（通信与信息系统专业论文）天然气计量管理与远程监测系统的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本硕士论文致力于研制一套分布式总体结构的基于r s 4 8 5 总线和微机上实现的 m o d b u sp l u s 网络的天然气计量管理与远程监测系统。该系统定位于矿区与输配气 一站的应用，实现对各输配气站的数据采集、计量、管理及在管理中心的远程监测。 所实现的系统具有实时性好、兼容性好、可扩展性强、抗干扰能力强、测量精度高、 可靠性高，以及采用全中文人机界面等优点，上 论文首先在需求分析的基础上进行了总体设计及现场子系统的物理结构设计， 给出了系统的软件设计要求。分析了现场网络的形式，软件的设计与实现等。物理 结掏设计主要介绍了r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、a d a m 模块等的接口方式；软件设计主要介 绍了程序中比较关键的通信模块和流量计量模块及数据库模块等，以及r s 2 3 2 ， r s 4 8 5 ，m o d b u sp l u s 等接口的通信软件设计。重点讨论了现场子系统中的通信协 议。其次，论文分别对现场系统的干扰问题及其提高可靠性措施进行了讨论，给出 了管理中心和现场工控微机问的远程通信的实现方式。再次，论文给出了在v b 开 发环境下系统的实施，重点在通信设计，包括基于r s 4 8 5 总线的通信设计和m o d b u s _ 。- _ _ _ _ - - 。_ 一- 。_ _ _ _ - - _ _ 。_ 。 通信协议在实际中的实现。最后对现在工业控制中的前沿技术虚拟仪器技术进 r 、- _ _ 一一 行了展望。 关键词：天然气y 计量；管理；远程监测；通信 a b s t r a c t t m sm a s t e rt h e s i sa i m sa t d e v e l o p i n gan a t u r a lg a sm e t e r a g e , m a n a g e m e n ta n d r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mw i t hd i s t r i b u t e dh i e r a r c h y , w h i c hi sb a s e do nt h er s 4 8 5b u s a n dt h em o 曲u sp l u sn e t w o r ki np ci nt h ef i e l d t h es y s t e m , w h i c hi so r i e n t e dt ot h e a p p l i c a t i o nt ot h es t a t i o n so f n a t u r a lg a s ，i sd e s i g n e dt om e e td a t aa c q u i s i t i o n , m e t e r a g e ， m a n a g e m e n t a n dr e m o t em o n i t o r i n gi nt h e s u p e r v i s i n gc e n t e r t h es y s t e mh a st h e f o l l o w i n gr e m a r k a b l ef e a t u r e s ：r e a lt i m er o s p o u s e ，h i 曲c o m p a t i b i l i t y , h i g he x p a n d a b i l i t y , s t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e ，h i g hp r e c i s i o n ，h i g hr e l i a b i l i t y a n d f r i e n d l y m a n - m a c h i n e i n t e r f a c ee t c b a s e do nt h er e q u i r e m e n t a n a l y s i s ，t h eo v e r a l ld e s i g na n d t h e p h y s i c a l s t r u c t u r eo f t h e s u b s y s t e mi nt h ef i e l da r ec a r d e do u tf i r s t l y , a n dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n to f t h es o r w a r e s y s t e mi sg i v e n t h ep a p e ra n a l y s e st h en e t w o r kf o r mi nt h ef i e l d ，a n dt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h es o f t w a r e f o rs o f t w a r ed e s i g n , t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e , f l u x m e a s u r i n gm o d u l e 。