（电气工程专业论文）gprs远程流量积算仪的设计.pdf

上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t r u n n i n gw a t e ri n d u s t r yh a sb e e nu n d e rc o n t i n u o u sp u z z l eo ft h eh i g hl o s sr a t eo v e ra l o n gp e r i o do ft i m e h i g l ld r o p o u tr a t ea m o n gt h e mi st h em a i nc a u s e t h e r e f o r e ，t h e e s t a b l i s h m e n to fr e a l t i m er e m o t es y s t e mm o n i t o t i n gf l o wc a p a c i t yc o n d i t i o ni n w a t e r - s u p p l yl i n ei st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e ef o rt h ei m p r o v e m e n to fl o w e rl o s sr a t e a n de n t e r p r i s e sb e n e f i t s a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n tw a t e rn e ts i t u a t i o no ft h er u n n i n g w a t e ri n d u s t r y , t h i sp a p e l p r o p o s e sar e m o t ef l o ws u r v e i l l a n c ea n dm e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e d o ng p r s t h et e r m i n a lu n i to ft h es y s t e mi sd e s i g n e d t h em a j o rw o r k so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so fb r o a dd i s t r i b u t i o n ，l a r g eq u a n t i t y , l o n gd i s t a n c e t ot h ew a t e r s u p p l yd e t e c t i n g ，t h i sp a p e r u t i l i z e st h eg p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt os e tu pas c h e m eo fr e m o t ef l o ws u r v e i l l a n c ea n d m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do ng p r s t h ei m p l e m e n to fs c h e m ei so fg r e a t s i g n if i c a n c eo nw a t e ri n d u s t r y 2 t h et e r m i n a lu n i to ft h es y s t e m r e m o t ef l o wt o t a l i z e r , i sd e s i g n e d t h i sp a p e r c o m p l e t e dt h em a i nc o n t r 0 1m o d u l e d a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i c a t i o n s m o d u l e ，t h ek e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l e ，p o w e rm o d u l e ，s o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e v e l o p m e n ta n dt h eo v e r a l ld e v e l o p m e n to ft h ee q u i p m e n t i ns i m i l a r p r o d u c t s ，c o m b i n i n gm a t u r ea d v a n c e dg p r sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g yw i t hf l o wt o t a l i z e ri