（机械电子工程专业论文）基于现场总线的文丘里气体流量计研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 现场总线( f i e l db u s ) 是一种安装在过程区域内的数字通信技术，它实现 现场设备、仪表、自动控制装置之间的双向、串行通信。它将单个分散的、数 字化测量和控制设备作为网络节点，通过总线互联实现信息的交互，从而使不 同网络、不同现场设备实现信息共享。p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依 赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛适用于制造业、流程工业、电力、建 材工业等领域的自动化控制。目前，p r o f i b u s 总线在水泥工业的自动化控制中 已有大量的应用，构建了许多成功的现代全集成自动化控制系统( t i a ) 。基于 p r o f i b u s 总线的t i a 系统要求现场设备与仪表具有p r o f i b u s 通信功能。因此， 传统仪表的通信技术改造和基于p r o f i b u s 标准的现场设备研发是我们面临的 课题。 文丘里流量计是水泥工业中常用的气体流量测量仪表，传统的文丘里流量 计没有p r o f i b u s 通讯功能。论文以传统的文丘里流量测量系统为基础，在不降 低其测量精度的前提下，研究使其具有p r o f i b u s d p 总线通信能力的实现方法； 在此基础上，进一步研究相关控制算法和技术，使其具有面向简单对象的独立 闭环控制功能。从而使文丘里流量计成为基于p r o f i b u s 的t i a 系统的集检测、 控制与通信为一体的智能化d p 从站，以满足了现代水泥工业生产的要求。 论文对文丘里流量计的核心结构文丘里管进行了优化设计。首先对文丘里 流量计的原理进行详细分析，建立了流量计的检测数学模型；以此为基础，提 出了文丘里管结构设计的若干优化准则；论文以功能集成化流量计为研究目标， 在深入分析p r o f i b u s 现场总线技术的基础上，研究了流量计控制系统的硬件系 统实现形式；设计了基于8 9 c 5 2 单片机的流量计控制系统，并以内嵌p r o f i b u s 通信协议的s p c 3 芯片实现单片机与总线主站的通信，系统简单、便于实现。 论文研究了流量计的基于参数自整定的p i d 控制算法及其计算机控制的实 现方法：为提高从站的检测与控制的实时性和可靠性，将现场和网络管理、人 机交互等事务性工作交给网络主站完成，而从站专心于底层检测与控制。在系 武汉理工大学硕士学位论文 统软件实现方面，采用自顶向下的模块化设计方法，将控制系统的每项独立功 能编制成具有灵活接口形式的功能模块，使软件系统具有很好的开放性和可维 护性。 关键词：文丘里流量计现场总线p r o f i b u s d ps p c 3 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i e l db u s1 sd o u b l e d i r e c t i o n ，s e r i a la n dm u l t i - n o d ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yt h a ta p p l i e db e t w e e nl o c a l d e v i c e i n s t r u m e n ta n ds e r v o m e c h a n i s m s y s t e mi na r e ao f p r o c e s s ，i t sn o d ec o n s i s t so f d i s t r i b u t e d ，d i g i t a la n ds m a r td e v i c et o t e s ta n dc o n t r o la n dc o n n e c t e db yb u st or e a l i z ee x c h a n g eo fi n f o r m a f i o n , s ot h a t s h a r ei n f o r m a t i o ni nd i f f e r e n tn e ta n dl o c a ld e v i c e ，p r o f i b u si sa ni n t e m a t i o n a l a n do p e nf i e l db u ss t a n d a r di n d e p e n d e n t 州mm a n u f a c t u r e r i ti sw i d e l ya p p l i e dt o a u t o m a t i o no fm a n u f a c t u r i n g ，i n d u s t r i a l p r o c e s sa n da u t o m a t i o n o nb u i l d i n g ， t r a n s p o r t a t i o n ，e l e c t r i cp o w e ra n db u i