a n dd a t a b a s em o d u l e a r e p r e - n t e d , a n ds o m e c o m m u n i c a t i i n t e r f a c e s u c ha sr s 2 3 2 ，i t s 4 8 5 ，m o d b u si sc o n s i d e r e di nt h ep h y s i c a ls t r u c t u r ed e s i g n t h e e m p h a s i s i sp l a c e do nt h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l so f t h es u b s y s t e m i nt h ef i e l d s e c o n d l y , t h et h e s i sd e a l sw i t ht h ei n t e r f e r e n c ep r o b l e ma n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e si nt h e f i e l ds u b s y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h er e m o t ec o m m u n i c a t i o nf o r m sa n di m p l e m e n t a t i o n a r ep r e s e n t e db e t w e e nt h es u b s y s t e ma n dt h es u p e r v i s i n gc e n t e r t h i r d l y ，t h ed e t a i l e d d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e mi n t h ef i e l di nt h ev i s u a lb a s i ci n t e g r a t e d d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n ta r c i n t r o d u c e d h e r e ，a t t e n t i o n i s e s p e c i a l l yp a i d t ot h e c o m m u n i c a t i o nd e s i g n ，t h ec o m m u n i c a t i o nd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nb a s e do nt h e r s - 4 8 5b u sa n dt h em o d b u sc o m m u n i c a t i o n p r o t o c 0 1 f i n a l l y ac o n c l u s i o n i sd r a w nf r o m t h ep a p e ra n dt h et e c h n i q u eo fv i r t u a li n s t r u m e n t ，t h ef r o n tt e c h n i q u ei nt h ef i e l do f i n d u s t r i a lc o n t r o l 。i sm e n t i o n e d k e yw o r d s ：n a t u r a l g a s ：m e t e r a g e ：m a n a g e m e n t ：r e m o t es u p e r v i s i n g ：c o m m u n i c a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 本硕士论文旨在开发一套天然气站场的计量管理与远程监测系统，其功能结构 是基于分散型控制系统的，因此先将相关技术的应用情况进行介绍。 1 1 测控技术的现状 随着现代化工业的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不 断增加，工艺过程不断强化，因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要 求。面临着日趋激烈的市场竞争，工业生产过程正处于一个由劳动力密集型、设备 密集型、信息密集型到知识密集型的转交过程。在此过程中，以计算机为基础而构 成的控制、管理、决策系统无疑起着非常重要的作用。而分散型控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，简写为d c s ) ，正是在这样的背景下产生的。 国外从1 9 7 0 年开始研制d c s ，到1 9 7 5 年前后各家公司的分布式综合控制系统 ( d c s ) 不断出现。美国以h o n e y w e l l 公司的t d c 2 0 0 0 为代表，日本以横河电机的 c e n t u m 为代表，揭开了d c s 时代的序幕。当时的d c s 已经具有如下优点： i 可靠性提高。