1 引言
在工业自动化日益发达的今天,流量计量对于相关的工业企业来说有着重要的社会经济价值,无论是供应商还是用户在流量计量方面都有着严格的要求。
根据法国液空计量的要求,设计出的以ROC809流量计算机、孔板流量计为硬件核心,以Intouch 10.1为软件平台的流量计算系统。考虑到其计量的准确性与实时性,以及满足供应商与客户端双方计量的最大利益,我们在设计计量程序中采用分段计量的运算方式来解决以上问题。在实际运行中,该系统对冶炼钢铁的过程中大量的氧气、氮气和氩气的计量准确度均有大幅度之提高,而且系统所提供的流量结算结果已获得供应商与用户的认可。流量计量广泛应用于农业生产、国防建设、科学研究、对外贸易以及人民生活各个领域中,对保证产品质量、提高生产效率、保障生产安全、改进操作工艺改善生产条件、完善科学实验条件及促进科学技术发展等有着极其重要的意义[1]。
2 分段系统产生的意义与背景
以法液空为例的气体分离制造商来说,气体的分离设备的精确以及提供给客户端的气体流量的精准成为与各自息息相关的因素,从而使气体供应商与用户形成了不可分离的紧密关系。而对于如钢厂、碱厂、化肥厂等需要大量气体的企业工厂来说,有时候一段时间会大量用气,有时候会停止一段时间用气,这种波动较大、间歇性用气,一般计算流量的算法会有一些偏差。用户方与供应商可能会发生较大分歧。例如,当钢厂一段时间停止用气时,但是空分设备仍然要按照能耗最低、人力最低运转;客户需要大量供气时,空分设备需要开到满载状态,并且伴随着液态空气分离气化,对于能源和人力消耗巨大;所以如果按照一般计量的方法,势必会产生较大误差,并且不能满足互利原则。
为此,我们建立分段流量计算结算系统,以满足供应商与用户各自的要求。针对现场实际情况我们设计了分段计量参数和相应的算法。分段计量算法对供应商提供的氧气、氩气、氢气、氮气等气体进行了统一的、精确计算的同时,还快速生成直观的结算报表,确保了供用双方的交易要求。
3 分段计量系统的总体设计
计量系统分为现场级与控制级两个组成部分,其中现场级设备则是孔板流量计,通过孔板流量计对通过管道横截面的气体的有效测量与采集,完成现场级采集任务;控制级为控制室中控制柜以及与之通讯的PC机。其中下位机采用艾默生公司生产的ROC809型计量计算机准确地完成按照3小时一累计的运算任务;友好的人机界面(HMI)实时监测有效采集数据,包括实时流量、累计流量、实时温度、压力等,按照要求定时存储数据,生成流量计量报表并打印。图1为柜内系统照片。
3.1 硬件选型
系统选用艾默生公司的ROC809型计量计算机与上位机戴尔公司的OptiPlex 380 DT作为控制级的硬件核心。
ROC全名为Remote Operation Controller,远程终端控制器,及测量、控制、通讯、计量于一体的智能计量计算机。它具有高可靠性、易组态,独特的模块插槽设计,使用灵活、维护简单等特点。基于RTU技术,功耗低、耐恶劣环境,强大的通讯能,并且有数据归档能力、储存历史数据的能力,小流量切除能力,是及流量计算机、PLC的完美结合。ROC809 流量计算机是一个基于微处理器设计的控制器,为各种现场自动化应用提供了所需的功能。
ROC809控制器可以用于进行常规逻辑和时序控制、历史资料存档、复式通信口、比例、积分和微分( PID)控制以及对12个回路的流量测量。
控制器中带有一个可供连接中央处理器(CPU)、电源输入模块、通信模块和I/O模块的背板。ROC809 元件备有九个模块插槽,其中三个可供安放通信模块。
ROC809运用电源输入模块转换外部输入功率为ROC809元件的电子设备所要求的电压级别,并监控电压级别以确保正常运行。有两种电源输入模块可供ROC809使用:12伏特直流电和24伏特直流电。当主电源没有连接时,内部的三洋3伏特CR2430锂后备电池将为数据和实时时钟提供了备用电源。
