(cè)量管內(nèi)流體質(zhì)量流量，具有精度高、重復(fù)性好、易于維護(hù)的特點(diǎn)［1］。儀表智能化是目前發(fā)展的主要方向，如LZYN型質(zhì)量流量計(jì)，其特點(diǎn)是以控制模塊為核心，采用數(shù)字信號(hào)替代模擬信號(hào)，就地處理現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量和控制信息，通過I/O通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。不同產(chǎn)品間的通訊都遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，可以相互兼容。試驗(yàn)研究表明，智能流量計(jì)的精度和適應(yīng)性都高于機(jī)械式流量計(jì)［2］，在石油化工等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用

流量計(jì)作為計(jì)量器械在使用時(shí)需要周期性的檢定來保證其精度［3］。實(shí)驗(yàn)室離線檢定必須中斷生產(chǎn)過程拆卸儀表，單次檢定的時(shí)間較長，對(duì)石油化工等連續(xù)生產(chǎn)的企業(yè)影響很大，而且離線檢定的介質(zhì)與實(shí)測(cè)介質(zhì)一般不同，檢定工況和安裝條件與實(shí)際情況差異很大，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確檢定，所以生產(chǎn)中多采用在線檢定的方法［4-5］。標(biāo)準(zhǔn)表比對(duì)法在線檢定中要實(shí)時(shí)監(jiān)控被檢表和標(biāo)準(zhǔn)表中的數(shù)據(jù)。本文針對(duì)流量計(jì)信息采集的問題，基于MODBUS RTU通訊方式，采用C#開發(fā)了PC與表間通訊軟件，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)流量計(jì)流量的實(shí)時(shí)采集和表間相對(duì)誤差的測(cè)試分析，并能夠兼容部分廠家的產(chǎn)品，為在線檢定提供了便利。

1 在線檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

流量計(jì)一般采用RS-485串口通訊，PC利用串口可以讀取流量計(jì)中的數(shù)據(jù)［6］。流量計(jì)與PC間通過雙絞線經(jīng)過usb/RS-485轉(zhuǎn)換接口連接。兩臺(tái)流量計(jì)各自獨(dú)立占用一個(gè)串口，PC通過輪詢的方式分別訪問兩臺(tái)設(shè)備。

如圖1所示的通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與管線連接，標(biāo)準(zhǔn)表法檢定［7］是在被檢定流量計(jì)管線中串聯(lián)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，當(dāng)管道內(nèi)流體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，流經(jīng)兩個(gè)流量計(jì)的流量是相等的。比較兩臺(tái)流量計(jì)的讀數(shù)，可以求得被檢流量計(jì)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的誤差，據(jù)此修改被檢定流量計(jì)的流量系數(shù)。

圖1 通訊系統(tǒng)與管線連接示意圖

2 通訊協(xié)議

PC與流量計(jì)間遵循MODBUS RTU通訊方式［8-10］。某流量計(jì)的通訊幀結(jié)構(gòu)如表1所示，每一位是8位2進(jìn)制字符，可以轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制等量數(shù)值。PC端發(fā)送請(qǐng)求消息，流量計(jì)接收到消息后，如果CRC校驗(yàn)無誤，則按照功能碼，響應(yīng)返回請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。這里使用功能碼04，功能是讀16位整型變量或浮點(diǎn)型變量數(shù)據(jù)。流量計(jì)中通訊數(shù)據(jù)幀最大長度為1 Byte地址+253Byte數(shù)據(jù)+2ByteCRC校驗(yàn)=256Byte。

表1 幀結(jié)構(gòu)示意（讀取質(zhì)量流量）

3 信息采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)功能需求軟件總體分為串口通訊模塊、MODBUS協(xié)議處理模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊三部分。串口通訊模塊承擔(dān)了指令發(fā)送和信息接收功能，是采集系統(tǒng)的核心。

3.1 C#串口通訊

3.1.1 串口通訊方法的定義

C#實(shí)現(xiàn)串口通訊功能的命名空間是System.IO. Ports，主要通過SerialPort類中對(duì)應(yīng)的方法實(shí)現(xiàn)串口對(duì)象的創(chuàng)建，串口通訊參數(shù)的設(shè)置、串口的讀寫和接收。串口操作集中定義在串口操作類SerialPortOperation中，功能函數(shù)的定義如表2所示。