st h ef i r s to fi t sk i n d 3 h a r tf i e l d b u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e df o r t h ef l o wt o t a l i z e ro f t h ep l o ti n s t r u m e n t ，a c h i e v i n gt h ef i e l df l o w m e t e ra u t o m a t i cf a u l td e t e c t i o n ， i m p r o v i n gt h eo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo fe f f i c i e n c ya n dl o w e r i n gt h es c r a p r a t eo ft h ef i e l df l o w m e t e r 4 i m p l e m e n t a t i o no ft h er e m o t ef l o ws u r v e i l l a n c ea n dm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e d o ng p r sh a sb e e na c h i e v e d m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do nc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e d o n 1 i n ed e b u gb e t w e e nf l o wt o t a l i z e ra n dc o n t r o l c e n t e ri nt h er e m o t ef l o ws u r v e i l l a n c ea n dm e a s u r e m e n ts y s t e mh a sb e e n c o m p l e t e d t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h eg p r sr e m o t ef l o w t o t a l i z e ri st h ek e yt ot h ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e m i ti st h ef u l f i l l m e n to fa r o l ea sb r i d g e i tm a n a g e st h ef i e l de q u i p m e n tt h r o u g hi t sc o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n a n du p l o a d si n f o r m a t i o no ft h ef i e l dw a t e rn e t w o r kt of l o ws y s t e m c o n t r o lc e n t e ra tt h es a m et i m e i tr e a c h e sp u r p o s e so fr e m o t ed a t ac o l l e c t i o na n d m o n i t o r i n gf l o wo fw a t e rn e t w o r k k e y w o r d s ：g p r s ，f l o ws u r v e i l l a n c ea n dm e a s u r e m e n t ，f l o wt o t a l i z e r , h a r tb u s ， f a u l td i a g n o s e v i 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：雄导师签名：j 啦日期： 2 0 0 & c 3 上海大学工程硕七学位论文 1 1 课题背景及目的 第一章绪论 本文的课题来源是由世界银行贷款的亚美尼亚首都y e r e v a n 城市流量监测系统项 目。 随着城市规模的不断扩大，城市的供水管网如同密集的蜘蛛网一般遍布城乡的各个 角落。长期以来，供水损失率偏高一直是困扰自来水行业的难题。建设部发布的2 0 0 0 年技术发展纲要中规定供水损失率不能大于8 ，但实际上许多自来水公司的损失率都 在2 0 3 0 之间。探究自来水行业供水损失率居高不下的原因，主要有：新老管网交错、 各水厂的供水能力或各地区消耗水资源的能力差别所造成的管线自然损耗、流量监测仪 表的测量精度过低、人为偷盗水资源等。 城市供水网具有分散且无人值守的分布特点，因此建立供水管线流量状态的远程实 时监测系统是降低供水损失率、提高企业效益的有效保证。