本系统选择DELL OptiPlex 380 DT机作为上位机,来进行数据采集、数据储存、操作管理。硬件选择2台PC机相互冗余备份,有一台机器出现故障或者丢失数据,系统仍然可以照常运行,以期更有效的保证系统数据采集处理的可靠性[2]。
3.2 通讯方式
ROC809支持多种通信协议:ROC Plus、Modbus、Modbus TCP/IP、Modbus封装于TCP/IP 及带有电子流量测量( EFM)扩充的Modbus。除了EIA-232 (RS-232)模块之外,每个通信模块都与其它模块和背板完全隔离,包括电源和信号隔离在内。现场接口已经设计成能保护模块内的电子设备。每个模块都具有滤波器以减少通信错误。所有通信模块都以相同方式安装到ROC800 系列设备中。您可以在ROC800 系列设备加电(热交换)时安装或者移除通信模块,可以直接将模块安装到未使用的模块插槽1、2 或者3(可热插拔),模块利用软件自我识别。在故障清除之后,所有模块均可自动复位。
本系统采用采集系统常用的通讯协议Modbus TCP/IP,同样在ROC809中设定与PC机同样的通讯参数:波特率、奇偶校验、停止位等。系统通讯构成如图2。
3.3 软件设计
由于系统采集点数多,画面复杂,而且对于计量要求数据准确可靠,因此我们选用Wonderware公司的Intouch10.1作为编写上位机的操作平台,这样能够长期稳定的运行,提供友好的人机界面,利用曲线、动画、图表等形式更直观的把采集上来的数据展现给人们面前。通过储存Access数据库中的信息来查看历史数据,选用办公软件Office来生成我们所需要的excel生产表格,便于结算。服务器系统采用Windows XP Professional操作系统、Access数据库和Office办公软件。
Intouch通过I/O server通讯接口来读取ROC809计算处理后的数据来,并予以显示。本系统也正是采用I/O server接口完成计量的数据通讯。除了画面显示数据外,还有包括历史数据与曲线查询、实时流量曲线、报警、台账查询、手自动产生月报日报并且按时自动打印前一天的日报表等。记录人员只要查看规定的文件夹中产生的报表既可以知道流量数据等信息。人机界面图例为图3。
图3 人机界面图例
编写Intouch运行脚本与VBA变成结合使用,使得数据库的数据按照程序正常运行,其中报表功能运用大量VBA语言来编程。通过Intouch建立数据库,并通过配置服务器中Access数据库使得Intouch中的数据写入Access数据,再由Excel读取数据库数据,形成Excel表格,完成生成报表文件的过程。
由于软件部分涉及到软件专利等问题,因此具体的程序在此将不做展示。
4 分段方法与计算处理
4.1 流量的计算
通常气体计量是通过孔板流量计测得流量差压信号,再根据孔板流量计算书计算得到气体工况下的瞬时流量,最后经过温压补偿积分得到累计流量。根据中国国家标准网．SY／T 6143-199《天然气流量的标准孔板计量方法》、《GB／T2624—93l流量测量截流装置用孔板板,喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体流量》、《JJG640～94差压式流量计检定规程》及流体力学原理,差压孔板流量计流量计算公式如下(公式1)[3]
公式1:孔板流量计算公式
Q工标:工作状况下,被测气体的实际等效标准流量,单位Nm3／h
Q设:孔板计算书中,孔板设计工况下的最大标准流量,单位Nm3／h
T设:孔板计算书中,孔板设计工况下的工作温度,需加273．15,为绝对温度,单位C
P设:孔板计算书中,孔板设计工况下的工作绝对压力,单位MPa
△P设:孔板板计算书中,孔板设计工况下的最大差压值
△P工况:工况下,截流装置在差压变送器上测得的差压值
P工况:工况下,被测气体实际管道内的绝对压力(即压力补偿输入,需加lbar)
T工况:工况下,被测气体的实际绝度温度(即温度补偿输入,需加273．15)