l d i n g m a t e r i a l i na u t o m a t i o no fc e m e n t i n d u s t r y , p r o f i b u sh a ss u c c e s s f u l l ya d a p t e d s oi tr e q u e s t st o t a li n s t r u m e n tt oh o l d c o m m u n i c a t i o na b i l i t yo fp r o f i b u s s ow es h a l lf a c et on e wt a s kt h a tr e b u i l da n d r e s e a r c hj n s t m m e n tt o a d a p t t op r o f i b u ss t a n d a r d v e n t u r if l o w m e t e ri s i n s t r u m e n tt om e a s u r ef l o wo fg a su s u a l l yu s e di nc e m e n ti n d u s t r y h o w e v e r t r a d i t i o n a lv e n t u r if l o w m e t e rh a sn o tf u n c t i o no fp r o f i b u sc o m m u n i c a t i o i l s oi t h a r d l ys a t i s f i e sm o d e mr e q u i r e m e n to f t o t a l l yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n 1 1 1 i sd e s i g nu s e dt h ec o n v e n t i o n a lv e n t u r if l o w m e t e rw h i c hi su s e dt om e a s u r e t h es e c o n dw i n df l o wt om a k ei tc a nh a v et h e a b i l i t yo fc o m m u n i c a t e p r o f i b u s - d p , m e a n w h i l ed on o tr e d u c ep r e c i s i o n t h e ni th a sb e c o m eas m a r t n o d eo ft h ep r o f i b u sc o n t r o ls y s t e m s a t i s f i e sm o d e mr e q u i r e m e n to fc e m e n t i n d u s t r yc o n t r 0 1 t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp r i n c i p l eo fw e n t u r if l o w m e t e ri nd e t a i la n df i n i s h e d d e s i g no fs t r u c t u r e ；m e a n w h i l eh a v ea ni n d e p t hs t u d yt op r o f l b u sf i e l db u s t e c h n o l o g y t h i sp a p e r h a s d e s i g n e d i n t e r f a c eo fw e n t u r if l o w m e t e ro f p r o f i b u s d p , h a sf i n i s h e dd e s i g no fc i r c u i to fd r i v ea n ds e l e c t i o no fd pi n t e r f a c e ， a n dh a sa n a l y s e da r i t h m e t i co f d ps u b s t a t i o na n dh a sp r o g r m n e dp r o g r a m h a r d w a r eo f i n t e r f a c ea d a p ta s i cc h i ps p c 3m a d ei ns i e m e n s ，8 0 3 2s i n g l e c h i p a d 7 5 7 4a n dd a c 0 8 3 2 i nd e s i g no fc i r c u i to fh a r d w a r e ，d e s i g n e dr e s p e c t i v ec i r c u i t o fa da n dd a i nd e s i g no ff u n c t i o no fs o f t w a r e ，b e c a u s ec o m p l i c a t e dt a s ki s i i l 武汉理工大学硕士学位论文 