（计算机应用技术专业论文）基于光纤柜位计的多参数气柜监测方法和技术研究.pdf

中文摘要 煤气柜在能源工业和钢铁工业中应用很广，保证煤气柜的安全运行对安全生产具有重 要意义，但目前尚未见到完善的气柜安全运行系统。为了解决这个问题，本文从l 临拧系统 用户需求与功能分析入手，结合当前飞速发展的光纤传感技术、计算机软件、硬件技术、 智能仪表技术、自动控制技术和通讯技术，开发了一套使用光纤柜位计的气柜监测系统。 本系统由于采用了本质安全的光纤传感器技术，现场完全避免了电信号的引入，在安全上 有可靠的保障。 钟对于式气柜实际情况，基于工业自动化组态技术和计算机监测技术，我们构建了现 代化监测系统。它在结构上采用集散控制型系统结构，单片机构成系统底层控制站，光纤 传感器和智能化仪表完成对煤气柜现场的各种数据采集和过程控制，工业控制计算机构成 系统的操作站。上位机采用组态功能强大、操作简便的“组态王”软件进行过程组态，完 成数据显示、人机界面操作和对整个工艺、控制系统的管理和报表打印等功能；上位机与 下位机之间的通讯系统采用d d e ( 动态数据交换) 通讯技术和v b 串口数据采集技术。 整个系统实现了自动监测、显示、报警、打印等功能，且具有较好的扩展性和可维护 性，可以稳定、可靠地运行，使操作人员能实时掌握活塞的倾斜情况，并能及时控制进出 气速度，防止出现较大幅度的活塞倾斜，从而避免事故发生。该系统降低了工人的劳动强 度，提高了管理水平，具有很好的工程推广性。 关键词：光纤传感器，光纤柜位计，干式气柜，监控系统，组态，数据采集 a b s t r a c t g a sh o l d e ri sv e r yp o p u l a ri ne n e r g yi n d u s t r ya n di r o n s t e e li n d u s t r y t oe n s u r ei t w o r k i n gs a f e l yi sv e r yi m p o r t a n t h o w e v e rt h e r ei sn o tam a t u r em o n i t o r i n gs y s t e ma p p l i e di n t h i sf i e l dp e r f e c t l y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i st h e s i sp u t sf o r w a r da no n l i n em o n i t o r i n g s y s t e mt h a ti n t e g r a t e dd i f f e r e n tt e c h n i c a ls u b j e c t s ，s u c ha so p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ， a d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sb o t hi nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h et e c h n o l o g i e so fi n t e l l i g e n t i n s t r u m e n t ，a u t o - c o n t r o la n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y o p t i c a lf i b e rg a u g ei si n t r o d u c e d ，i t s n o n - e l e c t r i c i t ys i g n a la tm e a s u r i n gs i t ew i l lp r o v i d ep o w e r f u lg u a r a n t yo fe s s e n t i a ls a f e l y a c c o r d i n gt o t h ea c t u a ls i t u a t i o no fd r yg a sh o l d e ra n db a s e do nt h e i n d u s t r i a l a u t o m a 。