流量積算儀自動標定測試系統的研究與實現

馮東石

（中國石油化工股份有限公司 天津分公司，天津 300271）

0 引言

流量積算儀依據國際標準、國家及行業(yè)標準設計，適用于蒸汽、單一或混合氣體及各種液體的流量（熱量）顯示、積算、控制，可廣泛應用于石化、化工、冶金、電力、輕工、醫(yī)藥及城市燃氣、供熱等行業(yè)的貿易結算和工廠計量管理網絡。可測量的介質包括：過熱蒸汽、飽和蒸汽、通用氣體、混合氣體、水、熱水、液體（油品、化工產品）等。適用的流量傳感器有：節(jié)流式流量計（包括各類孔板、ISA1932噴嘴、長徑噴嘴、文丘里噴嘴、經典文丘里管）、V 型錐流量計、彎管流量計、渦街流量計、渦輪流量計、電磁流量計、質量流量計等。流量積算儀功能復雜，硬件接線端子繁多，一臺流量積算儀需要對多種類型的輸入和輸出信號進行標定和測試。如果人工逐項手動接入信號源對端口進行標定和測試，需要耗費大量的操作時間，并且無法保證穩(wěn)定性和準確性，基于OCS控制器的流量積算儀標定測試系統可以有效地解決上述問題，提高工作效率[1]。

圖1 流量積算儀正視圖Fig.1 Front view of flow totalizer

圖2 流量積算儀硬件接線圖Fig.2 Hardware wiring diagram of flow totalizer

1 流量積算儀

流量積算儀屏幕具有128×64點陣帶背光的單色液晶LCD顯示，儀表為 3 通道輸入，儀表測量周期為 1 s，具有小信號切除與慣性濾波功能，支持斷線處理，支持以下信號類型[2]：

1）流量信號：直流電流信號4mA～20mA，輸入阻抗≤250Ω，頻率信號0Hz～9999Hz，矩形、正弦波和三角波的電壓幅度大于2V。

2）溫度信號：工業(yè)熱電阻傳感器PT100，溫度范圍-50.0℃～650℃。

3）壓力信號：直流電流信號4mA～20mA，輸入阻抗≤250Ω。

積算儀輸出信號，包括RS485，繼電器輸出、直流電流輸出和兩線制饋電輸出。RS-485波特率：1200，2400，4800，9600；校驗方式：無校驗、奇校驗、偶校驗；數據位：8；停止位：1。直流電流信號4mA～20mA，負載電阻≤500Ω。繼電器輸出具有回差邏輯功能，繼電器為交流AC 250V/5A，直流DC 30V/5A（阻性負載）。兩線制儀表進行直流24V供電時，直流DC 24V，負載≤100mA，直流DC 12V，負載≤200mA。

2 自動化標定裝置

2.1 功能描述

流量積算儀應用物理探針夾緊端子，當采用AC220V供電時，通過L和N給積算儀供電。此時，24V電源可以測試到24V直流電壓。當直流電源DC24供電時，交流端子L、N和PE處于NC閑置狀態(tài)。將控制器OCS的485端子連接積算儀的485A端子和485B端子，積算儀的直流電流4mA～20mA輸出AO+端子和AO-端子，與OCS的AI功能連接。OCS通過設置積算儀的電流輸出模式寄存器，令流量積算儀分別輸出固定的4mA和20mA電流，OCS分別記錄下對應的4mA電流值和20mA電流值，再通過Modbus-RTU協議將電流值回寫至流量積算儀。由于積算儀電流輸出通道是線性PWM輸出，4mA和20mA兩個點的電流值即可實現直流4mA～20mA的整個量程標定。標定之后，OCS控制器置流量積算儀電流輸出寄存器至固定電流輸出模式，分別令積算儀AO輸出4mA、8mA、12mA、16mA和20mA，并記錄OCS控制器AI所采集到的電流值[3]。