在系统的组成中的一部分出现故障时，系统仍能维持工作( 可能 某些性能会降低、。 2 设备、通信、配线费用低廉。在当时，购买多台微型计算机的费用远低于一 台中小型计算机，在d c s 中数据、资源的共享本身就意味着系统成本的降低。 3 系统的性能提高。d c s 使比较集中的计算极控制系统能达到较高的性能。 4 系统的模块化。模块化使得d c s 实麓起来简便，在当时也减少了软件豹复 杂性。 5 设计、开发、维护简便。 由于d c s 有上述突出优点，使其在国际上受到普遗的重视。1 9 7 5 年，国际自控 联( i f a c ) 第六届世界会议提出了计算机分布控制系统的概念，并于1 9 7 9 年起每年召 开一次i f a c 组织的d c s 会议，交流经验，讨论问题，对d c s 的发展起了很大的推 动作用n ，。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 0 多年来，分散控制系统已经在工业生产过程控制中迅速普及，成为过程控制 系统的核心。 d c s 是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。 与常规的集中式控制系统相比有如下特点： 1 实现了分散控制。它使得系统控制危险性分散、可靠性高、维护方便。 2 实现集中监视、操作和管理。使得管理与现场分离，管理综合化和系统化。 3 采用网络通信技术，这是d c s 的关键技术。它使得控制与管理都具有实时性， 并解决了系统的扩充与升级问题“。 我国从7 0 年代中后期起，首先由大型进口设备配套中引入国外的d c s ，首批有 化纤、乙烯、化肥等进口项目。同时国内开始自己研制和设计选用国外的d c s ，经 过2 0 多年的努力，国内已有多家生产d c s 的厂家，其产品应用于大中小各类过程 工业企业，其中和利时、浙大中控、上海新华3 家已具有相当规模。目前国外d c s 产品在国内市场中占有率还较高，其中以采用h o n e y w e l l 、横河两公司产品为多。国 内应用d c s 的行业以炼油、石化、化纤为多，已使用了7 0 0 多套d c s ，其他还有化 工、冶金、电力、轻工等行业。我国石化行业应用水平较高，自动投运率在9 0 以 上，维护水平也较高，目前正向充分发挥d c s 性能和开展先进控制和优化的方向发 展。d c s 在我国的应用情况基本上是好的，能保证过程工业的稳定生产。但应用 水平不高，大多数用户对d c s 的应用，停留在职代常规控制的水平上，统计表明， 实际应用中d c s 的功能仅发挥3 0 以下“1 。 在传统的d c s 占市场很大份额的情况下，其他技术也正应用到这个领域。 当代先进的d c s 有如下的特点。 1 现场总线( f i e l db u s ) d c s 的演变，现场总线已经使d c s 的产品形态部分地发生了变化。工业过程控 制的发展趋势是系统的开放性和设备的互操作性。传统的专有d c s 是昂贵的，其维 护、升级和扩张的成本高昂。用户日益需要开放的应用系统，以便易于维护并可由 其他公司提供系统的替换产品。 现场总线控制系统f c s 是继分散控制系统之后出现的新一代控制系统，虽然它 的出现才短短的几年，但它所代表的是一种数字化到现场，网络化到现场，控制功 能到现场和设备管理到现场的不可逆转的发展方向，宣告了新一代控制系统体系结 构的诞生，它的广泛应用大幅度地降低了控制系统的投资，显著地提高了控制质量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 极大地丰富了信息系统的内容，明显地改善了系统的集成性，开放性，分散性，和 互操作性。因此，现场总线控制系统已经成为当今世界范围内自动控制技术的热点， 被誉为跨世纪的自动控制系统。尽管对现场总线控制系统将要取代分散控制系统， 还是分散控制系统将要吸纳现场总线技术，人们各抒己见，但以现场总线为基础的 现场信号数字化传输将成为现场信号模拟重传输的终结者已成为人们的共识。 2 支持i n t e m e t 功能 网络正在左右着我们的时代。随着网络泡沫的破碎，电子商务的真正价值日益 显现。传统产业日益成为信息技术的受益者，价值链和规则在悄然改变。 最近几年，在分散控制系统日臻成熟的基础上，以新的控制和管理理论为基础 的运行优化软件，在生产过程中逐渐推广使用，使分散控制系统逐渐变成一个集安 全经济运行，控制和管理为一体的综合网络。 1 2 测控技术发展趋势 1 2 1d c s 的4 c 理念 4 c 是指c o m p u t e r 、c o n t r o l 、c o m m u n i c a t i o n 、c r t 人机界面。融合上述技术， d c s 诞生时具有以下4 个特点。 1 它的第一级控制功能采用以微处理机为基础的基本调节器来实现。 2 上层控制功能采用当时的小型计算枫或中大型计算机来实现。 3 采用物理上分散的结构，因而都具有计算枫的通信系统。 4 设有集中型操作员接口，操作员通过它可以存取全部过程变量、控制变量， 并可显示各种系统状态。 1 2 2 现场总线技术 从8 0 年代开始，随着微电子学的发展，导致含有微处理器的智能变送器、控制 器和集散系统的普遍应用。这些智能化的现场设备可以直接完成许多控制功能，这 也正是智能化仪表的显著特点之一。