t i o nc o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rs u p e r v i s i n gt e c h n o l o g y , a n dw eh a v em a d e u pm 文黼i ：j n i 协r i i 培s y s t e m i ta d o p t sd i s t r i b u t e dc o n t m ls y s t e mi nm es 仃u c t u r e t h e m o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gf u n c t i o n sa r er e a l i z e db yt h es c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) ，d a t a p r o c e s s i n gi m p l e m e n t e db yt h eo p t i c a lf i b e rs e n s o ra n di n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ，a n dt h es t a t i o n o p e r a t i n gi si m p l e m e n t e db yt h ei p c ( i n d u s 田p e r s o n a lc o m p u t e r ) t o p p e rc o m p u t e ru s e d k i n g v i e w 6 0 3t oc a r r yo u tt h ep r o c e s s i n gc o n f i g u r a t i o n i t sf u n c t i o n si n c l u d ed a t ad i s p l a y i n g ， m m i ，s u p e r v i s i n gw h o l ec r a f t w o r ka n dc o n t r o ls y s t c ma n df o r mp r i n t i n g t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ei p ca n ds c mi sp e r f o r m e db yd d e t e c h n o l o g ya n d s e r i a li n t e r f a c e t e c h n o l o g y t h es y s t e mh a st h ef u n c t i o n so fa m o m a t i cm e a s u r e m e n t ，d i s p l a y ，a l a r m ，a n dp r i n t e x c e p tt h a t ，i th a sg o o de x p a n s i b i l i t ya n dm a i n t a i n a b i l i 够s oi tc o u l dr u ns t a b l ya n dr e l i a b l y ，t h e o p e r a t o rc o u l dk n o wt h et i l tc o n d i t i o no ft h ep i s t o ni nt h er e a lt i m ea n dc o u l dd oa d j u s t i n gt oc o n t r o lt h eg a s s p e e d 惑ot h ea c c i d e n tc a u s e db yw o r s ef u r t h e rt i l tc a nb ea v o i d e d t h es y s t e mr e d u c e st h ew o r k i n gi n t e n s i t y a n di m p r o v e st h em a n a g e m e n tl e v e l t h i sp r o j e c ti sw o r t ht op o p u l a r i z ei na p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：o p t i c a lf i b e rs e n s o r , o p t i c a lf i b e rg a u g e ，d r yg a s h o l d e r , m o n i t o rs y s t e m ， c o n f i g u r a t i o n ，d a t ac o l l e c t i n g 武汉理工大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题的提出和研究意义 储存煤气的贮柜罐是能源工业和钢铁工业必不可少的大型设施，用以贮存 煤气，调节煤气的管网压力，在合理使用能源、减少环境污染等方面发挥着重 要作用。焦炉煤气的主要成分是氢气、甲烷和一氧化碳，都是易燃易爆的气体， 如何保证煤气柜的安全运行是一个重要的安全问题。一些煤气柜曾经发生过煤 气泄漏、爆炸等事故，给人们的生命安全和国家财产带来了很大的威胁。 分析煤气柜泄漏和爆炸的原因【l 】，首先是由于气柜活塞倾斜使煤气逸出，再 就是操作疏忽让逸出的煤气接触到了火星。采用传统的人工测量实时性差，且 操作人员要进入气柜内部才能进行现场读数。