本文根据自来水行业水网的 现状，采用当今成熟且先进的g p r s 无线通信技术，来构建基于g p r s 的远程流量监测 系统的方案( 如图1 1 所示) ，设计并实现了该系统的远程终端单元g p r s 流量积算 仪。 电磁流量计g p r s 远程流量积算仪 图卜1g p r s 远程流量监测系统示意图 1 2 国内外研究现状 监控中心 1 2 1 水网流量监测系统的特性与发展现状 一般说来，水网流量监测系统具有以下共同的特性： 数据采集点分散，数据采集点之间的距离跨度有时会超过好几百公里； 各个采集点之间的工作环境差异可能很大，一些数据点在繁华的市中心，而另 上海大学t 程硕 ：学位论文 一些数据采集点在偏远的山区； 数据采集点的数据量很少，一般一个采集点只有1 到2 个数据，而单个数据点 的数据量最多不会超过4 个； 系统对数据的实时性要求不高，在一般的水网流量监测系统中，数据采集的周 期为1 0 分钟左右。 目前在整个水行业中，实施水网流量监测系统的企业所占的比例并不是很高。现已 采用水网流量监测系统的自来水公司大多位于直辖市、省会城市或经济发达地区，如上 海、广东和江浙等地区。 1 2 2 现有水网流量监测系统的不足之处 通过对水行业现有的监测系统进行调查，发现这些监测系统主要存在着以下不足之 处： 夺监控中心：已采用的国外软件并不完全符合国内水行业的应用特点，而专用软 件开发的周期过长，且系统升级较为困难； 令流量传感器：现场仍大多采用水表，测量精度过低，不符合水行业发展的需求； 夺通信技术：作为主要的通信媒介，目前普遍使用的无线电台不仅在通信质量上， 而且在覆盖范围上，都已跟不上现代城市的发展。 1 2 3 国内外远程终端单元流量积算仪的分析比较 考察国内外同类流量积算仪，国内产品以f c3 0 0 0 智能流量积算仪为例，其性能特 征如下： 测定流量输入信号： 模拟流量信号( a i ) ：4 - - 2 0 m ad c i 频率流量信号( f ) ：矩形波形、正弦波形、三角波形( 频率：1 - - 1 0 ，0 0 0h z ) 1 流量再发送模拟输出信号( 与主机隔离) ； 显示能力：6 位l e d 显示。测量时显示累积流量、瞬时流量； 通信方式： 通信接口：e i a r s 4 8 5 或r s 一2 3 2 串行接口( 光电隔离) ： 令通信速率：可选( 9 6 0 0 、4 8 0 0 、2 4 0 0 、1 2 0 0 波特) ； e 海大学工程硕士学位论文 令传输介质：双绞线； 国外产品以德国e + h 公司生产的p r o m a g5 0 5 3 w 电磁流量测量产品为例，它可 以应用于所有最小电导率_ _ _ 5 9 s c m 的液体，如饮用水、污水、废水污泥等。其性能特征 如下： 维护简单，现场标定无需拆下传感器，设备维护最优化； 用于现场直接通信的快速设定菜单； 标准h a r t 现场总线接口，和p r o f i b u s 现场总线接口； 可以和多种过程控制系统的通信接口相连。 与国产f c 3 0 0 0 积算仪还需配套数据采集模块相比，p r o m a g5 0 5 3 w 电磁流量计将 数据采集模块( 完成流量信号采集功能) 与流量积算模块整合在一个仪表中，增加了集 成度；测量范围广，测量精度高，有利于提高过程控制质量；通信功能较为丰富，可以 方便的组成现场总线网络。其缺点是价格较高，成本难以控制。 目前，国内流量积算仪功能一般已比较齐全。例如，瞬时流量和累积流量计算与显 示功能、小信号切除功能、断电保护功能、定时抄表功能、实时时钟、远程通信功能等。 然而接口都比较单一，一般只具备常用的与监控中心通信接口，如r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 等， 通信距离受限，这对大范围铺设网络点带来了不便和限制。而且大部分积算仪还不能跟 现场流量仪表进行通信。针对这两个缺陷，本文提出了g p r s 无线通信和h a r t 总线 通信的方案。 1 3 本文研究内容 针对国内外现状，本文构建了基于g p r s 网络的远程水网流量监测系统( 以下简称 “g p r s 远程流量监测系统”) 方案。该方案根据水行业特点，成功地在流量测量领域引入 了g p r s 通信概念。g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的缩写， 是在g s m 基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式。本文利用g p r s 网 络作为通信平台，重点开发了采用g p r s 网络的远程流量积算仪，以完成水流量监视控 制与数据采集，以及流量仪表的信号与监控中心之间的通信。并把h a r t 现场总线通 信技术应用于自行研制的远程流量积算仪中，实现了现场流量仪表故障的自动检测功 上海大学工程硕士学位论文 能。 1 4 本文章节编排 本文按以下方式编排： 第一章介绍了课题背景、水网流量监测系统及其流量积算仪的特性与研发现状，分 析了现有水网流量监测系统的不足，给出了g p r s 远程流量监测系统方案构架，对本文 的研究内容进行了概括。 第二章分析了流量监测系统的设计要求，对超短波、g s m 和g p r s 三种通信方式 的性能进行了比较。