基于EPA通信的電磁流量計開發(fā)

基于EPA通信的電磁流量計開發(fā)
   摘.. 要.. EPA 是我國工業(yè)自動化個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并被國際電工委員會( IEC )認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)。為了推進(jìn)EPA的工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程, 開發(fā)了適用于工業(yè)現(xiàn)場的EPA 電磁流量計, 結(jié)構(gòu)采用了通用的電磁式流量計與標(biāo)準(zhǔn)的EPA 通信卡組合的形式, 內(nèi)部采用雙CPU 來實現(xiàn)整個現(xiàn)場數(shù)據(jù)和EPA 數(shù)據(jù)的處理。所開發(fā)的EPA 電磁流量計不僅全部達(dá)到了流量檢測的相關(guān)技術(shù)指標(biāo), 還通過了EPA 協(xié)議一致性、互操作性和通信性能測試, 具備了總線供電、低功耗、異常報警等特點。重點介紹了EPA電磁流量計的系統(tǒng)設(shè)計、電磁式流量計的工作原理和EPA 通信卡的開發(fā)。
  關(guān)鍵詞.. 電磁流量計; EPA; 總線供電; 高精度測量; 低功耗
    在國家863計劃的連續(xù)滾動支持下, 重慶郵電大學(xué)作為核心單位參與制定了國家標(biāo)準(zhǔn).. .. .. 《用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA ( Ethernet for p lant automat ion) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和通信規(guī)范》[1 ] ( 簡稱.. EPA 標(biāo)準(zhǔn).. ), 在此基礎(chǔ)上形成的65C /357 /NP被國際電工委員會IEC發(fā)布為IEC /PAS 62409[ 2] , 成為我國工業(yè)自動化個擁有自主知識產(chǎn)權(quán)并被國際電工委員會( IEC)認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn), 并作為第14類型列入實時以太網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61748- 2, 作為第14類型列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158(修訂版)。而要在國際上成為主要流的現(xiàn)場總線, 除列入現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158外的一個重要因素是能否開發(fā)大量的基于EPA智能儀表, 并在工程實際中得到廣泛應(yīng)用。有鑒于此, 筆者開發(fā)了市場前景廣闊的EPA 電磁流量計, 并通過了EPA 協(xié)議一致性[ 3] 、互操作性和通信性能測試[ 4] , EPA 電磁流量計具備了總線供電、低功耗, 異常情況報警等特點。收稿日期: 2007- 03- 28 基金項目: 國家863高技術(shù)計劃資助項目( 2006AA040301); 重慶市科技攻關(guān)資助項目( CSPC, 2006AA301) 作者簡介: 陳.. 鋒( 1961- ) , 男, 重慶市渝北區(qū)人, 副教授, 主要從事智能儀器儀表、計算機(jī)應(yīng)用的研究。圖1.. EPA 電磁流量計系統(tǒng)圖
   1.. EPA 電磁流量計的系統(tǒng)設(shè)計
   EPA 電磁流量計在結(jié)構(gòu)上采用的是通用電磁式流量計和EPA 通信卡組合的方式, 電磁式流量計主要負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場的相關(guān)數(shù)據(jù)采集, EPA 通信卡主要負(fù)責(zé)進(jìn)行EPA 數(shù)據(jù)的打包和通信。其整個設(shè)計的系統(tǒng)圖如圖1所示。在數(shù)據(jù)處理中通訊功能不允許有較多的時延, 而現(xiàn)場設(shè)備在測量和控制中也不能有較多的時延, 否則將會影響到測量的精度。為了通信的質(zhì)量和測量的準(zhǔn)確性, 筆者采用了雙CPU 方案(其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示) , 以保證整個設(shè)備的工作性能和指標(biāo)。電磁流量計中的現(xiàn)場CPU 主要負(fù)責(zé)工業(yè)現(xiàn)場流量數(shù)據(jù)的采集、流量計系統(tǒng)的自檢、環(huán)境溫度檢測和異常的處理。EPA 通信卡中的通信CPU 負(fù)責(zé)與現(xiàn)場CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、圖2.. EPA 電磁流量計內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖ＥＰＡ數(shù)據(jù)打包、解包、EPA 數(shù)據(jù)傳輸、與EPA 主時鐘進(jìn)行時間同步等。在現(xiàn)場CPU 和通信CPU 之間通過串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 協(xié)議實現(xiàn)以可靠的數(shù)據(jù)傳輸為基礎(chǔ), 采用請求.. 應(yīng)答.. 發(fā)送.. 應(yīng)答的方式來進(jìn)行設(shè)計。所設(shè)計的EPA 電磁流量計采用符合IEEE802. 