开封市中仪流量仪表有限公司
开封市中仪流量仪表有限公司
阅读：131发布时间：2021-12-21
基于EPA通信的电磁流量计开发
摘.. 要.. EPA 是我国工业自动化个拥有自主知识产权并被国际电工委员会( IEC )认可的国际标准。为了推进EPA的工业应用进程, 开发了适用于工业现场的EPA 电磁流量计, 结构采用了通用的电磁式流量计与标准的EPA 通信卡组合的形式, 内部采用双CPU 来实现整个现场数据和EPA 数据的处理。所开发的EPA 电磁流量计不仅全部达到了流量检测的相关技术指标, 还通过了EPA 协议一致性、互操作性和通信性能测试, 具备了总线供电、低功耗、异常报警等特点。重点介绍了EPA电磁流量计的系统设计、电磁式流量计的工作原理和EPA 通信卡的开发。
关键词.. 电磁流量计; EPA; 总线供电; 高精度测量; 低功耗
在国家863计划的连续滚动支持下, 重庆邮电大学作为核心单位参与制定了国家标准.. .. .. 《用于工业测量与控制系统的EPA ( Ethernet for p lant automat ion) 系统结构和通信规范》[1 ] ( 简称.. EPA 标准.. ), 在此基础上形成的65C /357 /NP被国际电工委员会IEC发布为IEC /PAS 62409[ 2] , 成为我国工业自动化个拥有自主知识产权并被国际电工委员会( IEC)认可的国际标准, 并作为第14类型列入实时以太网国际标准IEC 61748- 2, 作为第14类型列入现场总线国际标准IEC 61158(修订版)。而要在国际上成为主要流的现场总线, 除列入现场总线国际标准IEC 61158外的一个重要因素是能否开发大量的基于EPA智能仪表, 并在工程实际中得到广泛应用。有鉴于此, 笔者开发了市场前景广阔的EPA 电磁流量计, 并通过了EPA 协议一致性[ 3] 、互操作性和通信性能测试[ 4] , EPA 电磁流量计具备了总线供电、低功耗, 异常情况报警等特点。收稿日期: 2007- 03- 28 基金项目: 国家863高技术计划资助项目( 2006AA040301); 重庆市科技攻关资助项目( CSPC, 2006AA301) 作者简介: 陈.. 锋( 1961- ) , 男, 重庆市渝北区人, 副教授, 主要从事智能仪器仪表、计算机应用的研究。图1.. EPA 电磁流量计系统图
1.. EPA 电磁流量计的系统设计
EPA 电磁流量计在结构上采用的是通用电磁式流量计和EPA 通信卡组合的方式, 电磁式流量计主要负责工业现场的相关数据采集, EPA 通信卡主要负责进行EPA 数据的打包和通信。其整个设计的系统图如图1所示。在数据处理中通讯功能不允许有较多的时延, 而现场设备在测量和控制中也不能有较多的时延, 否则将会影响到测量的精度。为了通信的质量和测量的准确性, 笔者采用了双CPU 方案(其内部结构图如图2所示) , 以保证整个设备的工作性能和指标。电磁流量计中的现场CPU 主要负责工业现场流量数据的采集、流量计系统的自检、环境温度检测和异常的处理。EPA 通信卡中的通信CPU 负责与现场CPU 进行数据交换、图2.. EPA 电磁流量计内部结构图ＥＰＡ数据打包、解包、EPA 数据传输、与EPA 主时钟进行时间同步等。在现场CPU 和通信CPU 之间通过串口协议进行数据交换, 协议实现以可靠的数据传输为基础, 采用请求.. 应答.. 发送.. 应答的方式来进行设计。所设计的EPA 电磁流量计采用符合IEEE802. 3a f标准的EPA 总线供电方式, 使用专用大功率的开关电源, 使电源的转换效率达到了80%, 提高了电源系统的利用率、减小了总线供电的电流。总线供电技术中加入了上电检测、掉电检测, 过压、过流保护等措施。在设备上电时将对其进行上电检测, 此环节将对设备的类别进行鉴别, 如果不是EPA 设备, 将不对其进行供电; 当设备的功率下降到一定的值时将对其进行掉电检测, 如确实终止了该设备的运行将停止对其进行电源的供应, 这样会防止由于在EPA 设备掉电后接入非EPA 设备而给工业生产带来损失。过压、过流保护保证了现场设备的安全。在设计上加入了远程监控模块, 可以通过远程终端来对现场设备的电源情况进行监视和控制。另外连接上使用总线供电的方式, 减少了仪表的连接线缆, 在工业现场安装上也更为方便。
2.. 电磁流量计的设计
EPA 电磁流量计是利用法拉利原理进行流量测量的流量传感器, 依法拉利原理知运动导体在磁场中会产生感生电动势V= BL.., 式中B 为磁场强度, L 为导体长度, ..为导体运动速度。电磁流量计利用测量出的流速后, 经计算得到流量。EPA 电磁流量计测量精度高, 应用范围广, 介质对测量的影响小, 是一种广泛应用的连续流量测量仪表。其主要特点包括: 高精度的数字化测量, 全数字化输出, 完善的管理功能与自诊断功能。开发中主要的技术为小信号处理、高精度测量、多频励磁技术、结构设计等。
2. 1.. 小信号处理