采用g p r s 无线通信技术，构建了基于g p r s 网络的远程流量监测 系统的方案，对系统监控中心、远程终端单元和现场流量仪表等组成部分作了分析，为 进行g p p s 远程流量积算仪的研制提供了应用平台。 第三章分析了g p r s 远程流量积算仪的功能需求和原理。提出把流量积算仪与 g p r s 模块合并起来，并冠以g p r s 流量积算仪的名称进行研究与开发，还给出了g p r s 流量积算仪的总体结构。 第四章完成了g p r s 远程流量积算仪中各个模块的软硬件设计和整体设备的研制， 包括主控模块、数据采集和通信模块、键盘和显示模块、电源模块等。还介绍了h a r t 现场总线通信对流量仪表故障诊断的智能支持。 第五章通过对水网监测系统需求和特点的分析，建立了数据库模型并通过数据库引 擎实现对数据库的访问。采用s i p a l 2 0 0 0 组态软件为监控中心的开发软件，以编制人机 界面和报表。采用w i n d o w sv c 程序语言编写基于w i n s o c k 技术的通信程序，以解决移 动公网与互连网之间的数据传输。还完成了远程流量监测系统中流量积算仪与监控中心 的联机和调试。 第六章对本文的研究工作进行了总结，并指出了远程流量监测网络改进和发展的方 向。 上海大学工程硕十学位论文 第二章g p r s 远程流量监测系统的构建 2 1 流量监测系统的设计要求 以本课题来源世界银行贷款的亚美尼亚首都y e r e v a n 城市流量监测系统项目为 例，流量监测系统的设计要求可归纳如下： 对城市水网的原水、出厂水、各级泵站的出口和大用户的水流量进行计量并做 好流量记录； 需要采集的数据点共有1 0 5 个点，且分散在数百平方公里的范围内； 通过友好的人机界面对各监测点的流量和压力进行显示； 遇到故障情况能够及时报警； 对采集到的历史数据进行数据管理。 2 2 远程流量监测系统通信方式的选择 在城市供水监测系统中，由于各管网监测点分布广、数量多、距离远，且个别监测 点还地处偏僻，架设、铺设电缆难度大。如果向电信部门租用专用电话线，则需申请多 门电话线，而且有些监测点处于线路难以到达位置。再加上利用电话线路时需要等待漫 长的电话拨号过程，速度慢，运营成本较高。由此可见，监测系统如果采用有线通信方 式，存在建设周期长、工作难度大、运行费用高等问题，不便于大规模使用。 与有线方式相比，无线通信方式则显得非常灵活，它具有投资少、建设周期短、运 行维护简单等优点。对于无线通信方式，本文主要在无线超短波、g s m 和g p r s 这三 种方式之间进行比较选择。 无线超短波可用于点对点或单点对多点的工作环境，它提供的标准接口可直接与计 算机、r t u 、p l c 等连接，从而实现透明传输。传输速率为1 2 0 0 - - 一1 9 2 k ，频点间隙为 2 5 k ，采用工业频段2 3 0 m h z 或4 0 0 m h z ，具有接收灵敏度较高、技术成熟的优点。组 网时需根据实际环境架设天线，中心站一般要求2 0 , - 一3 0 米，分站为1 0 米左右。超短波 受电台数量的限制适合小规模应用。采用这种方式时，监控中心与各监测点之间需要架 设微波网络来实现大容量的数据传输。 气 上海大学工程硕士学位论文 g s m 短信( s m s ) 是利用g s m 网络来实现数据采集设备、手机终端与监控中心之间 的通信。这种方式往往用于数据流量较小、或遇异常需报警的情况，具有费用低的优点。 g p r s 是移动通信网中的一种新技术，它完成了无线i n t e m e t 接入。g p r s 在数据 传输时，将数据封装进每个分组，网络容量仅在需要时才分配，一旦分组完成发送任务， 信道容量立即释放。g p r s 通过即时连接和高效传输，实现了实时在线的功能。g p r s 还具有传输数据不受地形或地域的限制的优点。从经济上考虑，g p r s 按照数据流量计 费，平均费率低，适合大规模应用。因此，g p r s 是一种高效、经济的分组数据技术。 以g p r s 作为水网流量监测系统中的通信信道，与现有的超短波和g s m ( s m s ) 相 比，具有以下优点： ( 1 ) 覆盖范围广 构建水网流量监测系统要求数据通信覆盖范围广、扩容无限制、接入地点无限制， 能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。若采用超短波通信方式，覆盖范围只有3 0 多 公里。而采用g p r s 方式，理论上在无线g s m g p r s 网络的覆盖范围之内，都可以实 现监控，易组成大网络。当管网监测点数量众多，系统往往要求能满足突发性数据传输 的需要，而g p r s 技术能很好地达到这些要求，只需增加监控中心与移动通信网络的带 宽，比如采用d d n 专线等。 ( 2 ) 中心站可根据需要设定 中心站可设在自来水公司，也可设在主要的生产厂或管理局。 ( 3 )通信速率高( 目前网络提供2 0 k b i t s ) 、实时性好、数据传输速率高 g p r s 网络传送速率理论上可达1 7 1 2 k b i t s ，实际应用时数据传输速率在4 0 k b p s 左右，而目前一般的超短波数传电台传送速率多为2 4 k b i t s 或更低。 ( 4 )通信稳定可靠、抗干扰能力强、几乎无障碍物阻隔的问题 g p r s 具有良好的实时响应与处理能力。与短消息服务比较，由于g p r s 具有实时 在线的特性，系统无时延，能时实时收取、处理多个或所有监测点的各种数据，无需轮 巡就可以同步监测，可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。 ( 5 )性价比高 按目前的收费标准，如果每个监测点每2 分钟上报一次数据，其每监测点运行费用 e 海大学工程硕七学位论文 为6 0 0 元年左右，而每7 8 分钟上报一次数据，每监测点运行费用为3 6 0 元年左右。 g p r s 的建设成本也较低，由于可充分利用现有g s m 网络，设备安装即可接通，而采 用超短波通信时需要充分考虑现场环境，要先进行现场信号测试，还需要配备天线铁架 等附属设备，天线方向角度调试等安装的工作量也较大。 经过比较分析( 如表2 1 所示) ，本课题选择中国移动的g p r s 系统作为水网流量 监测系统的数据通信平台。目前，g s m 网络经过电信部门的多年建设，覆盖范围不断 扩大，已成为成熟、稳定、可靠的通信网络，特别是中国移动新推出的g p r s 数据业务。 g s m g p r s 系统可提供广域的无线m 连接，因此在移动通信公司的g p r s 业务平台上 构建水网流量监测系统，实现管网监控点的无线数据传输具有可充分利用现有网络，缩 短建设周期，降低建设成本的优点，而且设备安装方便、维护简单。本课题所研究的 g p r s 远程流量监测系统是在超短波系统上发展而来的，在外形上与超短波系统相同， 只是在结构上将超短波模块换成g p r s 模块。 表2 1 无线超短波、g s m 和g p r s 三种通信方式性能比较 淡 超短波( g s m ) 短信 g p r s 性能比较 传输速率 1 2 0 0 1 9 2 k 每条1 4 0 b y t e 高速 高速 传输距离1 0 k m 内可靠传输不受限( 网络覆盖范围内) 覆盖范围限制受地理环境基本无缝连接无缝连接 采用上业频段、需另增 每月3 0 元，2 0 0 0 条 传输费用费用低0 0 1 元1 k 数据 加微波管理费用短信 实时性 实时性高实时性较高实时在线 可靠性 一般 高 工业频率2 3 0 删z 或 频率 9 0 0 m h z 、1 8 0 0 删z9 0 0 n t z 、1 8 0 0 m h z 4 0 0 m h z 抗干扰较好抗干扰能力强 每台从站3 s 左右，从不受限制( 基站负载能 从站数目不受限制 站越多轮巡时间越长 力范围内) 灵活方便，适合大规模 组网方式适合小规模应用可作为备用通道 应用 上海大学工程硕上学位论文 2 3g p r s 远程流量监测系统的组成及功能 g p r s 远程流量监测系统通常由一个监控中心和若干个远程终端单元( r t u ) 以一定 的通信信道构成，系统还包括现场流量仪表。图2 - 1 是g p r s 远程流量监测系统结构图。 系统监控中心通过g p r s 通信平台向现场流量仪表发送控制及配置信息，同时接收现场 流量仪表的数据及状况信息。g p r s 远程流量积算仪是介于现场流量仪表和远程系统监 控中心之间的接口，其功能实际上是一种智能型的二次显示控制仪表。当g p r s 远程流 量积算仪通过电缆接收来自测量现场的流量仪表的脉冲信号或模拟信号后，通过内部的 信号变换和积算处理，得到瞬时流量值和累积流量值，并在其数字显示面板上将该测量 值显示出来。g p r s 远程流量积算仪还可以将测量值变换成各种类型的隔离标准电流或 电压信号输出，提供给其他仪表或计算机使用。通过该系统可以对分散在各处的管网进 行实时的流量信号监控，及时发现水网供水量异常情况，并分析原因加以调整，最大限 度地减少水量损失，提高制水效率。 j 图2 - 1g p r s 远程流量监测系统结构图 2 3 1 监测系统监控中心 监控中心如同人类的大脑，集中控制和指挥着整个监测系统的运行。计算机、通信 主台、打印机等是监控中心所必需的硬件设备。 计算机的功能是运行监测系统软件( 常称作监控中心软件) 。既可以使用p c 微机， 也可以使用工控计算机，还可以将多台计算机组成计算机网络，实现数据共享。通信主 机的功能是和监控系统的各个数据终端( r t u ) 进行数据通信，它的基本部件包括电源、 通信设备等，可选部件包括模拟屏、投影仪、多屏卡、分频卡、触摸屏等，这些可根据 实际需要选用。在监控中心运行的监测系统软件是整个系统的灵魂，是至关重要的部分。 近来国内外许多厂家都推出了基于w i n d o w s 的s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a a c q u i s i t i o n ) 的组态软件。通过这些软件平台，可以完成与给排水调度相关的数据采集 r 上海大学工程硕上学位论文 ( 提供了与多种p l c 或其它智能设备通讯驱动程序、动态数据交换d d e 功能及对象链 接和嵌入o l e 技术等) 、数据处理、数据显示和数据记录等工作。