3a f標(biāo)準(zhǔn)的EPA 總線供電方式, 使用專用大功率的開關(guān)電源, 使電源的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了80%, 提高了電源系統(tǒng)的利用率、減小了總線供電的電流。總線供電技術(shù)中加入了上電檢測、掉電檢測, 過壓、過流保護(hù)等措施。在設(shè)備上電時將對其進(jìn)行上電檢測, 此環(huán)節(jié)將對設(shè)備的類別進(jìn)行鑒別, 如果不是EPA 設(shè)備, 將不對其進(jìn)行供電; 當(dāng)設(shè)備的功率下降到一定的值時將對其進(jìn)行掉電檢測, 如確實終止了該設(shè)備的運(yùn)行將停止對其進(jìn)行電源的供應(yīng), 這樣會防止由于在EPA 設(shè)備掉電后接入非EPA 設(shè)備而給工業(yè)生產(chǎn)帶來損失。過壓、過流保護(hù)保證了現(xiàn)場設(shè)備的安全。在設(shè)計上加入了遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊, 可以通過遠(yuǎn)程終端來對現(xiàn)場設(shè)備的電源情況進(jìn)行監(jiān)視和控制。另外連接上使用總線供電的方式, 減少了儀表的連接線纜, 在工業(yè)現(xiàn)場安裝上也更為方便。
   2.. 電磁流量計的設(shè)計
   EPA 電磁流量計是利用法拉利原理進(jìn)行流量測量的流量傳感器, 依法拉利原理知運(yùn)動導(dǎo)體在磁場中會產(chǎn)生感生電動勢V= BL.., 式中B 為磁場強(qiáng)度, L 為導(dǎo)體長度, ..為導(dǎo)體運(yùn)動速度。電磁流量計利用測量出的流速后, 經(jīng)計算得到流量。EPA 電磁流量計測量精度高, 應(yīng)用范圍廣, 介質(zhì)對測量的影響小, 是一種廣泛應(yīng)用的連續(xù)流量測量儀表。其主要特點包括: 高精度的數(shù)字化測量, 全數(shù)字化輸出, 完善的管理功能與自診斷功能。開發(fā)中主要的技術(shù)為小信號處理、高精度測量、多頻勵磁技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計等。
   2. 1.. 小信號處理
   智能電磁流量計需要檢測的信號是mV 級的小信號, 同時因為在工業(yè)現(xiàn)場工作信號容易受到干擾, 在系統(tǒng)的考慮中需要解決一些干擾問題。主要措施有: 利用3層屏蔽技術(shù)將連接線的分布電容影響基本上*消除, 從而解決小信號傳輸; 采用.. - ..轉(zhuǎn)換器, 使相同的周期內(nèi)采樣值與工頻干擾無關(guān), 從而解決工頻干擾問題; 不同的測量介質(zhì)電特征參數(shù)不一致, 利用多頻勵磁技術(shù)根據(jù)不同的測量介質(zhì)采用與之相適應(yīng)的勵磁頻率, 有效地解決不同工作場所、不同測量介質(zhì)的問題。
   2. 2.. 高精度測量
   電磁流量計要求的測量精度高, 并且測量的動態(tài)范圍大, 達(dá)到1 500..1。在進(jìn)行高精度測量時筆者采用了以下相關(guān)措施。高精度溫度采集。利用現(xiàn)在的高精度溫度傳感器和合理的算法使溫度的測量精度控制在1.. 的偏差內(nèi), 通過溫度補(bǔ)償, 減小了由于溫度給測量帶來的影響。大的動態(tài)測量范圍。主要采用了提高采樣電路的動態(tài)范圍來實現(xiàn)1 500..1的大動態(tài)測量范圍。多頻勵磁技術(shù)。在電磁流量計中采用多頻勵磁技術(shù), 針對不同的測量對象, 采用與環(huán)境和介質(zhì)相匹配的勵磁頻率, 可以使電磁流量計工作在的工作模式, 為高精度測量提供可靠保障。
   2. 3.. 結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場的要求EPA 電磁流量計的轉(zhuǎn)換器要求達(dá)到IP65、傳感器達(dá)到IP68。設(shè)計中轉(zhuǎn)換器采用全鋁鑄外殼設(shè)計、密封部分采用橡膠密封圈設(shè)計, 傳感器部分的高防護(hù)登記主要使用全鑄造外殼和灌封材料實現(xiàn)IP68的設(shè)計。
   3.. EPA 通信卡設(shè)計
   3. 1.. 硬件設(shè)計
   通信卡采用8051F120作為核心處理器。8051F120是C51系列的芯片, 它的運(yùn)行速度可以達(dá)到100M IPS, 128K 的內(nèi)部FLASH 滿足了整個系統(tǒng)對FLASH 存儲容量要求。8051F120支持系統(tǒng)休眠模式, 在無須啟動流量計的時候系統(tǒng)將自動處于低功耗的模式下, 以此來降低EPA 電磁流量計的整體功耗。另外JTAG 調(diào)試口和豐富的內(nèi)部資源使8051F120在軟件和硬件升級上都有很大的潛力。在網(wǎng)絡(luò)控制器上通信卡采用了RTL8019AS, 該芯片使用了E thernet交換技術(shù)和全雙工通信技術(shù), 同時該通信卡以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收*按照EPA 協(xié)議執(zhí)行, 可以使通信卡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀的輸入和輸出不再受CSMA /CD[ 5 ] 機(jī)制的約束。此外, 還提高了EPA 通信卡內(nèi)部資源與數(shù)據(jù)通信的安全性, 保障系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 使系統(tǒng)的安全損失降低到最小, 且在受到攻擊后能夠迅速地恢復(fù)。每個EPA 通信卡都可在工業(yè)溫度范圍- 45.. 到+ 80.. 內(nèi)正常的工作。