a s s i g n e dt oh o s t s t a t i o n ，e n s u r er e a l t i m ea n dr e l i a b i l i t yo fd ps u b s t a t i o n i nd e s i g n o fs o f t w a r e ，w ea d o p t e dm e t h o do fp r o g r a mo fs t r u c t u r e ，d e s i g nr e s p e c t i v em o d u l e o fp r o g r a mf o rc o m m u n i c a t i o no fs u b s t a t i o na n dc h a n n e lo fo u t p u ta n di n p u t d p s u b s t a t i o na d o p t e dc o n t r o la r i t h m e t i co fp i d ，c o u l df i n i s hc l o s e dl o o pc o n t r o lt o s i m p l ea n di n d e p e n d e n to b j e c tb ys e l f k e yw o r d s ：v e n t u r if l o w m e t e r ，f i e l db u s ，p r o f i b u s d p ，s p c 3 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：耋塞茎日期：蔓堡z 坦塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盔壅登导师签名：懂业塑日期；蝴8 硷 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 1 1 1 新型干法水泥生产自动化 在现代化大型水泥生产过程中，为了保证生产稳定，提高设备运转率，达 到高产优质、低消耗，生产过程的自动控制具有十分重要的地位。 随着水泥工艺的技术进步和更新，生产过程的自动化控制水平也飞速发展。 在国际上，一般将水泥厂的自动化控制分为五个阶段。 1 早期水泥厂的生产控制，为分散的车间现场控制，采用常规仪表与继电 器保护、连锁控制，按车间设立控制室，控制车间范围内的生产。在各车间控 制室，设立仪表盘、模拟盘及操作合。 2 直到6 0 年代，在水泥窑头设立了大型中央仪表控制盘，将生产过程的 数据和生产装置的遥控由仪表完成，由此便进入了全仪表化发展时期。此时， 通过自动化仪表，对部分或全部生产环节实现自动控制。由检测仪表、调节仪 表和继电器组成的控制装置，由于经过的环节多、触电多、系统复杂，因此可 靠性极差。 3 7 0 年代初期，可编程序控制器( p l c ) 在水泥厂应用，使水泥工厂的自 动控制由有触点控制过渡到无触点控制，控制系统的可靠性大大提高。但初期 的p l c 的功能比较少，主要是逻辑控制功能和少量的运算能力，因此p l c 仅用 于水泥厂的马达顺序控制和连锁控制，而过程变量仍采用传统的常规仪表进行 监控。 随着工艺技术的发展，新型干法预分解窑生产线的推广应用，要求设立中 央控制室，将过去分散的车间控制，集中到中央控制室进行操作与监控，以便 统一管理：集中平衡热工制度和集中调度生产。这就对控制系统提出迸一步的要 求，即控制系统不但能满足分散控制、集中操作管理的需要，又能将马达的顺 序控制、连锁控制和过程控制结合成统一的整体。因此7 0 年代使用了计算机， 配合大型仪表盘实现了中央控制室集中控制。 4 8 0 年代，计算机技术的飞快发展，为控制技术提供了速度更快、功能 武汉理工大学硕士学位论文 更强，价格逐步降低的控制设备。因此，8 0 年代中期以来，采用微电子技术， 取代了人型仪表控制盘，使分散控制、集中操作管理的集散型系统逐渐在水泥 生产中得到广泛应用。 集散控制系统简称d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 。它是用多台计算 机代替早期的一台计算机，实现分散控制。通过计算机通讯技术，将计算机互 相联系起来，使得操作与管理集中安全。用计算机控制系统取代了传统的模拟 仪表控制和继电器顺序、连锁控制，系统稳定可靠、故障和故障修复时间减少， 从而使水泥生产的产品质量提高，产量增加。 5 进入9 0 年代，随着计算机网络技术的广泛应用，在水泥厂中推厂应用 管理信息系统m i s 在全厂范围内，生产、财务、人事、档案、调度、备品备件， 甚至于领导管理、决策，都纳入全厂的管理信息系统m i s ，在管理信息系统内 相互通讯及信息交换。 9 0 年代末期，出现现场总线技术，这对控制系统是一个很好的补充。现场 总线是用于现场仪表和控制系统之间的一种全数字化的通讯系统，它包括数字 化的传感器、变送器等，可将p i d 控制模块植入变送器，将部分调节功能下放 到现场仪表中，人大减少了i o 模块，节省了i o 装置和装置室的空间，减少 了大量电缆、降低了投资。此外，由于减少了d a 和a d 变换，提高了系统精 度和可靠性。 