因此，现场设备与基于微处理器的控制室自动 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 化设备间待传输的信息量急剧增加。原有的4 2 0 m a 模拟直流回路，只能在一根两 芯电缆中单向传输一个参数。所以，4 2 0 m a 这种信号标准已成为当前控制系统发 展的主要瓶颈。为此，在现场设备和控制系统之间，迫切需要一种全数字化的、双 向、多变量的通信规程，来代替正在流行着的4 2 0 m a 单变量、单向模拟传输方式。 各个厂家为此都进行了大量的工作，它们各自采用了不同的手段、不同的信号标准， 结果导致了智能化工业控制仪表的不兼容。 鉴于这种情况，国际电工技术委员会( i e c ) 从1 9 8 5 年即开始着手制订国际性 的智能化现场设备和控制室自动化设备之间的通信标准，并命名为“f i c l d b u s ” 现场总线。 现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统闻的全数 字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程，是互相操作以及数据共享的 公共协议。可以认为，现场总线是通信总线在现场设各中的延伸，允许将各种现场 设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、p l c 及手持终端和控 制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。 从计算机网络体系结构角度来看，按国际标准化组织i s o 的推荐，最低一级的 网络就是现场总线。它可以把全厂范围内的最基础的现场装置( 如仪表等) 连接起 来，与控制系统实现全数字化通信。 现场总线与模拟回路相比较，具有一系列的优点： 1 大大降低了系统的费用。仪表系统的电缆配线、安装、操作和维修等方面的 费用，由于采用了现场总线，可以节约6 0 以上。 2 可以传送多个过程变量。可以在传输过程变量的同时，将仪表的标识符和简 单的诊断信息也一并传送。这样，有利于带有多变量的数字仪表的开发和应用。减 少了系统的维护量，提高了系统的可靠性。 3 提高了检测精度。现场总线的数字信号比4 2 0 m a 模拟信号的精度提高1 0 倍。因此，可以排除在a 仍转换中所产生的误差。 4 增强了系统的自治性。以微处理器为基础的现场设备可以完成许多先进的功 能，包括部分控制功能。这样，就可以将原来的集中的多回路或单回路控制器所完 成的功能转移到现场来完成，在现场内实现一般的控制。 5 采用国际性的现场总线后，可与不同厂家生产的仪表兼容。 正是由于这些优点，现场总线的应用将为自动控制领域带来新的革命。 耍奎窑鋈盔生塑主塑塞兰堂笙鎏塞蔓：夏 现场总线的应用，在控制结构上也会产生一系列的变化：使模拟仪表为数字仪 表所代替；目前，由集散系统所完成的控制功能，将由现场总线开发的功能块( 现 场控制器) 来完成；那时的d c s 将主要完成现在由上位机完成的高级控制功能和信 息管理，而且，它利用高级软件包( 不是硬件) 来实现优化、专家系统及统计过程 等先进控制。这样，未来的建立在现场总线上的d c s 系统将会是管控一体化的。由 此可见，工厂控制系统的结构也将会发生根本的变化“，。 f c s 是在d c s 的基础上发展起来的，f c s 顺应了自动控制系统的发展潮流，它 必将替代d c s 。这已是业内人士的基本共识。然而，f c s 代表潮流与发展方向，而 d c s 则代表传统与成熟，也是独具优势的事物。特别是现阶段，f c s 尚没有统一的 国际标准，d c s 则以其成熟的发展，完备的功能及广泛的应用而占居着一个尚不可 完全替代的地位。 要把握新世纪工业过程控制的发展趋势，有必要使f c s 综合与继承d c s 的成熟 控制策略：与此同时，d c s 的发展也应追寻f c s 控制策略的新思想，使其具有新的 生命力。d c s 应能动地将底层控制权交付给f c s 系统，将较高层的系统协调管理功 能发扬光大，完成控制系统的智能设备集成。本论文的现场系统部分，正是基于这 样的思想构建的，由遵循m o d b u s 通信协议的超声波二次仪表完成计量，然后传送到 上位机部分进行集中的管理。 1 2 3 工业以太网与嵌入式i n t e m e t 然而就在人们对f c s 进行概念炒作的时候，却没有注意到它的发展在某些方面 的不协调，其主要表现在迄今为止现场总线的通讯标准尚未统一，这使得各厂商的 仪表设备难以在不同的f c s 中兼容，使f c s 在工业控制中的推广应用受到了一定的 限制。当人们冷静下来对这些问题进行思考时，不禁想起了在商业网络中广泛应用 的以太网。 由于市场惯性以及各大工业集团的强大营销能力，林林总总的产品仍将服务于 世界市场。但有一类新的结构将肯定获得曩快遽的增长。这种新的硬件结构以传输 速度超过1 0 0 m b s 的交换以太网为主干，用嵌入式技术开发的智能化现场器件作为 以太网的节点。且前国外第一批这种设备已经面世【s l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 2 4 自律分散系统( a d s ) 自律分散系统( a u t o n o m o u sd e c e n t r a l i z e ds y s t e m ，简称a d s ) 是近年来才逐渐发 展起来的一个新的系统概念。