一种多总线协议流量计标定系统的设计

汪张生 （安徽医科大学公共基础学院计算机系，安徽 合肥230032）

在工业现场，测量流体流量的仪表统称为流量计，流量计的标定分为实流标定和干标定2种方式［1］：干标定方式无需实际流体便可实现流量计的标定，但对相应流量计产品的一致性要求较高，因此，目前普遍采用实流标定方式，标定精度一般为±0.2%。实流标定方式包括静态称量法、静态容积加密度计法、标准体积管加密度计法和标准表比较法。其中，静态称量法直接读取质量，误差主要来自电子秤和换向器，系统精度等级最高，对检定环境要求宽松，检定耗时少，不受检定介质和管路流体压力影响，但现场检定较难；静态容积加密度计法在读取容积的同时必须测量出检定介质的密度，存在附加误差，同时对检定介质和检定环境要求比较严，其检定耗时少，不受检定介质和管路流体压力影响，但现场检定较难；标准体积管加密度计法也存在附加误差，对检定介质和检定环境要求比较严，其检定耗时长，需引入压力修正系数；标准表比较法的误差主要来自标准质量流量计，对检定环境和检定介质要求不高，而且可以引入自动化控制技术来减少人为操作误差。

随着工业的发展，对流量测量的准确度和范围要求越来越高，为了适应多种用途，各种类型的流量计相继问世，同时为了更好地适应现场控制，流量计也从传统4～20mA模拟信号及普通开关量信号的传输发展到支持多种类型的工业总线协议［2］。为此，笔者设计了一种多总线协议流量计标定系统。

1 系统构成

为了减少标定工作中人为干扰因素并提高操作和数据处理的自动化程度，笔者采用PLC控制技术，上位机程序采用WINCC组态软件设计［3］，下位机采用AB公司CompactLogix L35E控制器，整个系统主要由上位机PC、控制箱、标准表及被检表、循环水箱组成 （见图1）。控制箱内配置的模块有DP／PA模块、ModBus模块、HSC模块、DI模块、AI模块和FF模块。系统能够标定的仪表类型包括有／无源4～20mA仪表、有／无源脉冲仪表、DP／PA总线仪表、ModBus总线仪表和Foundation FieldBus总线仪表。

图1 系统结构图

2 系统软件中数据的计算与分析

实际的检测中需要比较标准表和被检表的累积流量及瞬时流量［4］，并计算累积流量的误差，不同类型的仪表累积流量和瞬时流量的读取和计算方式不尽相同，而且对同一个标定表需要在不同的流量采集点下做多组测量，这些工作都由下位机PLC程序自动执行。

装置中配置的标准表为Profibus DP类型的质量流量计，对于总线类型仪表而言，其瞬时流量及累积流量都存放在内部存储区域的某个地址，可以通过对应通讯模块直接读取。

对于模拟量信号的仪表 （如4～20mA），其读取的数据为瞬时流量。对于累积流量可以利用定时中断来确定，根据积分原理，累积流量是流量对时间的积分，当Δt很小，近似为长方型，如果Δt=1s，那么累积流量=∑当前流量。

脉冲信号仪表在测量时输出的是高速脉冲，为保证测量精度，采用HSC高速脉冲计数模块以防信号丢失。累积流量M=k1×∑Np，其中k1为脉冲当量，Np为一定时间的脉冲数。瞬时流量为检测一定时间Δt（如1s）的脉冲个数Np×k1后再转换成以小时为单位的计量值即可。

流量计误差可以通过对被测表的累积值Vc和标准表的累积值Vb进行比对计算，从而得到被检表的测量精度，计算公式为E= ［（Vc-Vb）／Vb］×100%，E即为被检流量计的测量误差。

在实际标定工作中，由于标准表采用的是质量流量计，而有的被检表只能做体积流量的检测，这时需要将体积流量转换为质量流量，而水的密度在不同的温度下会有所不同 （如水的密度在4℃时最大），为保证转换的精度，在下位机程序中保存有水密度表［5］，根据测定的管道内水的温度自动查找水密度表，转换为相应的质量后再进行对比计算。

图2 软件流程图

3 系统测量控制流程

在标定过程中，操作人员根据被检表的类型设定相关参数，如4～20mA仪表需要设置20mA和4mA对应的数值，脉冲表需要设置脉冲当量等，选择测量点及每个测量点检测次数和每次检测的时间，然后开始检测。PLC程序根据上位机程序下达的参数自动执行读取和计算测量数据、每个测量周期计时、测量次数计数、计算测量误差等。在完成所有检测后，系统会根据设定的误差允许范围给出被检表是否需要调整的建议并打印相关检测报告系统测量控制流程如图2所示。

4 应用效果

多总线协议流量计标定系统经过设计、调试、检验和安装后交付用户投入使用，累计标定各种流量计近百台。实际应用表明，该系统自动化程度高，支持的仪表类型多，操作方便，各项性能指标达到设计要求。同时，高性能的PLC控制系统和高精度模块的使用，使系统具有较高的标定精度，避免了人为操作的误差，并提高了工作效率。因此，该系统具有良好的市场应用前景。

［1］纪刚 .流量测量仪表应用技巧 ［M］.北京：化学工业出版社，2003.

［2］夏永刚 .工业自动化控制系统在水流量标准检定装置中的应用 ［J］.机械管理开发，2009，23（6）：94-96.

［3］吴耀明，孙泉亮，袁少博 .水流量标准装置控制系统的设计 ［J］.工矿自动化，2012，37（1）：93-95.

［4］何玲 .过程量测量和控制综合实验设计与实现 ［D］.上海：上海交通大学，2010.

［5］孙淮清 .流量仪表的实验室准确度和现场准确度 ［J］.工业计量，2009，18（2）：7-9，13 .