圖3.. EPA 電磁流量計通信卡硬件框圖EPA 電磁流量計通信卡硬件框圖如圖3 所示。通信卡采集到電磁流量計的流量數(shù)據(jù)后, 利用EPA 協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到EPA 網(wǎng)絡(luò)中, 通信卡和監(jiān)控設(shè)備在EPA 協(xié)議的基礎(chǔ)上進(jìn)行交互式的數(shù)據(jù)傳輸, 利用EPA 協(xié)議實時性高、無沖突的特點實現(xiàn)了對電磁流量計的可靠、實時控制。EPA 采集卡和電磁流量計間運(yùn)用串口進(jìn)行通信。電磁流量計通過串口將測量參數(shù)送到電磁流量計通信卡, 該通信卡將測量參數(shù)按EPA 協(xié)議打包, 由網(wǎng)絡(luò)控制器發(fā)送到互聯(lián)設(shè)備或監(jiān)控系統(tǒng)。通信卡中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)*按照EPA協(xié)議網(wǎng)絡(luò)格式進(jìn)行打包和解包, 保證了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一致性; 通信卡以EPA 協(xié)議中規(guī)定的確定性調(diào)度機(jī)制來對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理, 在一個宏周期內(nèi)的某一時刻, 確定性調(diào)度機(jī)制只允許一個EPA 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備占用網(wǎng)絡(luò)信道, 這種網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)調(diào)度方式避免了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的沖突, 解決了由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)碰撞而給工業(yè)生產(chǎn)帶來的損失, 所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的時間片由上位機(jī)組態(tài)軟件進(jìn)行分配。
   3. 2.. 軟件設(shè)計
   EPA 智能電磁流量計通信卡中應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)的EPA 協(xié)議棧軟件體系, 使所設(shè)計的EPA 電磁流量計能適應(yīng)于大型的EPA 網(wǎng)絡(luò)。完善的EPA 協(xié)議棧能實現(xiàn)EPA電磁流量計可靠的、確定性的數(shù)據(jù)傳輸, 并能被上位機(jī)的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)備組態(tài)和調(diào)度。為了方便用戶, EPA 電磁流量計加入了IP地址動態(tài)修改模塊, 用戶可以通過上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控軟件來對通信卡的IP地址進(jìn)行修改, 以便于現(xiàn)場設(shè)備的管理在IP 設(shè)置沖突的時候會自動的報警, 并提醒重新設(shè)置本設(shè)備IP。上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控軟件用來對網(wǎng)絡(luò)中EPA 現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行管理, 在EPA 電磁流量計通信卡中加入了EPA 功能塊, 通過設(shè)置相關(guān)的功能塊來進(jìn)行相關(guān)的鏈接對象組態(tài), 建立EPA 設(shè)備間的通信關(guān)系, 使EPA 電磁流量計能與特定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)比如閥門定位計進(jìn)行數(shù)據(jù)通信, 達(dá)到閉環(huán)控制的目的; 報警功能塊能在電磁流量計的參數(shù)值超過報警值的時候給組態(tài)軟件發(fā)出報警信息, 比如溫度過高報警、流量超量程報警等。
   4.. 結(jié).. 語筆者開發(fā)的EPA 電磁流量計不僅全部達(dá)到了流量檢測的相關(guān)技術(shù)指標(biāo), 而且通過了國家863專家
組組織的EPA協(xié)議一致性、互操作性和通信性能測試, 具備了有總線供電、低功耗等特點、異常情況報警等功能。
   參考文獻(xiàn)[ 1] 國家. GB /T20171.. 2006 用于工業(yè)測量與控制系統(tǒng)的EPA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與通信規(guī)范[ S] . 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006. --擴(kuò)展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業(yè)生產(chǎn)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)孔板、一體化孔板流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節(jié)流裝置、節(jié)流孔板、限流孔板等流量產(chǎn)品，更多有關(guān)電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網(wǎng)站：