2.2 繼電器和頻率標定

流量積算儀為了方便現場流量、溫度、壓力的閾值告警，多具備繼電器控制輸出功能，如圖3所示繼電器R1和繼電器R2，針對繼電器的吸合測試，可以將直流DC 24V連接繼電器的一端，另一端連接OCS的DI輸入端子，OCS通過485串口發(fā)送Modbus-RTU協議置繼電器R1和繼電器R2的標志位，檢測OCS的DI狀態(tài)。繼電器斷開時，DI應檢測到低電平；繼電器吸合時，DI應檢測到高電平。這樣可以實現流量積算儀的繼電器DO測試功能。如圖3脈沖輸入型流量計連接示意圖所示，積算儀給所連接的流量計提供直流DC24V或直流DC12V的供電電壓，流量計的脈沖輸出一般為OC門集電極開路，根據測量瞬時流量的大小調整PWM輸出的頻率，流量積算儀F+和流量積算儀F-分別連接流量計的脈沖輸出正端子和負端子[4]。針對DC24V檢測可以直接接入OCS的DI輸入端子，由于DI檢測電壓輸入范圍9V～30V，DI的高電壓閾值為8V，DI的低電平閾值為3V。DC24V輸入時DI檢測為高電平，為了保證電壓幅值滿足24V，需要另外引一路進行二分之一分壓處理，DC24V二分壓之后是DC12V也滿足OCS的DI檢測為高電平；如果DC12V電壓則直接輸入OCS的DI端子檢測為高電平，但是進行二分壓之后的DI端子檢測為低電平。綜上所述，采用電壓一拖二輸入兩路OCS的DI端子的檢測方法，可以準確地判斷出流量積算儀的頻率供電電壓幅值。針對脈動輸入型流量計輸入F+端子和F-端子，將OCS的PWM輸出端子作為頻率信號源，OCS調整PWM的輸出頻率值，分別輸入0Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz、6000Hz和 8000Hz。此時流量積算儀的頻率實時采樣值隨著頻率源變化而變化，OCS通過485讀取對應流量積算儀的頻率值，比對計算得出流量積算儀的頻率計量誤差，頻率的計量采樣誤差在±1Hz，在高頻部分采用固定時間間隔內讀取脈沖個數的方法，在低頻部分采用計算相鄰脈沖時間間隔的方法[5]。

圖4 OCS控制器MJ串口接線圖Fig.4 OCS Controller MJ serial port wiring diagram

2.3 電流和熱電阻標定

流量積算儀針對差壓輸入型流量計需要采集兩線制差壓變送器、兩線制壓力變送器和兩線制溫度變送器或三線制熱電阻RTD，如圖1流量積算儀的接線端子所示。Q24端子、P24端子和T24端子仍采用一路引入DI端子，另一路二分壓引入DI端子的方法，判斷直流DC24V的電壓幅值。Q+端子和Q-端子是流量差壓輸入，P+端子和P-端子是壓力輸入，T+端子和T-端子是溫度輸入。將OCS控制器的AO作為電流信號源，流量差壓輸入：AO0+端子連接Q+端子，AO0-端子連接Q-端子；壓力輸入：AO1+端子連接P+端子，AO1-端子連接P-端子；溫度輸入：AO2+端子連接T+端子，AO2-端子連接T-端子。OCS控制器依次控制AO0、AO1和AO2作為電流信號源輸出4mA和20mA，逐次標定積算儀流量差壓4mA～20mA輸入、壓力4mA～20mA輸入和溫度4mA～20mA輸入，具體的操作過程類似上述的流量積算儀電流輸出標定功能，完成標定之后，分別控制OCS控制器調整AO輸出4mA、8mA、12mA、16mA和20mA完成3個電流輸入通道的計量精度測試。溫度輸入通道同時具有三線制RTD采集功能，即實現電流和熱電阻兼容輸入，標定熱電阻輸入通道時，調整標準電阻箱分別置100Ω電阻和250Ω電阻，OCS發(fā)送指定進行相應采集的保存，完成標定之后，進行80Ω、100Ω、150Ω、200Ω和250Ω的計量精度測試[6]。

3 測試數據報表

OCS控制器自身具有COM口和CAN口，流量積算儀自動標定測試系統應用兩個串口，MJ1和MJ2物理接口安裝在一起，1端子和2端子分別對應RS485A和RS485B，6端子是RS232串口的TXD、7端子是RS232串口的RXD、8端子是RS232串口的GND。RS232串口可以連接上位機或者工業(yè)觸摸屏HMI，針對圖1中流量積算儀的端子測試數據，如：直流DC 4mA～20mA輸出、直流DC 4mA～20mA輸入、頻率輸入、三線制熱電阻RTD輸入、繼電器輸出。OCS控制器通過RS485讀取實時測試數據輸出至上位機或HMI，進行測試數據報表，便于流量積算儀的標定溯源和計量誤差數據查看[7,8]。

4 結論

本文闡述了應用OCS控制器實現流量積算儀的出廠自動化標定和計量性能測試。應用OCS控制器的DI輸入測試積算儀繼電器輸出，二分壓之后DI輸入測試積算儀的直流DC24V和DC12V電壓，PWM頻率輸出測試積算儀的頻率輸入，AO輸出標定并測試積算儀的電流輸入，AI輸入測試積算儀的電流輸出，OCS控制繼電器組合電阻箱輸入標定和測試流量積算儀的熱電阻輸入。經應用測試，所研發(fā)的積算儀綜合標定測試系統具有良好的顯示界面，方便用戶進行交互式設置，實時數據讀取，可以穩(wěn)定可靠地實現流量積算儀批量標定，實現生產自動化，減少了現場計量的勞動強度，同時保證了測試的準確性。