它突破了原来传统的集中分布式的c s 模型，建立了 全新的系统模型。在这一系统中所有的单元( 子系统) 都是独立平等的，它们之间 不存在任何隶属关系。各个单元都能独立完成各自的任务而不受其他单元的干预。 同时各个单元之间也能协调工作来实现整个系统的运行。这就是自律分散系统的两 大特性：自律可控性和自律可协调性。实现这一系统模型的关键概念是数据域和广 播的通讯方式。系统中的每个单元都主动地向数据域广播其内部处理信息，同时根 据各自的需求从数据域中接收信息。各个子系统都只同数据域打交道，它们相互之 间没有直接的糯合关系。这就较好地保证了在线扩展、在线维护及容错”1 。 1 3 论文研究内容和安排 为了保证质量，缩短开发周期，作者在整个设计过程中严格遵循系统需求分析、 可行性报告、总体设计、详细设计与实现、系统实施与调试等步骤，分阶段完成各 项设计任务。在该系统的整个设计与实施过程中，作者完成了大部分的设计与开发 工作，所做的研究与设计工作大致可分为以下几个阶段： 第一阶段是系统的初步设计。在这个阶段主要完成以下工作：参与原有系统的 分析，确定新系统的功能需求情况及整个系统的总体设计。根据该系统的具体业务 需求情况及现有技术确定整体方案设计思路、相关方案技术参数，选用合适的操作 系统软件平台、数据库系统、开发软件等。 第二阶段根据整体设计思路确定整个系统的体系结构，及各项具体功能的实现。 第三阶段主要是系统软件的编制及通信测试，完成软件主体的编制，及现场的 各种通信方式的测试及调试。重点对超声波智能流量计的通信进行了分析和实现。 第四阶段是对程序的现场调试，处理实际遇到的问题，完成实际的应用。 根据远程分布式监测系统存在的问题和天然气矿区站场系统的实际需要，论文 着重研究以下内容。 1 天然气矿区站场分布式远程监测系统结构设计。 堕童窑鎏盔兰堡主竺塞生堂丝鎏塞釜：基 2 远程监测系统通信控制研究。 3 系统可靠性分析及远程通信的实现方式。 4 天然气远程监测系统的实现。 1 4 论文研究意义 在目前的天然气采集供气系统中，由于天然气计量涉及到的参数和外界工况等 多种因素，其数学模型十分复杂，造成了对备分散的采集点的人工记录、计算难度 的增加，同时还存在的问题就是：可靠性低，精确度差，统计报表工作量大。因此 根据四川各天然气矿区的实际情况开发了这个计量点采用分散计量、集中查询的监 测系统，实现对现场输配气情况的监测，同时也可在管理中心实现监测。该系统的 计量模块设计符合相关的石油天然气行业标准( s y t 6 1 4 3 1 9 9 6 ) 中的“计算机运用 的一般原则”及“天然气流量的标准孔板计量方法”的数学模型，还可以根据标准 的修订进行方便的更改，整个系统的算法符合中国石油天然气总公司天然气计量的 标准孔板计量方法的标准。解决了现场的计量糟度低，数据可靠性差等问题，并且 可以远程监测现场的生产供气状况，方便了天然气资源的集中管理与调度。同时节 省了购买专用软件的费用，达到了专用软件的效果，也具有独立的版权。 1 5 本章小结 本章分析了设计的背景，同时提到了系统设计的一些问题，为设计明确了预期 的目标，为完成系统的应用范围及应具备的特点做好了分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章天然气远程监测系统方案设计 2 1 远程监控系统 随着i m e m e t 技术的高速发展，互联网已深入到社会生活的各个方面，其已成为 现代化发展的重要标志，日益成为人们日常生活和工业控制、科学研究及社会文化 交流中必不可少的一部分。因而它的发展亦促进了社会对互联网服务的需求和互联 网服务自身的不断提高、发展。 作为现代工业生产和社会生活的基础设施，监控系统得到了广泛的应用。主要 是在化工、电力、能源、钢铁和航空航天等领域。远程监控系统是以计算机为核心、 结合多媒体技术、计算机网络技术的一种监控主机系统。明显优点在远距离的监控 方面。监控网络系统能将监控信息从监控中心释放出来，通过计算机网络使其能够 到达桌面的计算机上，从而与信息管理系统融合在一起，更好地为管理服务，提高 管理水平和效率。 2 2 系统需求 天然气作为国家的重要能源和工业原料，随着我圈国民经济韵迅速发展，大中 小型企业对它的需求迅速增加；同时由于天然气价格的提高，对天然气流量准确计 量的要求越来越迫切。目前市场有各种各样的流量计可用于测量天然气的流量。其 中差压式( 孔板、喷嘴) 流量计因其设计规范简单、牢固、一致性好，不需要实流 标定等诸多优点被广泛用作贸易结算流量计。 由于天然气流量计量是非常复杂的，所以使用流量计有诸多不足之处。 首先，流量计的读数需专人手工抄表，就大中型输配气计量站来说，测试点分 布面积范围比较大，并且比较分散，这样就耗费了较多的人力物力。 其次，不管采用哪种流量计，往往需要采用补偿措施来提高测量的准确性。用 现代技术实施自动补偿是流体计量领域里的熏要课题。所谓流量补偿就是对流量计 读数的系统误差修正。流量检渊装置的系统误差多数是流体性质及条件( 如温度、 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 压力、成分及流量范围等) 变化引起的。流量计输出信号与被测流量之间的刻度关 系只能依据某一特定工艺状况来确定。如果流量计的实际刻度系数已经发生变化， 这时仍按原刻度关系读取流量，显然会产生误差。在一些需要精确计量的场合或工 况波动范围大而且波动频繁的场合，必须采用补偿措施。