现场总线控制系统f c s ( f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 对提高工业生产过程 的安全可靠性、经济性和产品产量、质量有着显著的效果，是当今整个工控系 统和企业信息系统全数字化的发展方向。 1 1 2p r o f i b u s 现场总线国内外研究现状 由于现场总线控制系统更向分散化、网络化、智能化方向发展，它的出现， 便成为工业自动化技术的热点。目前国际上一些大型公司都在规划和实施以现 场总线为基础的新系统。西门子公司已推出以p r o f i b u s 现场总线为主的全新集 成自动化的s i m a t i cp c s 7 系统，国内某些行业如石化等已开始试用，水泥行业 如钱潮水泥厂，巢湖东亚水泥厂已开始采用i e c 通过的8 种现场总线某一种类 型，如上文所提及的即本课题所采用的p r o f i b u s - d p 现场总线。 目前a b b 推出工业i t ( i n d u s t r i a li t ) 控制系统平台完全是基于现场总线 系统在国内成功安装并运行在云南红塔滇西水泥项目。该项目采用以现场总线 武汉理工大学硕士学位论文 为基础的新型控制系统，现场总线采用p r o f i b u s 标准，系统主通信网络采用标 准t e p i p 协议以太网。该项目共配置6 个a c 8 0 0 f 控制器，每个控制器配4 条 p r o f i b u sp a 总线，其中一条总线配远程站，其余的则配采用p r o f i b u sp a 总线 现场仪表，如温度、压力、差压传感器等；雷达料位计、定量给料控制、变频 器电动执行机构、在线气体分析仪均采用p r o f i b u s 总线接口，并且所有设备与 d e s 系统通信和组态i o 主要应用于电气控制，也采用p r o f i b u s 总线远程i 0 模件。 目前在国内外水泥工业现场总线控制系统f e s 大量使用p r o f i b u s 现场总线 的p a 标准现场智能传感器，包括a b b 的m t v 和川议横河的e a 压力便送器和温 度变送器v e g a 雷达料位计等，在实际应用中系统不仅周期性地对这些设备进行 输入和输出数据交换，以及对这些仪表的参数进行输入和输出数据交换，还能 对这些仪表的参数进行远程调校，如量程、特殊检测方式等。据统计，它的综 合投资仅比传统的d e s 和常规模拟仪表增加了5 一1 0 ，而现场仪表的故障 率大约降低了6 0 ，系统设备维护费用相应下降了4 0 ，提高了设备的运转率。 1 1 3 流量计量 计量是工业生产的眼睛。流量计量是计量科学技术的组成部分之一，它与 国民经济、国防建设、科学研究有密切的关系。做好这一工作，对于保证产品 质量、提高生产效率、促进科学技术的发展都具有重要的作用。特别是在能源 危机、工业生产自动化程度愈来愈高的当今时代，流量计在国民经济中的地位 与作用更加明显。 流量与温度、压力、物位一样，是一般热工化工生产过程的重要参数。人 们依靠这些参数对生产流程进行监督和控制，并实现生产流程的自动化。这对提 高产品的质量与产量，保障生产安全，改进操作工艺，改善生产条件及科学实验 等方面将有着重要意义，同时，流量计量是企业经济核算的重要依据，流量计量 准确可靠是保证企业生产高效率进行，保证最佳经济效益的重要手段之一。 由于流量是一个动态量，流量测量是一项复杂的技术。从被测流体来说， 包括气体、液体和混合流体这三种具有不同物理特性的流体；从测量流体流量 时的条件来说，又是多种多样的，如测量时的温度可以从高温到极低温，测量 时的压力可以从高压到低压；被测流量的大小可以从微小流量到大流量；被测 流体的流动状态可以是层流、紊流等等。此外就液体而言，还存在粘度大小不 武汉理工大学硕士学位论文 同等情况。因此，为准确的测量流量，就必须研究不同流体在不同条件下的流 量测量方法，并提供相应的测量仪表。这是流量计量的主要工作之一。由于被 测流体的特性如此复杂，测量条件又各不相同，从而产生了各种不同的测量方 法和测量仪表。显然，如果没有一个统一的检定流量测量仪表准确度的方法， 那么要保证大规模生产的工艺要求，要保证贸易的平等互换是不可能的。此外， 还必须有一套流量单位复现方法和检定系统对使用小流量仪表传递的标准方 法。流量计量学的另一主要内容就是：研究流量单位的发现方法和检定系统， 建立流量计量的基、标准装置，以保证量值传递和流量测量的准确度。 目前流量计量的发展动向可综述为以下几个方面：采用新技术、研制新型 流量计。随着科学技术的发展，超声波、激光、电磁、核技术及微计算机等新 技术引入流量计量领域，使得无接触无活动部件间接技术大大发展，流量传感 器趋向电子化和数字化，为流量计量开拓新的领域。新型流量计要求非接触式 流量数字模型简明；量程比宽、线性化、数字化；可线性高，价格低廉，维修 方便。 1 2 本课题研究的目的 现场总线( f i e l db u s ) 是一种安装在过程区域内的数字通信技术，它实现 现场设备、仪表、自动控制装置之间的双向、串行通信。它将单个分散的、数 字化测量和控制设备作为网络节点，通过总线互联实现信息的交互，从而使不 同网络、不同现场设备实现信息共享。p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依 赖于设备生产厂商的现场总线标准。