智能电磁流量计需要检测的信号是mV 级的小信号, 同时因为在工业现场工作信号容易受到干扰, 在系统的考虑中需要解决一些干扰问题。主要措施有: 利用3层屏蔽技术将连接线的分布电容影响基本上*消除, 从而解决小信号传输; 采用.. - ..转换器, 使相同的周期内采样值与工频干扰无关, 从而解决工频干扰问题; 不同的测量介质电特征参数不一致, 利用多频励磁技术根据不同的测量介质采用与之相适应的励磁频率, 有效地解决不同工作场所、不同测量介质的问题。
2. 2.. 高精度测量
电磁流量计要求的测量精度高, 并且测量的动态范围大, 达到1 500..1。在进行高精度测量时笔者采用了以下相关措施。高精度温度采集。利用现在的高精度温度传感器和合理的算法使温度的测量精度控制在1.. 的偏差内, 通过温度补偿, 减小了由于温度给测量带来的影响。大的动态测量范围。主要采用了提高采样电路的动态范围来实现1 500..1的大动态测量范围。多频励磁技术。在电磁流量计中采用多频励磁技术, 针对不同的测量对象, 采用与环境和介质相匹配的励磁频率, 可以使电磁流量计工作在的工作模式, 为高精度测量提供可靠保障。
2. 3.. 结构设计根据现场的要求EPA 电磁流量计的转换器要求达到IP65、传感器达到IP68。设计中转换器采用全铝铸外壳设计、密封部分采用橡胶密封圈设计, 传感器部分的高防护登记主要使用全铸造外壳和灌封材料实现IP68的设计。
3.. EPA 通信卡设计
3. 1.. 硬件设计
通信卡采用8051F120作为核心处理器。8051F120是C51系列的芯片, 它的运行速度可以达到100M IPS, 128K 的内部FLASH 满足了整个系统对FLASH 存储容量要求。8051F120支持系统休眠模式, 在无须启动流量计的时候系统将自动处于低功耗的模式下, 以此来降低EPA 电磁流量计的整体功耗。另外JTAG 调试口和丰富的内部资源使8051F120在软件和硬件升级上都有很大的潜力。在网络控制器上通信卡采用了RTL8019AS, 该芯片使用了E thernet交换技术和全双工通信技术, 同时该通信卡以太网数据的发送或接收*按照EPA 协议执行, 可以使通信卡网络数据帧的输入和输出不再受CSMA /CD[ 5 ] 机制的约束。此外, 还提高了EPA 通信卡内部资源与数据通信的安全性, 保障系统的正常运行, 使系统的安全损失降低到最小, 且在受到攻击后能够迅速地恢复。每个EPA 通信卡都可在工业温度范围- 45.. 到+ 80.. 内正常的工作。图3.. EPA 电磁流量计通信卡硬件框图EPA 电磁流量计通信卡硬件框图如图3 所示。通信卡采集到电磁流量计的流量数据后, 利用EPA 协议对数据进行打包发送到EPA 网络中, 通信卡和监控设备在EPA 协议的基础上进行交互式的数据传输, 利用EPA 协议实时性高、无冲突的特点实现了对电磁流量计的可靠、实时控制。EPA 采集卡和电磁流量计间运用串口进行通信。电磁流量计通过串口将测量参数送到电磁流量计通信卡, 该通信卡将测量参数按EPA 协议打包, 由网络控制器发送到互联设备或监控系统。通信卡中的网络数据*按照EPA协议网络格式进行打包和解包, 保证了网络数据的一致性; 通信卡以EPA 协议中规定的确定性调度机制来对网络数据进行管理, 在一个宏周期内的某一时刻, 确定性调度机制只允许一个EPA 网络设备占用网络信道, 这种网络数据调度方式避免了网络中数据包的冲突, 解决了由于网络数据碰撞而给工业生产带来的损失, 所有的网络设备的时间片由上位机组态软件进行分配。
3. 2.. 软件设计
EPA 智能电磁流量计通信卡中应用了标准的EPA 协议栈软件体系, 使所设计的EPA 电磁流量计能适应于大型的EPA 网络。完善的EPA 协议栈能实现EPA电磁流量计可靠的、确定性的数据传输, 并能被上位机的组态软件进行设备组态和调度。为了方便用户, EPA 电磁流量计加入了IP地址动态修改模块, 用户可以通过上位机的组态监控软件来对通信卡的IP地址进行修改, 以便于现场设备的管理在IP 设置冲突的时候会自动的报警, 并提醒重新设置本设备IP。上位机的组态监控软件用来对网络中EPA 现场设备进行管理, 在EPA 电磁流量计通信卡中加入了EPA 功能块, 通过设置相关的功能块来进行相关的链接对象组态, 建立EPA 设备间的通信关系, 使EPA 电磁流量计能与特定的执行机构比如阀门定位计进行数据通信, 达到闭环控制的目的; 报警功能块能在电磁流量计的参数值超过报警值的时候给组态软件发出报警信息, 比如温度过高报警、流量超量程报警等。
4.. 结.. 语笔者开发的EPA 电磁流量计不仅全部达到了流量检测的相关技术指标, 而且通过了国家863专家
组组织的EPA协议一致性、互操作性和通信性能测试, 具备了有总线供电、低功耗等特点、异常情况报警等功能。
参考文献[ 1] 国家. GB /T20171.. 2006 用于工业测量与控制系统的EPA 系统结构与通信规范[ S] . 北京: 中国标准出版社, 2006. --扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
仪表网 设计制作，未经允许翻录必究 .
请输入账号
请输入密码
请输验证码
请输入你感兴趣的产品
请简单描述您的需求
请选择省份