流体计量补偿技术就是针 对不同流量计，检测不同流体而建立的一种修正方法。由仪表读数准确推算出流体 的实际流量，因而流量补偿技术在流体计算中具有重要意义。 由于电动单元仪表的出现，八十年代开始应用电动单元组合仪表的变送器和运 算单元建立自动补偿系数，不但实现了自动连续补偿。检测精度也有所提高。它通 过变送器同时检测出天然气的静压、差压和温度等参数，并将它们转换为相应的统 一的电流信号，按某种运算关系把信号送入计算单元进行运算，输出代表准确流量 的信号，经显示仪表显示出流量值和累积流量。单元组合仪表具有通用性强，组成 系统比较灵活，自动化程度高，无须人工计算，温度、压力和差压在线检测计算， 较符合流量测量理论等特点。其次，目前普遍采用的电容式变送器抗干扰能力强， 无机械摩擦磨损，因此系统精度较高。但是在计算方面对标准中各参数的修正问题 ( 如天然气组成成分及其摩尔分量不断交化) 不能及时地更改，从而带来公式引用 误差。而且这类补偿装置使用的仪表数量大，补偿装置一次性投资大，一套补偿装 置只能进行一个流路的流量补偿。这些缺点使它的应用受到限制。 计算机和网络的推广和普及，极大地推动了补偿技术的发展。根据节流式流量 测量理论可知：瞬时流量是流体工况( 差压、绝对静压、。温度) 的函数。由于工况 参数一般都是变动的，因此累积流量用工况平均参数计算和用瞬时参数计算累加， 其结果是不一样的。以瞬时参数计算并累计流量才符合要求。由于现在的计算机具 有极强的存储能力和极快速的运算能力，再配套离精度的智能变送器、数据采集卡， 就可以完成数据采集处理、数据存储、报表打印和报警等功能，极大的减轻工作人 员的劳动强度。通过计算机联网，就可以实时测控天然气输气管道的数据，实现安 全生产，f 司时使管理层根据现场生产状况进行快速决策。运用计算机计算流量的最 大优点是：全部采用实时参变量，因此就不存在对差压、绝对静压、温度等参数的 补偿问题；同时与温度、压力、差压有关的参量( 如孔板内径、动力粘度和压缩因 子等) 也随各相关量变化而变化，从而使补偿装置的成本急剧下降。在实际应用中， 当要对天然气流量计算式中某些需经常改变的量进行修改时，可以通过计算机软件 来完成。而且还可对含水的天然气进行含水补偿。因而从理论上讲，运用计算机的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 实时流量计算系统可构成目前和将来最理想和最完善的节流式流量计量系统。 2 3 系统分析 天然气计量计算涉及到的参数和外界工况等因素较多，对于各分散的采集点， 人工记录、计算难度较大，同时可靠性低，精确度差，统计填写报表工作量大，所 以针对各计量点采用分散计量，集中查询、报表管理系统势在必行。 传统的数据收集方法包括让经过培训的人员在每个输配气站测量和记录各个供 气管路的压力、差压、温度等读数。这种方法劳动力成本高，而且受人为因素的影 响。并且也因选择的测量和记录时间没有规律而受到影响。管理人员需要在每个输 配气站建立一个自动计量管理监测系统，这样既可以节约成本也可以无延迟或以较 短延迟来获取准确的数据。 要开发一套有效的系统来计量和检测用气的情况，有三个关键的因素影响天然 气的计量：气体的差压，压力和温度。要想提高计量系统的精度和自动化程度，就 必须采用符合流量计量理论的科学方法。瞬时流量是流体工况( 温度、差压、静压 和组分等) 的函数，而工况参数是瞬变的，以瞬时参数计算并累计流量才是符合流 量计量理论的科学方法。为实现这个目的，就须采用计算机计量系统。由于计算机 计量系统的计量参数采用的是实时采集量，这就避免了繁琐丽复杂的温度、压力、 差压补偿的问题，从而在数学模型上提高了系统精度。在系统中使用合适的传感器 来收集测量这三个参数得到的数据，然后传送到下位机。下位机中的计量软件计算 数据，并且对偏离要求的参数情况做出报警响应。 所以要进行天然气远程监测计量集成系统的软、硬件总体设计，运用计算机网 络功能进行用户的远距离测量，各现场的动态数据参数髓络同步传输在管理终端上 实时显示。系统应对加强计量管理起到重要的作用，并由此而产生可观的经济效益。 同时还要满足在远程的管理中心可以实时了解现场的输气情况的要求。 2 4 系统设计 该系统应该是一个实时监测软件平台，是以实时数据库为核心的监测软件支持 亘煎窒通塞堂亟塑塞生掌焦盈文第11 页 系统，形成自主版权的实时监测软件平台。要求该软件平台具有高可靠性，高安全 性，可实现硬件互连，软件互连，以及很强的服务能力。其关键技术有实时数据库 技术，动态图形显示技术，i n t e r n e l i n t r a n e t 技术等。 2 4 1 系统物理结构设计 将本系统的物理结构设计过程汇总，考虑其中可以采用的硬件技术该有以下几 种方式。 集散控制系统新一代的主控系统，包括集散控制系统d c s ，现场总线控制 系统f c s ，可编程控制系统p l c 及p c 为基础的开放式控制系统p c c ，现在国家重 点放在d c s 。我国自行开发的集散控制系统，现在已具有9 0 年代的国际水平。 现场总线控制系统现场总线控制技术，它是应用于生产现场，在现场仪表、 控制仪表之间，进行双向全数字通信的技术，也是开放式，数字化，多点通讯，底 层的一个网络控制技术。 智能交送器技术智能变送器技术，它是面大量广的核心技术，需要解决的 突出问题是系列化，智能化，网络化，大量程，高精度，耐腐蚀，特别缺乏的是质 量仪表”1 。 