广泛适用于制造业、流程工业、电力、建 材工业等领域的自动化控制。目前，p r o f i b u s 总线在水泥工业的自动化控制中 已有大量的应用，构建了许多成功的现代全集成自动化控制系统( t i a ) 。基于 p r o f i b u s 总线的t i a 系统要求现场设备与仪表具有p r o f i b u s 通信功能。因此， 传统仪表的通信技术改造和基于p r o f i b u s 标准的现场设备研发是我们面临的 课题。 本项目即是将传统的用于水泥生产中二次风流量测量文丘里流量计的测量 系统通过附加电路，在不降低精度的前提下，使其具有p r o f i b u s - d p 总线通信 能力，在p r o f i b u s d p 总线控制系统中成为一个智能节点。 所谓二次风，就是蓖冷机风机冷却熟料的冷空气，被加热后进入窑内的气 体，二次空气对窑内燃烧的好坏，工艺的稳定性以及燃烧过程中燃料的消耗都 4 武汉理工大学硕士学位论文 有很大的影响。二次风温及流量是否满足工艺要求，是否稳定，直接影响窑的 正常操作及工况稳定。 同时，在水泥生产中p r o f i b u s 现场总线的应用将节省硬件数量与投资，节 省开销，提高计算机监控系统的可靠性、经济性和技术性能，提高生产效率。 可以实现功能分布、位置分布、真实的开放式分布系统。 1 3 总体方案以及论文的主要工作 文丘里流量计是水泥工业中常用的气体流量测量仪表，传统的文丘里流量 计没有p r o f i b u s 通讯功能。论文以传统的文丘里流量测量系统为基础，在不降 低其测量精度的前提下，研究使其具有p r o f i b u s d p 总线通信能力的实现方法； 在此基础上，进一步研究相关控制算法和技术，使其具有面向简单对象的独立 闭环控制功能。从而使文丘里流量计成为基于p r o f i b u s 的t i a 系统的集检测、 控制与通信为一体的智能化d p 从站，以满足了现代水泥工业生产的要求。 论文对文丘里流量计的核心结构文丘里管进行了优化设计。首先对文丘里 流量计的原理进行详细分析，建立了流量计的检测数学模型；以此为基础，提 出了文丘里管结构设计的若干优化准则；论文以功能集成化流量计为研究目标， 在深入分析p r o f i b u s 现场总线技术的基础上，研究了流量计控制系统的硬件系 统实现形式；设计了基于8 9 c 5 2 单片机的流量计控制系统，并以内嵌p r o f i b u s 通信协议的s p c 3 芯片实现单片机与总线主站的通信，系统简单、便于实现。 论文研究了流量计的基于参数自整定的p i d 控制算法及其计算机控制的实 现方法；为提高从站的检测与控制的实时性和可靠性，将现场和网络管理、人 机交互等事务性工作交给网络主站完成，而从站专心于底层检测与控制。在系 统软件实现方面，采用白顶向下的模块化设计方法，将控制系统的每项独立功 能编制成具有灵活接口形式的功能模块，使软件系统具有很好的开放性和可维 护性。 设计应用于水泥工业现场总线的文丘里流量计测控系统设计，其总体结构 图如图1 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 流 图1 1 总体结构图 本次设计主要完成对文丘里流量计原理的介绍和文丘里管的结构以及智能 从站的电路设计和系统软件设计，对于文丘里流量计的二次装置由于其技术比 较成熟将直接选用适用于水泥工业现场的差压式变送器。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章文丘里流量计的基本原理及其设计 2 1 文丘里流量计的基本原理 文丘里流量计是一种节流流量计，它利用节流装置前后的差压与平均流速 和流量的关系，根据差压测量值计算出流量的流量计，如图2 1 所示，文丘里 管由入口圆筒段，收缩段，喉部，扩压段和出口圆筒段五部分组成。由于精确 地描述流体运动十分困难，因此，通常是利用某些在假定基础上成立的简单关 系，推导并建立出实际可用的描述流体运动理论公式。节流流量计的原理就是 由伯努力方程和连续性方程导出的。 a 图2 1 文丘里管结构 假定流经图2 1 中节流装置的流体是稳定流，而且流体的黏度可以忽略， 则有下面的关系式成立 手+ 哮= 常数 ( 2 1 ) 式中，1 ，是平均流速；p 是静压；p 是流体密度。这一关系叫做伯努力方程。 如果在图( 2 1 ) 的截面a a 与最小截面b b 处的压力和流速分别标以下脚注l ， 2 ，则由式( 2 1 ) 可以得到 堕2 二蔓2 ：尘 2 1p ( 2 2 ) 由于流动是稳定的，因此从截面a a 流入的流体量与从截面b b 流出的流 体量必须相等，满足连续性方程 7 武汉理工大学硕士学位论文 向h q2 岛v 2 ( 2 3 ) 式中，呸是截面a a 的截面积，吗是截面b b 的截面积。显然由式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得到计算流量的公式。将流体分为可压缩和非压缩两种情况具体讨论。 2 1 1 非压缩性流体 由于非压缩流体密度是不变的，可以看作是恒定的。