组态软件还具有良好 的图形化人机界面，具备趋势分析和控制功能，为给排水优化调度、节能降耗提供了尽 善尽美的手段。目前存在的主要问题是没有专为给排水自动化的国产监控组态软件问 世，而通用组态软件的购置价格较贵，数据格式不统一，应用单一且无法实现资源的共 享。 2 3 2 监测系统远程终端单元( r t u ) r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 是一种远程终端单元装置，负责对现场工业设备的监测 和控制。它一般由数据采集、数据通信、直流稳压电源三大部分组成。近年来水网流量 监测系统的r t u 已形成以下几种模式：p c + p l c ，国外的p c + r t u ，p c + 单片机模式等。 p l c 具有可靠性高，编程方便等特点，在逻辑控制、过程控制、数据采集与控制等复杂 积算方面具有很大的优越性，因此它在自来水制水工艺的净水过程控制、二级或多级泵 站的应用中，具有无可比拟的优势。可是，在水网流量监测系统的应用中，由于数据采 集量少，使用p l c 就显得性价比不高。通过十几年来的实践，单片机模式已构成水网 流量监测系统中远程终端r t u 的主流。目前各自来水公司所应用r t u 的主流技术为 a t 8 9 c 5 2 、w 7 7 e 5 8 、8 0 c 1 9 6 单片机。较p l c 和进口r t u 相比，单片机价格较低。这 对大多数资金缺乏而应用较为简单的自来水企业而言，他们易于接受这种模式。目前存 在的主要问题是国内各厂家用单片机构成的r t u 仅支持r s 2 3 2 、r s 4 8 5 ，无线通讯信 道采用2 3 0 m h z 通讯，很少考虑其它高效率通讯方式及通信协议的接口应用问题。 与常用的可编程控制器p l c 相比，r t u 通常要具有良好的通信能力和较大的存储 容量，适用于比较恶劣的温度和湿度环境，并能提供更多的计算功能。 虽然市场上r t u 的种类很多，但国产的r t u 只能支持有限的通信功能。有线方式 主要有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、r s 4 2 2 、电流环等几种标准，无线传输设备主要由无线调制解 调器和电台组成，而对于g p r s 这种较新的通信方式，市场上还没有相应的支持产品。 因此本文把g p r s 通信终端和流量数据采集仪合成g p r s 流量积算仪，即本系统所需的 一种特制的r t u 。有关g p r s 流量积算仪的研制情况本文后面章节将作专门研究。 上海大学工程硕士学位论文 2 3 3 监测系统远程现场流量仪表 现场流量仪表是完成监测过程的第一步，是将被测物理参量信号转换成电信号的过 程。常用的现场检测仪表有压力仪表( 水压表、气压表) 、液位计、流量计、电压变送器、 电流变送器等。其中流量仪表的种类有很多，除了日常生活中使用的水表外，目前国内 自来水公司的流量仪表大多选用了电磁流量计、超声流量计和涡轮流量计。水网在安装 流量仪表时，管径较大的情况下( 一般大于d n 2 0 0 ) 多选用电磁流量计，而小口径则选用 旋翼式的水表。这种现象正在逐步发生变化，比如在华南地区，广东潮汕、南海等地的 自来水公司为提高计量精度、减少水损、减少旋翼式水表故障引起的水费纠纷，在小管 径的总表计量上开始大规模选用电磁流量计。 自来水公司在选用流量仪表时的主要考虑因素，有仪表性能( 测量精确度、范围度 和压损) 、水质的适应性、安装维护和经济性。 测量精确度：计量用流量仪表涉及到贸易核算或收费的损失，一般精度越高越 好。水表的精度为2 5 测量值误差，涡轮流量计测量精度达到o 5 一1 测量值误差，电磁流量计达到o 3 - - - 0 5 测量值误差。 范围度：用水量差别大时( 白天夜晚，冬天夏天) ，要求范围度宽，否则在夜晚 或淡季小流量时不计量或计量误差大会给企业带来损失。 压损：通常仪表压损大则要求泵的功率大，泵送负载大，因此水厂就要负担高 昂的日常泵送能耗费用，而建设者( 或承包者) 往往并不考虑到这些费用。 水质的适应性：测量原水时，当水中含有杂质时，涡轮流量计和机械式水表由 于在测量管内含有阻流元件( 即涡轮和水表的叶轮) ，杂质易附着涡轮和叶轮， 会带来较大测量误差，同时也容易损坏测量元件，因此通常只能用于经过处理 的出厂洁净水。电磁流量计的测量通道是一段无阻流检测件的光滑直管，因不 易阻塞而适用于测量含有固体颗粒或纤维的液固二相流体，如纸浆、煤水浆、 矿浆、泥浆和污水等。 安装维护：安装要求涉及到现场是否有安装空间，比如涡轮流量计要求流量计 前留l o 倍直管段，后面留有5 倍直管段。涡轮流量计为防止脉动流动或管道 振动影响，还要采取缓冲隔离等安装设计上的措施等，因此比较复杂。维护工 上海大学工程硕士学位论文 作包括维护工作量，易损件更换，精确性定期校准等。涡轮流量计等因有高速 旋转的涡轮，维护工作复杂，工作量大。 经济性：经济性包括计量损失、运行费用、初装费用。水行业过去选用流量仪 表时，往往把仪表初装费用放在很重要的地位，而现在用户已经认识到，只考虑 仪表购置费是不全面的，用于商贸核算还应比较测量误差造成的经济损失等。 