表2 SerialPortOperation類中函數(shù)功能定義

CheckCOM方法可以獲得全部可用的串口，從中確定通訊使用的具體端口。在SerialPort實(shí)例化后，通過SetPortProperty方法可以設(shè)置通信的具體參數(shù)PortName（端口名）、BaudRate（波特率）、StopBits（停止位）、DataBits（數(shù)據(jù)位）、Parity（奇偶校驗(yàn)位），并檢查數(shù)據(jù)設(shè)置的準(zhǔn)確性。SendData和RecvData分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，其中需要利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將“string”格式的指令字符串轉(zhuǎn)化為“byte［］”用于發(fā)送和接收。

3.1.2 多線程通訊

通訊類程序執(zhí)行過程中，在完成用戶交互操作任務(wù)的同時(shí)，還需要掃描指定的端口，確定是否有信息返回。如果信息不能及時(shí)返回，進(jìn)程就會(huì)堵塞，用戶就需要等待直至有信息返回后才能進(jìn)行操作。為了保證程序正常的交互操作和穩(wěn)定運(yùn)行，就需要將主線程從循環(huán)掃描中脫離出來，新建一個(gè)信息處理線程完成信息的接收和處理。多線程操作通過System.Threading命名空間中的Thread類實(shí)現(xiàn)。

串口通訊實(shí)現(xiàn)的具體流程如圖2所示。先定義SerialPort串口對(duì)象，再調(diào)用SetPortProperty方法。完成參數(shù)設(shè)置后，使用SerialPort類中的Open方法打開串口。用Thread類創(chuàng)建新線程，循環(huán)掃描判斷串口是否返回?cái)?shù)據(jù)，按照指定的格式創(chuàng)建信息發(fā)送幀，加入CRC校驗(yàn)碼后發(fā)送，并在界面上提示串口工作狀態(tài)。當(dāng)接收線程收到返回的數(shù)據(jù)后通訊結(jié)束。

圖2 串口通訊示意圖

3.1.3 CRC校驗(yàn)

CRC校驗(yàn)算法的實(shí)現(xiàn)方式有公式法和查表法兩種。由于通訊的字節(jié)數(shù)是固定的，軟件系統(tǒng)中采用的又是查表法，這樣就不需要計(jì)算，節(jié)省了通訊時(shí)間。

3.2 信息格式的轉(zhuǎn)換

串口信息收發(fā)、界面數(shù)據(jù)顯示和信息幀提取出的數(shù)據(jù)采用的數(shù)據(jù)格式不同，定義的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換類DataConvert處理信息輸入和數(shù)據(jù)收發(fā)中存在的數(shù)據(jù)格式（如string→byte［］）、進(jìn)制（2進(jìn)制→16進(jìn)制）和字節(jié)字符與浮點(diǎn)數(shù)間的轉(zhuǎn)換。

雖然不同廠家的流量計(jì)通訊都支持MODBUS RTU方式，但具體的通訊協(xié)議卻有差別。根據(jù)生產(chǎn)中使用的流量計(jì)，定義了協(xié)議處理模塊，在監(jiān)控流量計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)可以按照設(shè)定的廠家協(xié)議來處理發(fā)送幀和接受幀中的信息。

3.3 信息的存儲(chǔ)

由于實(shí)時(shí)通訊中兩臺(tái)流量計(jì)分別占用兩個(gè)獨(dú)立的串口，不存在端口共用的問題，所以程序中創(chuàng)建了兩個(gè)線程，分別采集兩個(gè)流量表數(shù)據(jù)。返回的數(shù)據(jù)也分別記錄在獨(dú)立劃分的存儲(chǔ)空間內(nèi)，保證每個(gè)表的數(shù)據(jù)與唯一的線程對(duì)應(yīng)，將兩臺(tái)流量計(jì)與PC間的通訊獨(dú)立開，避免串口間通訊的干擾，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

3.4 表間誤差分析

管道內(nèi)液體的流量不是恒定不變的，兩個(gè)表間的誤差不能以某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的誤差來決定，采用的是均值相對(duì)誤差：

式中：q標(biāo)是標(biāo)準(zhǔn)表的平均流量；q檢是被檢表的平均流量。

兩個(gè)表的平均流量通過測(cè)試的方法獲得。測(cè)試時(shí)按照Δt時(shí)間間隔，采集n次標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表的流量，依據(jù)公式（2）可求得流量計(jì)的平均流量。