以上是根据孔板计算书上所标定的值在ROC809中进行运算的参数,在ROC809流量计算机内部执行运算,并最终求得Q工标,ROC809中是1小时一累计运算,根据不同的情况通过编写程序来完成计算累计数值。
对瞬时流量求积分可以得到累计流量,而时间间隔越小那么累计出来的数值就越接近真实值,因此我们采用ROC809型计量计算机运算,准确的计算出累积流量,且ROC809的间隔时间很多能达到小于100ms,而且与PLC不同的是,不需要编写成瞬时流量和1小时累计流量都可以通过通讯协议读取上来。小时累计流量计算公式(公式2)
在ROC809内部定义扫描周期为100ms,每循环36000次得到一小时的累计流量,然后清零重新累计,以此类推。
4.2 分段处理
我们通常将在给定时间内依照三个流量值,流量计分成三段。气体流量不大于最小设定流量为第一段,气体流量在最小设定流量值和常态流量值之间为第二段,即正常供应段,气体流量超过常态流量值为第三段,即超负荷供应段。每段的单价不同。本系统可以根据用户要求可以分成更多的气体流量供应段。
按照企业的要求进行流量累积和分段处理,从理论上来说流量计量误差与扫描周期有关。我们利用缩短扫描周期的方式进行计算,不同扫描周期分段流量所测得的数据之间的误差不超过0．l‰。当然整体误差与孔板误差有关,为此孔板需要每隔一段时间进行标定。根据企业要求系统可将任何温度和压力条件下的气体流量精准转换为标准工况或任意指定工况下的流量,并对瞬时流量进行精准的积分,积分后再对累计流量进行分段计价处理[4]。系统程序架构采用具有标准子程序的结构化编程,只要修改相应的参数值即可完成不同的控制要求,如:瞬时流量补偿计算程序块等。
利用以上分段的方法可以大大提高结算的公平性,使得供应商和用户更准确直观的查看用气量。由于系统运用的ROC809流量计算机具有运算速度快、计算精度高等优点,(速准确科学性,)因此对于大型供气商来说,采用分段计量气体流量的方法是明智之举。
4.3 冗余设备与安全管理
为使整套气体流量计量系统有更可靠更安全的运行条件。根据实际情况本系统除了配有双机冗余以外,在控制柜内,24V电源也采用西门子冗余电源,确保ROC809不掉电不丢失数据。采用UPS不间断供电电池,确保突然断电的情况下系统仍然可以继续工作3小时之久。
可以根据管理权限和安全需要,设置两套不同级别的登陆密码和用户名,只有正确输入登陆密码和用户名,才能对系统设定参数进行修改。
5 结束语
本系统已在多家大型企业中应用,成功案例涉及钢铁厂、化肥厂、计量站等多处大型工厂。实际运行证明,此系统具有计量精度高、运行稳定和配置灵活的优点。本系统的分段计算理念和计算方法以及系统模式必将成为客户的第一选择并具有广泛的市场需求。
近些年我国工业自动化程度日渐提高,大型化工厂与工业企业的蓬勃发展,使得工业用气量大大增加,提供气体的供应商不仅限于提供气体,更希望有一套自己的标准计量系统,逐步形成既卖气又卖空分设备的发展模式。此外,我国的气体计量设备行业采用气体分段计量模式和传统的孔板流量计模式相结合而组成新的气体计量系统,以满足不同用户的需要。
应该指出:这里所说的分段计量理念不仅可以广泛地应用于气体流量的计算,而且还可以应用于电量计价和水流量计价以及其他相关的计价系统,因此我们说分段计量理念是计量领域里的航向标。
参考文献:
[1] 中国社会科学院工业经济研究所.2009中国工业发展报告[M].北京:经济管理出版社,2009,9．
[2] 中国社会科学院工业经济研究所.2009中国工业发展报告[M].北京:经济管理出版社,2009,9．
[3] SY／T 6143-1996天然气流量的标准孔板计量方法,中国国家标准网[S].1996．
[4] 朱明清,李喜东,邓广龙.气体分段计量系统的设计与实现[J].自动化技术与应用,2010,29(11):80-83．
作者简介:张博文（1988－），男，本科,研实员,从事自动化系统设计及其过程控制的研究与开发。