人员进入气柜内部必须采取一系 列的防护措施以避免高处坠落或煤气中毒造成伤害。这些措施妨碍了操作人员 尤其是夜班人员获得气柜柜位的数据，在夜间和恶劣天气时尤其困难，很难及 时掌握气柜和活塞的情况，容易出现事故。 目前，国内外使用的气柜运行状态监测系统，主要有以下方法【2 ，3 ，4 ，5 】： ( 1 ) 在活塞支柱上设计4 个机械式测量标尺，但需要操作人员进行现场读 数，很难了解活塞的倾斜度，尤其是晚上，操作人员根本无法知道活塞倾斜量是多 少。 ( 2 ) 在气柜上加装4 套超声波测油位仪，并将信号传送至控制室，使操作人 员能实时掌握活塞的倾斜情况，并能及时控制活塞进出气速度，防止活塞出现较 大幅度的倾斜。但由于超声波测量探头的实际最大测量范围受工况和环境条件 的影响较大，现场使用效果不是特别理想。而且选择探头时必须考虑超声波的衰 减以及物料表面的反射特性，经过复杂的计算才能确定探头的实际最大测量范 围。 ( 3 ) 采用柜容指示器。用一台传送器把现场的柜容变化情况转化成电信号 并且发送到控制室。 ( 4 ) 使用美国霍尼威尔公司生产的u m c s 0 0 控制器和操作显示屏，对整个 气柜的工作状态进行监控，u m c s 0 0 承担逻辑处理信号采集功能，操作显示屏承 担人机交互功能。操作显示屏为4 ，2 寸彩色显示屏，不能显示流程图，只能提供 武汉理工大学硕士学位论文 简单的数据显示和操作功能。 这些方法中都使用了传统基于电信号的传感器，电信号的引入会给现场带来 了新的不安全因素。这些问题都给测量问题带来了难度。如何保证煤气柜安全 运行，已经成为钢铁和能源行业的一个难题。 由于光纤柜位计采用光信号进行测量，现场没有电信号，是本质防爆的测 量技术产品。把现有成熟的光纤传感技术应用到气柜运行状态监测领域可以很 好的弥补以上方法的不足。除了具有很好的安全性，而且还具有以下优点： ( 1 ) 测量精度高，性能稳定可靠。 ( 2 ) 数显清晰，光柱直观，立即反映柜位变化，可迅速发现气柜的运行故 障，解决了夜间和恶劣天气时的操作的困难。 ( 3 ) 满足了现场多年来提出的三级报警( 即低位、中低位、最低位、高位、 中高位、最高位) 的要求。 光纤柜位计由于这些优点已经成功的应用在气柜现场中，用来测量气柜中 活塞的高度，掌握气柜的柜位高度。但气柜除了柜位高度以外，气柜中活塞的 平衡状态也是气柜安全运行一个很重要的因素。当活塞倾斜度较大时，活塞油 沟内起密封作用的油会流向活塞下倾的一侧，并流出油沟，甚至会引起在上倾 侧煤气泄漏、活塞卡轨等事故，不利于气柜的安全运行。 本课题的目的就是研究利用光纤传感器测量气柜活塞的平衡性问题的方法 和技术，彻底解决气柜安全捡测问题。气柜测量问题的解决对提高安全生产水 平、降低了工人的劳动强度、提高了劳动生产率和管理水平等方面都具有很重 要的意义。 1 2 本论文的主要工作 本文利用具有本质防爆等一系列优点的光纤传感技术，研究和设计出了新 颖的基于光纤传感技术的气柜活塞监测系统。该系统具有实时显示柜位和活塞 变化、自动计算活塞倾斜度、声光报警、报表统计打印等功能，具有适时性、 可靠性、准确性、安全性、易于使用维护等特点。该系统的研制与投入使用， 将为煤气柜安全管理提供有力的保障。 本人作为该系统的主要开发人员，主要完成以下几点工作： 1 、 负责气柜监测系统的总体方案设计。 武汉理工大学硕士学位论文 2 、 完成气柜监测系统数学模型的建立。 3 、 完成气柜监测系统软件部分的设计与开发。 4 、 负责整个系统的联调。 该系统是智能化仪表技术、自动控制技术、计算机技术、网络通讯技术等多 种技术的结合，涉及到许多方面的知识。限于篇幅，本论文中难以面面俱到， 作者仅叙述了整个系统总体框架及自己独立设计或重点参与的部分内容。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章光纤传感器技术研究 2 1 光纤传感器测量原理 2 1 1 光纤的传光原理全反射 全反射是光纤传输的基础。当光从种介质射入另一种介质时，一般同时 发生反射和折射。如果光从光疏介质( 折射率较小) 射入光密介质( 折射率较 大) ，折射角小于入射角；如果光从光密介质射入光疏介质，折射角将大于入射 角。当光从光密介质射入光疏介质，且入射角大于某个值时，光将不发生折射， 而是按反射定律完全反射回来。这就是全反射现象。”。光纤正是利用全反射现 象来传播光波的。 j 击线 i 图2 1 全反射原理图 全发射的条件为： n l 1 1 2 并且入射角 o 其中，临界角o = a r c s i n ( n 2 n 1 ) 2 1 2 光纤的组成及光波的传播特性 n 2 光纤的结构如图2 - 2 所示，由圆柱形的纤芯及圆同一t l , 的保护层组成，保护层 包括包层和护套组成，制造材料通常为聚合物、玻璃或陶瓷。纤芯的内径是由 所需的光波导性能决定的，而保护包层的外径一般略大予1 0 0 扯m 。纤芯的折射 率一般略大于保护包层，这是光波的传播性质所决定的。