在众多电磁流量计供应商中，本文选用上海光华爱而美特仪器有限公司提供的电磁 流量计i f m 4 0 8 0 ( i f s 4 0 0 0 + i f c 0 9 0 ) 。该款产品在国内水行业的应用率高达7 0 ，拥有良 好的声誉。产品由德国引进生产。其中转换器i f c 0 9 0 为德国k r o h n e 公司原装进口， 其技术水平与目前国外主流电磁流量计同步，而价格只是原装进口产品的一半，与国内 产品的价格大致相当。i f c 0 9 0 转换器的工作电源为2 4 v a c d c ，输出接口为定标脉冲 输出( 表征累积流量) 和4 2 0 m a 电流输出( 表征瞬时流量) ，数字通信接口选择 h a r t ( h i g h w a y a d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r ) 总线。 2 4 本章小结 本章根据流量监测系统的设计要求，在分析比较超短波、g s m 和g p r s 三种通信 方式性能的基础上，采用g p r s 无线通信技术，构建了基于g p r s 网络的远程流量监测 系统，对系统监控中心、远程终端单元和现场流量仪表等组成部分作了分析和选型，为 进行g p p s 远程流量积算仪的研制提供了应用平台。 上海火学工程硕士学位论文 第三章g p r s 远程流量积算仪的功能需求和原理 从前面的分析可知，g p r s 远程流量积算仪由流量积算仪和g p r s 收发器 组成，具有控制积算和监测现场流量仪表的功能。g p r s 远程流量积算仪是现 场流量仪表和系统监控中心之间的枢纽，是g p r s 远程流量监测系统的关键。 现场流量仪表和g p r s 模块都有性价比较高且较为成熟的产品可以选用，而开 发具有自主知识产权的g p r s 远程流量积算仪就显得十分重要。 3 1g p r s 远程流量积算仪的功能需求 流量仪表把介质内部流量等物理量转变为电信号，电信号的输出方式有多 种，可概括为： 夺以4 2 0 m a 输出的模拟量； 以频率量形式的输出： 令以h a r t 现场总线方式输出的数字信号，此数字信号是f s k 信号，经过 h a r tm o d e m 调制后，叠加在4 - - - 2 0 m a 的模拟量上； 令以r s 4 8 5 总线方式输出，不需经过调制，是直接的数字信号。 一台或多台电磁流量计可由h a r t 总线和4 8 5 总线连成网络，并由一台流 量积算仪进行管理。流量积算仪可以把电磁流量计传输入的模拟信号转变为数 字信号，也可将其h a r t 信号进行解调，根据得到的数据进行累积计算、报警 处理等。流量积算仪还可以把相应的结果通过数据收发器送往系统监测中心主 机，也可以将系统监测中心主机送来的管理控制命令等通过r s 4 8 5 总线( 或将 其调制为h a r t 命令) 送往电磁流量计对其进行控制。 数据收发器可根据具体情况选用有线通信和无线通信。有线通信可选取 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 等多种形式；无线通信可选用目前已较为成熟的g p r s 通信。 g p r s 远程流量积算仪应实现以下功能： 既能接收现场流量仪表直接输出的模拟量和频率量信号，又能接收现场流 1 2 上海大学工程硕士学位论文 量仪表通过h a r t 总线和4 8 5 总线输出的数字量信号；还应有r s 2 3 2 串 行接口，以备系统调试之用； 使用4 - - - - 2 0 m a 模拟量来记录瞬时量、脉冲计数来记录累计量； 可对所接的现场流量设备，即流量计进行参数设置，并可以对接收的现场 过程变量进行必要的计算；可显示即时流量数据和各项设置参数。将采集 到的现场数据以t c p i p 数据包的形式发送到监测中心； 能定时向系统监控中心发送流量信息，以便管理操作( 由监测中心控制) ； 也可随时响应监测中心发出查询请求，将查询时刻的数据发给监测中心； 遇到异常情况时可立即向监测中心报警； 可记录停电时间和停电时的相关参数，且当供电恢复时，原先设置的各项 参数仍然有效无误。 3 2g p r s 远程流量积算仪的原理分析 图3 1 是g p r s 远程流量积算仪硬件设计结构图。g p r s 远程流量积算仪通 过a d 转换模块、频率量转换模块、h a r tm o d e m 和r s 4 8 5 收发器，对现场 流量仪表采集的模拟量、频率量和数字量等信号进行处理，再通过r s 2 3 2 串口， 由g p r s 收发模块与监控中心进行数据传输与通信。为了便于仪表的多用和扩 展，本设计采用模块式而不是单板式结构，主要分为三个模块：主板c p u 模块、 流量仪表信号输入模块、g p r s 无线收发模块。 模拟量h 转缌块卜 r s 2 3 2g p r s 收发 现 模块 场频率量上j 频率量l 检 转换模块厂主控 l c d 测 h a r t 模块 仪 。