考虑到现场总线标准正处于完善的过程；其次智能式现场变送器、执行器还不 普遍；关于防爆技术与现场总线技术相结合，如何走向实用，还有待努力；另外， 彻底分散的控制策略，在现场总线控制系统技术中已作为主要选择，将会使与d c s 控制站的相对集中的控制策略的互相融合产生困难，而在石化等行业的生产装置比 较集中，现场检测元件分布比较集中，对彻底分散控制要求则不强烈等。 基于以上的分析，我们的系统实现如下。 在系统的通信设计中，现场的通信距离为几十米到上千米。因此采用了广泛使 用的r s - 4 8 5 串行总线标准。r s 4 8 5 采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模 干扰的能力。加上总线收发器具有高灵镀度，能检测低至2 0 0 m v 的电压，故传输信 号能在千米以外得到恢复。r s - 4 8 5 采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于 发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。r s - 4 8 5 用于多点互连时非常方 便，可以省掉许多信号线。 由于各个输气站点广泛地分布在通信网络的各个环节，非常类似于许多工业控 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 制的情况，要实现对它的集中管理和控制，可以借鉴计算机分布控制系统的工作思 想：采用层次结构，以一个主计算机和多个从计算机组成通信网络来完成系统数据 通信的功能。在绝大部分时间里，系统的从机并行工作，只有在必要时才与主机通 信交换数据信息。这种层次结构使系统具有较高的可靠性。而且控制灵活速度快。 考虑到单位中现有的设备情况，由于有孔板计量装置和超声波计量装置，所以 采用了r s 4 8 5 总线和m o d b u sp l u s 网络两种方式来实现这个系统的网络通信部分， 这样兼顾了系统的性价比问题，原来的设备也不必进行淘汰，就可以很好的满足系 统的计量管理及监测要求。根据客户及现场的情况，我们做了如下的方案设计。 在站点现场采用r s - 4 8 5 总线，同时m o d b u sp l u s 网络在微机上实现的时候同 r s - 4 8 5 总线通信是相同结构的。故系统结构拓扑设计如图2 1 。 圈2 1 系统现场网络结构拓扑图 由图2 1 可见，现场子系统由上j 机( 工控微机) 、下位机、通信模块和数据采 集模块、信号隔离器、现场仪表及智能流量计等组成。 上位机：运行w i n d o w s2 0 0 0 ，选用p i i i 级处理器，内存1 2 8 m 。 下位机：3 8 6 以上工控微机，运行d o s 操作系统，液晶屏显示：或者可以直接 使用超声波智能流量计，不用下位机。 通信：通信线路按现场要求进行铺设。总线标准选择r s - 4 8 5 和m o d b u sp l u s 。 现场设备：在最大可能保留原来监测仪表和执行部件的基础上，增加变送器、 西南交通大学硕士研究生学位论文第j 3 页 转换器和隔离设备。 软件：操作系统换为w i n d o w s2 0 0 0 ，监测系统采用本论文所开发的软件系统， 开发环境是v i s u a lb a s i c6 0 。 高性能、低成本是我们追求的目标。具体方案的选择则需要根据不同的基础综 合考虑。在本方案中，在技术上是先进的、可行的，具备了现场总线的部分也有传 统的r s - 4 8 5 总线部分，运行、维护成本较低，是首选方案。 在现场子系统的物理实现中，通过一台上位机和一台下位机的双机热备份方式， 来实现系统的高度可靠。上位机采用w i n d o w s 2 0 0 0 为操作系统，来达到操作系统内 在的稳定性。上位机和下位机通过串口采用三线零m o d e m 的方式直接相连。通信 信号隔离转换模块是研华的a d a m 4 5 2 0 ，数据采集模块是研华的8 通道模拟量输入 模块a d a m - 4 0 1 7 。有些站点的上位机和下位机之间不加转换器，有两套采集及通信 模块，做到了模块的冗余。 a d a m - 4 5 2 0 模块是一个隔离r s - 2 3 2 到r s - 4 2 2 4 8 5 转换器，它可以将r s 2 3 2 信号转换为隔离r s - 4 2 2 或r s - 4 8 5 信号，a d a m 4 5 2 0 隔离转换器可以在以前配置的 r s 2 3 2 系统中充分利用r s 4 2 2 和r s 4 8 5 的优点，不需要对p c 硬件或软件做任何 修改。a d a m 4 5 2 0 可以使用标准的p c 硬件构建一个工业级、长距离通讯的系统， 可以在最初由i t s 2 3 2 设备组成的现有网络中使用r s - 4 2 2 和r s 4 8 5 传输信号获得 更快的传输速率、更大的传输范围和更强的联网能力。a d a m - 4 5 2 0 中的电路自动侦 测数据流的方向，免除了网络中的握手请求，仅需两根导线就可以构建一个r s 4 8 5 网络，传输速率最高可达1 1 5 2k b p s 。由于该模块具有自动内部r s - 4 8 5 总线管理， r s - 4 8 5 无需外部的流控制信号，在数据线上具有湃态干扰抑制，联网距离可达4 0 0 0 英尺等特点，因此给系统的可靠通信提供了保证。 