因此，式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 分别变成 谚一v 咖 芋5 2 亏 q = 吩弓 由式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 中消去h 时，得下式 幢2 端褊 若把理论得质量流量记做，则可表示成 = p a 2 v 2 - - - 0 2 忙2 p ( ( 州e , - 8 ) f ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 7 ) 或 = 觞 露2 p a p 亿 8 1 式中，a p = 局一岛，是压差；= 、i 乏五订，是节流孔径比，是节流装置的节 流孔径d 与管路直径d 的比，即口= d d 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 可压缩流体 绝热变化( 管道长而流速又较大时，工质流经管道所需时间极短，可近似当作 是绝热的) 。因此对于密度可以用于下面公式 寺2 常数 ( 2 9 ) 式中，k 为气体的绝热指数。 由式( 2 9 ) 和( 2 1 ) 可以得到 2 + k - l l 旦p = 常数 ( 2 1 0 ) 用式( 2 1 0 ) 代替式( 2 4 ) ，可得 孚= 剐t 俐“” 亿 另外，连续方程变成 或 ，、l 肚 会。 亿均 眦有h = ( 甜将该式代入龆t 2 m 可以得到 v 22麓厂”0 ，一生f 旦r 与非压缩流体相同，假定把理论质量流量值记做，则 9 ( 2 1 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 = 啦岛吨= 如( 卺 ”岛吃= 2 a 诘厂悯” ，卅伍r 由a 2 ( p l 一见) x r 币i 1 巧万，式( 2 1 4 ) 可以改写成 一_ 唑_ v 琴2 p l x p i i - p 4 ) 七k 一。一。j 。i ，；、，( t 一( 尝) 一4 7 ( 鲁 2 7 ，卅f 堕r ( 2 1 4 ) f 2 1 5 ) 式( 2 1 5 ) 的第二项表示流体压缩性的影响，是流经节流装置的流体的一般计算 式。 2 1 3 实际流体的流动与节流装置 从伯努力方程导出的节流装置的流体计算公式，在实际计算流量时有两个 问题。第一，实际流体是有粘度的；第二，节流面积与流体的最小流动面积不 致，压力取出位置与图2 1 的位置是不同。因此，应对流量计算式( 2 8 ) 和式( 2 1 5 ) 进行修正。把节流件的最小截面记作f o ，贝f j a 2 与f 0 的关系可表示为 a 2 = z f o( 2 1 6 ) 设前面导出的受流体粘度影响的流量与实际流量的比记做兄，考虑导式( 2 1 6 ) 。 则式( 2 8 ) 就变成 铲锄f o 鼢 ( 2 1 7 ) 五和z 无法由理论方法求得，其实验标定方法也十分困难，因此式( 2 1 7 ) 很难使 用。 式( 2 8 ) 求得的理论值与实际流量的比作为流出系数，有 i o 武汉理工大学硕士学位论文 = 吼薜 亿，s ， 式中，c 是流出系数，流出系数是很容易测得的。比如用一个节流装置，假如 用其他测量方法求出q 。，根据测得的f o ，卢，p ，z , p ，就可以决定c 值。 同理，可以推导出可压缩流体的实际流量计算公式。可压缩流体与非可压 缩流体的最小面积是不同的，对气体，其压降比液体的大。因此，若用 a 2 = z c f o 代替( 2 1 6 ) ，有 q m = z c f o 1 1 - - 岩4 ) 露k 一，一。j 。1 ，、， ( 鲁 。一。7 ( 鲁 2 7 ，。f 见r 令 靠= 五卵 式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 合并得 后薷鬲 ( 2 1 9 ) ( 2 2 1 ) 再使用在非压缩流体中导入的流出系数 一c e 。帅2 医, p ，： 式中，占叫做气体膨胀系数，它可由下式求得 r 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 跞 武汉理工大学硕士学位论文 占：益 z o - ，z ；p 4 ) 七k ，。乒。1 ，。，( - ( 鲁 ( 一7 ( 鲁 2 ：疗f 照r ( 2 2 4 ) 近与1 。对于文求里管，乞、z 大致等于1 ，式( 2 2 5 ) 计算值与实验数据符合的 程度很好，因此，对于大1 7 1 径喉部直径的圆锥形的文丘里管，气体膨胀修正系 数的计算可使用下式 卟叫”( 酬芈q 责每 l ，2 s ， 其中：z = 等 式( 2 1 8 ) 和( 2 2 3 ) 式导出的最后的计算公式，用下面的流量系数代替流出系 数时，可用下式表示 口= 兰专= c e ( 2 2 6 ) , 1 一口4 式中，口是流量系数，c 是流出系数，e = l l 一4 渐近速度系数。流量系数 也和流出系数系数一样可以用实验求得。根据上面关系，只要一个确定了，另 一个也可以计算了。对于小1 2 1 径喉部直径( d 5 r a m ) 的文丘里流量计，需要对该 流量计进行实验标定，将气体膨胀修正系数和流出系数统一起来，并令 口= 6 c ( 2 2 7 ) 式中，c 是流出系数，由实验标定出。流出系数被表示成节流孔径和雷诺数的 函数，如果节流孔径比一旦确定，流出系数就与雷诺数有关。