一種多總線協議流量計標定系統的設計

汪張生 （安徽醫科大學公共基礎學院計算機系，安徽 合肥230032）

在工業現場，測量流體流量的儀表統稱為流量計，流量計的標定分為實流標定和干標定2種方式［1］：干標定方式無需實際流體便可實現流量計的標定，但對相應流量計產品的一致性要求較高，因此，目前普遍采用實流標定方式，標定精度一般為±0.2%。實流標定方式包括靜態稱量法、靜態容積加密度計法、標準體積管加密度計法和標準表比較法。其中，靜態稱量法直接讀取質量，誤差主要來自電子秤和換向器，系統精度等級最高，對檢定環境要求寬松，檢定耗時少，不受檢定介質和管路流體壓力影響，但現場檢定較難；靜態容積加密度計法在讀取容積的同時必須測量出檢定介質的密度，存在附加誤差，同時對檢定介質和檢定環境要求比較嚴，其檢定耗時少，不受檢定介質和管路流體壓力影響，但現場檢定較難；標準體積管加密度計法也存在附加誤差，對檢定介質和檢定環境要求比較嚴，其檢定耗時長，需引入壓力修正系數；標準表比較法的誤差主要來自標準質量流量計，對檢定環境和檢定介質要求不高，而且可以引入自動化控制技術來減少人為操作誤差。

隨著工業的發展，對流量測量的準確度和范圍要求越來越高，為了適應多種用途，各種類型的流量計相繼問世，同時為了更好地適應現場控制，流量計也從傳統4～20mA模擬信號及普通開關量信號的傳輸發展到支持多種類型的工業總線協議［2］。為此，筆者設計了一種多總線協議流量計標定系統。

1 系統構成

為了減少標定工作中人為干擾因素并提高操作和數據處理的自動化程度，筆者采用PLC控制技術，上位機程序采用WINCC組態軟件設計［3］，下位機采用AB公司CompactLogix L35E控制器，整個系統主要由上位機PC、控制箱、標準表及被檢表、循環水箱組成 （見圖1）。控制箱內配置的模塊有DP／PA模塊、ModBus模塊、HSC模塊、DI模塊、AI模塊和FF模塊。系統能夠標定的儀表類型包括有／無源4～20mA儀表、有／無源脈沖儀表、DP／PA總線儀表、ModBus總線儀表和Foundation FieldBus總線儀表。

圖1 系統結構圖

2 系統軟件中數據的計算與分析

實際的檢測中需要比較標準表和被檢表的累積流量及瞬時流量［4］，并計算累積流量的誤差，不同類型的儀表累積流量和瞬時流量的讀取和計算方式不盡相同，而且對同一個標定表需要在不同的流量采集點下做多組測量，這些工作都由下位機PLC程序自動執行。

裝置中配置的標準表為Profibus DP類型的質量流量計，對于總線類型儀表而言，其瞬時流量及累積流量都存放在內部存儲區域的某個地址，可以通過對應通訊模塊直接讀取。

對于模擬量信號的儀表 （如4～20mA），其讀取的數據為瞬時流量。對于累積流量可以利用定時中斷來確定，根據積分原理，累積流量是流量對時間的積分，當Δt很小，近似為長方型，如果Δt=1s，那么累積流量=∑當前流量。

脈沖信號儀表在測量時輸出的是高速脈沖，為保證測量精度，采用HSC高速脈沖計數模塊以防信號丟失。累積流量M=k1×∑Np，其中k1為脈沖當量，Np為一定時間的脈沖數。瞬時流量為檢測一定時間Δt（如1s）的脈沖個數Np×k1后再轉換成以小時為單位的計量值即可。

流量計誤差可以通過對被測表的累積值Vc和標準表的累積值Vb進行比對計算，從而得到被檢表的測量精度，計算公式為E= ［（Vc-Vb）／Vb］×100%，E即為被檢流量計的測量誤差。

在實際標定工作中，由于標準表采用的是質量流量計，而有的被檢表只能做體積流量的檢測，這時需要將體積流量轉換為質量流量，而水的密度在不同的溫度下會有所不同 （如水的密度在4℃時最大），為保證轉換的精度，在下位機程序中保存有水密度表［5］，根據測定的管道內水的溫度自動查找水密度表，轉換為相應的質量后再進行對比計算。

圖2 軟件流程圖

3 系統測量控制流程

在標定過程中，操作人員根據被檢表的類型設定相關參數，如4～20mA儀表需要設置20mA和4mA對應的數值，脈沖表需要設置脈沖當量等，選擇測量點及每個測量點檢測次數和每次檢測的時間，然后開始檢測。PLC程序根據上位機程序下達的參數自動執行讀取和計算測量數據、每個測量周期計時、測量次數計數、計算測量誤差等。在完成所有檢測后，系統會根據設定的誤差允許范圍給出被檢表是否需要調整的建議并打印相關檢測報告系統測量控制流程如圖2所示。

4 應用效果

多總線協議流量計標定系統經過設計、調試、檢驗和安裝后交付用戶投入使用，累計標定各種流量計近百臺。實際應用表明，該系統自動化程度高，支持的儀表類型多，操作方便，各項性能指標達到設計要求。同時，高性能的PLC控制系統和高精度模塊的使用，使系統具有較高的標定精度，避免了人為操作的誤差，并提高了工作效率。因此，該系統具有良好的市場應用前景。

［1］紀剛 .流量測量儀表應用技巧 ［M］.北京：化學工業出版社，2003.

［2］夏永剛 .工業自動化控制系統在水流量標準檢定裝置中的應用 ［J］.機械管理開發，2009，23（6）：94-96.

［3］吳耀明，孫泉亮，袁少博 .水流量標準裝置控制系統的設計 ［J］.工礦自動化，2012，37（1）：93-95.

［4］何玲 .過程量測量和控制綜合實驗設計與實現 ［D］.上海：上海交通大學，2010.

［5］孫淮清 .流量儀表的實驗室準確度和現場準確度 ［J］.工業計量，2009，18（2）：7-9，13 .