淑线 h a r t l 显示l 表 叫m o d e mr + 且$ 4 8 5 r s 4 8 5 l t 三 、jl j 1 ： 收发器r 图3 1g p r s 远程流量积算仪的结构图 f = 海大学工程硕士学位论文 流量仪表信号输入模块主要任务是把现场仪表输入的电信号转换成数字信 号。对供水调度来说，流量累计计量非常重要。该模块采用的处理方式为：电 磁流量计每流过单位体积的水量，就输出一个脉冲信号( 脉冲宽度可调) ，当流 量积算仪捕捉到脉冲信号，就触发一个事件，累d n , f i | 应的变量，再乘以单位流 量，就是累计流量；电磁流量计的脉冲输出与流量积算仪的脉冲输入，电磁流 量计的电流输出分别与流量积算仪的电流输入相连。 g p r s 通信模块的透明模式是适用范围最广、通用性最强的一种工作方式。 在透明方式下，设备直接将串口收到的数据以t c p i p 的数据包形式进行打包发 送，不对数据进行解析和修改，数据的封装和解析分别由后端采集终端和前端 数据中心的相关服务器进行处理。被传送的数据是流量积算仪事先与监控中心 应用服务程序约定好的，与g p r s 通信模块无关。 g p r s 无线收发模块用来完成和监测中心或其它设备的数据通信，把监控 中心计算机发送来的控制信息转换成相应的电信号，输送到相应处理单元以完 成控制过程。报警记录、事件记录以及一些带时标的参数都需要写入主调度中 心的数据库中。因此，所有的远程管网监测点和各水厂都必须保持时间的精确， 并确保与系统监测中心同步。 3 3 本章小结 本章分析了g p r s 远程流量积算仪的功能需求和原理。在基于g p r s 网络 的远程流量监测系统的开发过程中，流量积算仪的开发是核心，也是难点之所 在。本文将流量积算仪与g p r s 模块合并起来，并冠以g p r s 流量积算仪的名 称进行研究与开发，任务重、工作量大。下一章节将完成g p r s 流量积算仪软 硬件的设计。 1 4 h 海大学t 程铆l 学位论文 第四章g p r s 远程流量积算仪的软硬件设计 流量积算仪是二次仪表，在数据采集过程中，起到了非常重要的作用。从 前面的分析中可以看出，系统设计的关键在于满足通信的要求，而在流量积算 仪中，需要增加p d d 转换芯片、h a r t m o d c r o _ 、r s 4 8 5 2 3 2 转换芯片、键盘以 及l c d 显示等外围模块。考虑到c p u 的速度、存储性能、时钟和累积计算功 能，还需增加实时时钟芯片和e e p r o m 芯片等。由于g p r s 无线收发技术已较 为成熟，可直接采用m 2 2g p r s 模块，以缩短开发周期和减少开发任务。本文 研制的d j k m 1 0 1 型g p r s 远程流量积算仅的实物图如图4 1 所示。本章将对 该积算仪的各个模块进行分析和设计。 倒4 1d j k - m 1 0 1 型g p r s 近程沭量积算倥的实物图 4 1g p r s 远程流量积算仪的主控模块设计 4 1 1 主控模块的电路板设计 主控模块的结构图如图4 - 2 所示，其中采用微控制芯片a t 8 9 c 5 2 作为主控 芯h ，实时时钟芯片d s l 2 c 8 8 7 能为g p r s 远程流量积算仪提供精确的时间 并实现定时抄表的功能；存储芯片a t 2 4 c 2 5 6 用来存储流量的历史信息、保护 j 上海大学工程硕士学位论文 断电或停电情况下的瞬时流量信息；液晶显示器和键盘是重要的人机接口； h a r t 总线接口用于流量仪表的故障检测；当电压低于2 1 v d c 时，电源检测模 块会向主控芯片a t 8 9 c 5 2 发出不可屏蔽中断信号，避免电压过低时影响采集信 号的精确度。图4 3 和图4 4 分别是主控模块电路原理图和电路板实物照片。 竺堡! l 囹 巫围 r s 4 8 5 接口 键盘i l 显示 接1 2 1ll 接1 5 1 主控单片机 a t 8 9 c 5 2 图4 2 主控模块结构图 图4 3 主控模块电路原理图 1 6 黑三一 t 海太学i 程 位论盘 圈44 主控模块电路扳实物照片 4 1 2 主控芯片a t 8 9 c $ 2 工作电路 主控芯片a t 8 9 c 5 2 是流量积算仪的核心( 参见图4 5 ) ，它是个低电压、 高性能c m o s 八位单片机，片内含8 kb y t e 的可反复擦写的f l a s h 只读程序存 储器和2 5 6b y t e 的随机存取数据存储器( r a m ) ，a t 8 9 c 5 2 有4 0 个引脚，3 2 个 外部双向输人瑜出1 i 0 ) 端口，同时内含2 个外中断口，3 个1 6 位可编程定时计 数器，2 个全双工串行通信i ：_ _ | ，2 个读写口线。表4 1 是a t 8 9 c 5 2 的主要功能 特性，图4 - 6 是它的丁作电路图。 表4 - 1a t 8 9 c 5 2 的主要功能特性 兼容m e s 5 1 指令系统8 k 可反复擦弓( 1 0 0 0 次) f t a s hr 。m 3 2 个般向i 0 口2 5 6 x 8 b i t 内部r 洲 3 个1 6 位可编程定时计数器中断时钟频率0 2 4 蛐z 2 个串行中断 可鳊稗u a 6 t 串行通道 2 个外部中断源共6 个中断源 2 个读写中断口线3