式中：q為平均流量；qi為某個(gè)時(shí)間點(diǎn)采集的流量值；n為采集次數(shù)。

采集系統(tǒng)軟件運(yùn)行如圖3所示。在檢定測(cè)試中，實(shí)時(shí)流量、測(cè)試得到的平均流量和相對(duì)誤差將顯示在界面上。串口返回?cái)?shù)據(jù)的精度高于界面顯示精度。流量測(cè)試的數(shù)據(jù)、計(jì)算得到的相對(duì)誤差、液體密度和溫度等信息可以一起被輸出保存為EXCEL文檔。

圖3 采集系統(tǒng)監(jiān)控流量與誤差計(jì)算

4 結(jié)語

基于C#.NET的平臺(tái)軟件開發(fā)效率高，節(jié)省了研發(fā)周期，有利于技術(shù)的應(yīng)用與推廣；以智能流量計(jì)RS-485串口通訊開發(fā)流量計(jì)信息采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)簡單，信息傳輸可靠性高；采用MODBUS RTU方式，技術(shù)成熟，通訊兼容性強(qiáng)。這三方面優(yōu)勢(shì)相綜合，易于實(shí)現(xiàn)多線程串口通訊，保證數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，為流量計(jì)在線檢定提供便利。前期試用的情況表明，該軟件系統(tǒng)的功能可以滿足現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)在線檢定的需要。

［1］ 蔡武昌.流量儀表應(yīng)用和發(fā)展若干動(dòng)態(tài)［J］.自動(dòng)化儀表，2006，27（7）：1-7.

［2］ 侯亞平，何有和，吳勇，等.智能流量計(jì)在油田生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.工業(yè)計(jì)量，2000（S1）：251-252.

［3］ 楊海宏.質(zhì)量流量計(jì)在線檢定［J］.化工技術(shù)與開發(fā)，2013，42（11）：70-72.

［4］ 蔡武昌.電磁流量計(jì)和超聲流量計(jì)在線驗(yàn)證［J］.自動(dòng)化儀表，2008，28（4）：1-4.

［5］ 張成敏，徐華，徐業(yè)峰.淺談電磁流量計(jì)在線檢定的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2011，32（12）：79-82.

［6］ 楊海鵬，戴波.石油化工廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.江南大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，13（6）：698-704.

［7］ 朱振國，張紅霞，范民，等.油田開發(fā)用水計(jì)量器具量值溯源的探討［J］.長江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，7（2）：66-69.

［8］ 安子良，肖立中，孔令超.基于MODBUS RTU通信協(xié)議的石油井架應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.中國測(cè)試，2011，37（6）：72-75

［9］ 劉篤喜，徐修明，許建社，等.Modbus協(xié)議在分布式伺服測(cè)角系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2007，35（1）：157-179.

［10］ 莫同鴻，李雪輝，鄢伶俐，等.MODBUS通訊協(xié)議在油田污水處理設(shè)備上的應(yīng)用［J］.石油機(jī)械，2011，39（9）：69-69.

（編輯：胡玉香）

The Design of Data Collection System for On-line Calibration of Intelligent Flowmeter

ZHANG Jiangong1，ZHANG Le2
（1.Hasike Technology Co.，Ltd.of Taigang Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030003；2.Xi'an University of Science&Technology，Xi'an Shaanxi 710054）

In view of the requirement of digitization，automation and intelligence，the information collection system was designed，taking PC as the core，based on RS-485 and MODBUS RTU communication，which was used for on-line calibration of intelligent flowmeter.The system could collect data of two flowmeters in real time，analyze the relative error and save the data and analysis as a file.Preliminary trial results show that the system had a simple structure easy to connect to communicate in real time stably.It is convenient for the application of the standard meter comparison method to online calibration of the instrument.

information collection，on-line calibration，flowmeter，MODBUS RTU

TH814

A

1672-1152（2016）05-0099-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.35

2016-08-25

張建功（1976—），男，2004年畢業(yè)于太原理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)士學(xué)位，助理工程師，主要從事鋼渣處理生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備管理工作。張樂（1983—），男，2011年畢業(yè)于北京理工大學(xué)機(jī)械電子工程專業(yè)，博士學(xué)位，講師，主要從事流體機(jī)械及測(cè)試技術(shù)研究工作。