另外 铲臀 上述流量计算公式用于计算质量流量的，体积流量吼可由q ，= p q ，获得。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 文丘里流量计设计 典型文丘里测量装置的核心部分是文丘里管。如前所述，文丘里管包括入 口圆筒段，收缩段，喉部，扩压段和出口圆筒段五部分。 图2 2 文丘里管的结构尺寸 由文献9 可以得知，文丘里管各个部分遵循如下设计原则： ( 1 ) 入口圆管段，出口圆管段的长度至少等于圆管直径d ： ( 2 ) 收缩段为圆锥形，连接进口段和喉部，其锥角度大小一般为2 l 度； ( 3 ) 喉部长度基本上等于喉部直径d ： ( 4 ) 扩张段为圆锥形，连接喉部和出口段，其锥角度大小一般为1 1 度； ( 5 ) 孔径卢值一般介于o 4 o 7 5 ； ( 6 ) 正常工作件下的雷诺数一般满足5 1 0 4 r e 1 0 6 选取孔径比= o 5 5 ；选定符合量程的差压变送器；因为该流量计正常使 用的流量为f 2 6 3 0 ) x 1 0 5 小3 h ，考虑到应该留有一定的测量余量，并且流量为 f 2 6 3 0 ) x 1 0 5 肌3 h 时流量值应该处于差压变送器较好的测量位置，所以还应 确定流量计的最大可测量值。 1 喉部直径大小，进口和出口段直径大小的确定 因为存在孔径比= d d ，所以关键问题在于确定喉部直径的大小。其限 制条件是文丘里流量计使用时所在管路对于流速大小的要求。根据计算流体力 学的相关理论及大量的工程实践可以判定该文丘里管的流动状态为不可压缩湍 流流动。 武汉理工大学硕士学位论文 2 使用迭选法选取喉部直径，先取一个数值，然后经过计算流体到外管的 流速值，看是否小于该流速上限值，并以此类推。同时应该考虑机械加工和焊 接能力。于是我们就得到了这个流量计的喉部直径d = 1 3 0 m ，进口、出1 2 1 段直 径d = 2 3 6 m 。 3 参考前面几条设计原则，可以通过设计求得整套文丘里管的结构尺寸。 表2 1 文丘里管结构尺寸图 参数名ddbll ll 2 参数值 1 3 0 02 3 6 0o 5 51 3 0 05 2 0 0 1 9 5 0 单位m mn l i nd dm mm mm m 2 3 本章小结 本章主要介绍了文氏里管的内部结构，对文氏里流量计的具体工作原理做 了详细的阐述，给出了具体的计算公式，同时结合水泥生产的实际条件，设计 了整套文氏里流量计的结构尺寸。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章p r o f lb u s - d p 智能化从站的硬件实现 3 1p r o f i b u s d p 总线技术 3 1 1p r o f i b u s 总线技术概述 p r o f i b u s 是世晃上第一个开放式现场总线标准，从1 9 9 1 年德国颁布f m s 标准( d i n l 9 2 4 5 ) 至今已经经历了l o 余年。其应用领域覆盖了从机械加工、工 程控制，电力、交通到楼宇自动化的各个领域。p r o f i b u s 于1 9 9 5 年成为欧洲 工业标准( e n 5 0 1 7 0 ) ，1 9 9 9 年成为国际标准( i e c 6 1 1 5 8 - 3 ) ，2 0 0 1 年被批准为 中华人民共和国工业自动化领域唯一的现场总线标准。p r o f i b u s 在众多的现场 总线中，以其超过4 0 的市场占有率稳居榜首。西门子公司提供上千种p r o f i b u s 产品，并已经应用在中国的许多自动控制系统中。 p r o f i b u s 由p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 、p r o f i b u s p a 系列组成。d p 用 于分散外设间的高速数据传输，适用于加工自动化领域。f m s 适用于纺织、楼 宇自动化、可编程控制器、低压开关等，通常应用于大范围、复杂的通讯系统。 p a 服从i e c l l 5 8 一标准，主要应用于过程自动化的信号采集以及控制，是专门为 过程自动化所设计的协议，可用于安全要求较高的场合。 p r o f i b u s 以i s 0 7 4 9 8 为基础，以开放式系统互联网络i s o o s i 作为参考模 型，定义了物理传输特性、总线存取协议和应用功能。其传输速率为 9 6 k b p s 一1 2 m b p s ，最大传输距离在9 6 k b i t s 下为1 2 0 0 m ，在1 2 m b i t s 小为 2 0 0 m ，在1 。5 m b p s 时为4 0 0 m ，可用中继器延长至l o k m 。最多可挂接1 2 7 个站点。 p r o f i b u s 传输介质和总线接口的选择是应用时最关心的问题，它对于不同 的传输技术定义了唯一的介质存取协议。r s 一4 8 5 是其最常用的传输技术。另外， 在电磁干扰强度很高的环境和高速、远距离传输数据时，p r o f i b u s 可使用光纤 传输技术。使用光纤传输的p r o f i b u s 总线段可以设计成星形或环形结构。市场 上已有r s 一4 8 5 传输链接和光纤传输链接之间的耦合器，实现了系统内r s 一4 8 5 和光纤传输之间的转换。 