数据采集模块a d a m 4 0 1 7 ，其模拟量输入的有效分辨率为1 6 位，输入通道形 式为六路差分、两路单端，可输入电流或电压信号，同时采样点可达1 0 个样点秒， 其精度为0 1 或更好，零漂为6 uv ，可以很好地满足系统需要。同时该模块 还内置看门狗定时器，保证系统的正常运行，不会死锁，也为系统增加了可靠性。 在该系统中，我们在软、硬件方面保证了计量的离精度。硬件方面，计算机为 研华p e n t i u m i i i7 0 0c p u 的工控微机，采集现场二次仪表的模拟值转化为数字量，根 据现场的温度，压力，差压这三个物理量来计算管道内天然气的瞬时流量。在这里 我们根据天然气流量计量的数学模型，天然气标准体积流量的实用公式和天然气标 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 准体积流量的行业标准，用v i s u a lb a s i c6 0 在w i n d o w s2 0 0 0 平台下，把它编制成 函数以供计量部分的程序调用。 工作原理如下：在一个输配气站或矿区的供气管路上安装上计量孔板，然后安 装测量各个参数的传感器，用来测量想要的参数。这些传感器通过r s - 4 8 5 网络连 接到a d a m - 4 0 1 7 数据采集模块，a d a m 4 0 0 0 系列的模块是可以独立安装的，如果 采用a d a m 5 0 0 0 系列模块，可以被嵌入到一个a d a m 系统( a d a m 系统通过 r s - 4 8 5 网络连接到监测系统的上、下位机) 中。a d a m 模块把接收自这些传感器的 数值转换成数字工程单位信号，然后通过r s - 4 8 5 网络传送到主机，在此要用 a d a m - 4 5 2 0 信号隔离转换模块实现下位机和a d a m - 4 0 1 7 数据采集模块的通信，即 每个输配气站的系统通过a d a m - 4 5 2 0 信号隔离转换模块与数据采集模块通信，系 统监视其运行状态并且收集其数据输出。每个输配气站的系统将信息通过m o d e m 传送到管理中心。在使用超声波智能流量计时，不需要各数据采集及通信模块，可 以直接和下位机通信，相当于一个a d a m 数据采集模块，方式与和a d a m 4 0 1 7 通 信时相同，只是发送的命令不同。 在系统的上下位机正常工作时，将现场的压力、温度、差压等信号传送给各 a d a m 数据采集模块。a d a m - 4 5 2 0 信号隔离转换模块把r s - 4 8 5 信号转换为r s 2 3 2 信号经通信线路传给下位机，下位机按照天然气计量数学模型计算出瞬时流量和累 计流量等数据并传给上位机，同时下位机中根据要求生成日月报表。而上位机中同 时进行数据的存储和报表工作。此时，现场的数据在上下位机中均存储，并且是相 同的。在上下位机均正常工作时，为了保证上下位机的日报表数据的相同，上位机 在下位机按规定的时间生成日报表后，发送取日报表的命令来取得这个日报表中各 个站点的日报数据。 为了保证上、下位机的同步，每天都进行由上位机发起的时间校对，这样就保 证了上、下位机系统时间的严格同步，消除了两台计算机间的由系统时间不同而造 成的虽然是同时采集的数据，但反映出的采集时间不同的问题。 上位机与下位机依靠串行通信方式相互传送信息。当上下位机其中之一故障时， 另一台均可单独完成计量工作。此时，上下位机的遥信停止进行。直到故障恢复。 下位机采用中断方式处理数据采集以及和上位机的通信，当下位机响应上位机 与自己通信的中断之后，将数据发送给上位机，其他时间处于数据采集和计算存储 数据状态。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 上位机的数据通过拨号的方式，利用m o d e m 与p s d n p s t n 传送到远程的内 部网络计算机上。其网络拓扑结构如图2 - 2 。 这样就达到了在远程的管理中心，实时监测现场站点的生产情况。 现场微机系统 图2 2 现场微机与管理中心的网络连接方式 2 4 2 系统软件的设计 软件技术主要是系统集成技术。是整个自动化技术关键技术中的关键技术，是 控制软件、优化软件和软测量技术的集成，是新一代主控系统，智能仪表的集成， 是检测，控制，优化，调度，管理，决策，经营等功能的集成，是实现工厂综合自 动化系统的基础技术。 根据客户提出的具体要求”1 ，我们分析了系统应该具备的功能，具体分析如下。 1 系统软件的可修改性 系统中对天然气流量的计算，设置为单独的模块，并符合现行的天然气计量标 准s 6 1 3 4 1 9 9 6 天然气流量的标准孔板计量方法。随着标准的修订，软件中的 流量计算模块程序也可以方便的随之修改。 2 系统应用软件必须完善，并且汉化 系统软件采用全中文界砸，按需方提供的通信格式传送数据或向需方提供通讯 数据格式：系统软件能与智能式旋进旋涡流量计的r s - 4 8 5 通讯正常工作。 3 在本系统的设计中采用了现场的图片方式将现场的工艺流程显示出来，直观 地反映站场的生产动态。 4 系统报警设置包括压力，差压，温度，瞬时流量等，且每个参数均有一般上 下限报警，流量变化速度的上下限报警，同时系统具备声光报警功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 一旦报警发生，该报警时间被自动记录在报警数据库中，记录报警点，报警性 质( 上限或下限) ，报警时间，当班人员等，同时应立即打印该报警信息