p r o f i b u s 提供了两种基本的介质存取控制：令牌传递方式和主从方式。 用这两种存取方式，p r o f i b u s 可以实现3 种系统配置：( 1 ) 纯主一从系统( 单 武汉理工大学硕士学位论文 主站) ，( 2 ) 纯主一主系统( 多主站) ，( 3 ) 两种配置的组合系统( 多主一多从) 。 3 1 2p r o f i b u s d p p r o f i b u s d p 是一种高速和便宜的通讯连接，使用了第1 层、第2 层( 即 物理层和数据链路) 和用户接口层，第3 层至第7 层未加以描述，这种流体型 结构确保了数据传输的快速和有效。它是专门为自动控制系统和设备分散的i o 之间进行的通讯而设计的。使用p r o f i b u s d p 模块可取代2 4 v 或4 2 0 m a 的串 联式信号传输，减少投资成本。直接数据链路映像( d d l m ) 提供的用户接口，使得 对数据链路层的存取变的简单方便，传输可使用r s 一4 8 5 传输技术或光纤媒体。 标准现场总线p r o f i b u s - d p 的硬件由主设备、从设备、网络网路等三部分 组成。其中主设备用以控制总线上的数据传输，且在没有提供外部请求时发送 信息和被授权可访问总线从设备是相对于主设备而言较为简单的外部设备，且 未被授权访问总线：网络网路如传输介质和网络链接器，前者用屏蔽双绞电缆构 成电气网络，用塑料或玻璃纤维光缆构成的光纤网络，或是基于两种媒介之间由 o l m 转换的混合网络：后者如r s 一4 8 5 总线连接器、r s 一4 8 5 总线终端、r s - 4 8 5 中 继器、光链路模块o l m 等。 3 i 3p r o f i b u s d p 通信协议及特点 p r o f i b u s d p 物理层与i s o o s l 参考模型的第一层相同，采用e i a - - r s 4 8 5 协议，根据数据传输速率的不同，可选用双绞线和光纤两种传输媒体。 5 ) 盱( 6 ) 图3 1r s 4 s 5 总线段结构图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 中两根数据线通常被称为a 线和b 线，分别对应r x d t x d n 和 r x d t x d p 信号。 p r o f i b u s d p 数据链路层协媒体访问控制( m a l ) 部分采用受控访问的令牌 总线( t o k e nb u s ) 和主从方式。其中令牌总线与局域网i e e e 8 0 2 4 协议一致， 令牌在总线上的各主站间传递，持有令牌的主站获得总线控制权，该主站依照 关系表与从站或其他主站进行通信。主从方式的数据链路协议与局域网标准不 同，它符合h d l c 中的非平衡正常响应模式( n 刚) 。其工作特点是：总线上一个 主站控制多个从站，主站与每一个从站建立一条逻辑链路；主站发出命令 ( c o m m a n d ) ，从站给出响应( r e s p o n d ) ；从站可以连续发送多个帧，直到无信 息发送、达到发送数量或被主站停止为止。数据链路中帧的传输过程分为三个 阶段：数据链路建立、帧传输和数据链路释放。 图3 2 中f 为帧标志字段( 8 位) 。a 为从站地址字段。控制字段c 表示帧 类型、编号、命令和控制信息，它将h d l c 帧分为三种类型：信息帧( 1 ) 、监 控帧( s ) 和无编号帧( u ) 。其中信息帧用于应用数据( u s e f u ld a t a ) 的传输并 捎带应答；监控帧用于监视链路上的正常操作，对链路状态做出各种响应( 如 认可帧、请求重传或暂停等) ；无编号帧( 不含信息字段) 用于传输各种元编号 命令和响应，例如建立链路工作模式，释放链路及报告特殊情况等。信息字段 由p k w + p z d 的应用数据构成，p k w 用于读写参数值，如写入控制字或读出 状态字等，一般为4 b 长，而p z d 用于存放控制器的具体控制值，设置站点或 状态字的参数，一般为2 1 0 b 长。例如，p k w = p 5 5 4 1 代表向变频器的主驱动 模块写入一个1 6 位的控制字，控制字的每一位都代表一种不同的控制含义； p z d 的第二个字节为0 群7 撑电机的起停控制位。f c s 是帧校验字段，它对整个 帧的内容进行循环冗余码( c r c ) 校验，该h d l c 帧最长可达2 4 b 。 11 甲1 0 平平雩秆0 l ll iif t l 拓喜事段挖制半段信喜事段 标寡半宵 图3 2 正常响应模式主站与从站间传输帧的格式 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 系统核心器件选取 3 。2 1p r o f i b u s 控制器s i e m e n sp r o f i b u sc o n t r o l l e r3 ( s p c 3 ) 1 s p c 3 功能介绍 s i e m e n 公司提供的p r o f i b u s 通信接口芯片s p c 3 是a s i c 系列芯片，它使 得价格低廉的智能化从站的实现成为可能。s p c 3 集成了o s i 模型的第1 层( 特 别是模拟传输r