如图2 - 3 所示，当纤 武汉理工大学硕士学位论文 芯的折射率n 1 大于保护层的折射率n 2 时，在射入光纤的光的入射角大于某一临 界值0 时，进入光纤的光将不产生散射，这样就可以大提高光纤传输光信号的效 率。 图2 2 光纤的结构 图2 3 光在光纤中的传播 2 1 3 光纤传感器的基本原理 光在光纤中传播时，在不同的物理状态下，会发生光强、波长、频率、相 位偏振态等物理特征的变化。光纤传感器就是利用这些变化进行该物理量状态 测量的装置。光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电 探测器和信号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然 后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行 信息处理。 简言之，光纤传感器的原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参 数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量；即是 将被测参量转换为光信号参数的变化。 武汉理：【：大学硕士学位论文 光柱测 图2 4 光纤传感器的原理结构图 光纤传感器的特点 光纤传感是光纤成功地应用于通讯之后，7 0 年代末发展起来的一项高科技 技术。一经问世，就以本质安全防爆、精度高、可远距离传输、不怕腐蚀、抗 电磁干扰等独特的优点深得人们的青睐。在石油、化工、核工业等领域某些传 统传感器不便应用的场合，可精确方便地进行各种物理量的测量。 光纤传感器突出的优点是不仅能直接感知光信号，而且还可以利用半导体 二极管，进行光电转换，还具有灵敏度高、可靠性好、体积小、重量轻、原材 料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可挠曲、防爆、 频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离 监控。 此外，光纤传感器相比于其它传感器有着不可比拟的优越性： ( 1 ) 光纤传感器不受雷电和所有的电磁干扰； ( 2 ) 光纤传感器准确率和重复率高： ( 3 ) 光纤传感器的体积小，重量轻； ( 4 ) 波长移动与应变的比例因子是恒定的，没有零点漂移的问题，能进行长 时期测量： ( 5 ) 光纤传感器的抗侵蚀强： ( 6 ) 许多光纤布喇格光栅( f b g ) 传感器可以沿着光纤多通道应用，并可通 过单独的引线进行单独的询问。 2 1 5 光纤传感器的基本组成 如图2 - - 5 所示，通常情况下，光纤传感器由光源、一定长度的传感或传输 武汉理工大学硕士学位论文 用光纤、光电检测器、解调器及信号处理电路等部分组成。 图2 5 光纤传感器的基本结构图 光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区( 测量区) ，在调制区内外界 被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度、波长、频 率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光；再经过光纤送入光检测器， 光检测器对进来的光信号进行转换，而输出电信号；最后对电信号进行信号处 理而得到可用信号，从而获得被测参数。光纤传感器可以测量的环境参量主要 有应力、温度、振动、位移、化学浓度及电磁场等。 2 1 6 光纤传感器的分类 光纤传感器根据结构和工作原理可分为三类： ( 1 ) 利用光纤的低损耗和直径细微的特点制成的传感器，称为传输型光纤传 感器。这种传感器中，光纤只被当作传光的媒介。只起到传光的使用。对待测 对象的调制功能是依赖其它物理性质的敏感元器件来实现的。 对于传光型传感器，必须在光纤端面加装其他传感器才能构成传感器，通 常是通过光纤干涉仪来实现的。这类光纤传感器可以监测温度、压力、应力、 应变、位移等物理量。 ( 2 ) 利用光纤与光波本身受被测对象影响而发生变化的特性制成的光纤传感 器，称为传感型光纤传感器。它利用光纤本身对夕卜界被测对象具有敏感能力和 检测功能这一特性而开发的传感器。光纤在被测对象的作用下，光的强度、相 位、偏振态等光学特性得到了调制。由于这种传感器能在整个连续光纤的长度 上以距离的连续函数的形式传感出被测参数沿光纤长度方向的变化，因此，也 称为分布式光纤传感器。在分布光纤传感器系统中，光纤既是传输媒体，也是 传感媒体。 ( 3 ) 将传输型和传感型的光纤传感器复合而成的，称为系统型光纤传感器。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 常见的几种光纤传感器的工作原理 2 2 1 光纤液位计测量原理 2 2 1 1 整体系统描述 光纤液位计分常压型( 用在普通油罐的液位测量) 与带压型( 用在压力罐 的液位测量) 两种。它们都是利用力平衡原理实现液位的检测。所不同的是常 压型是由钢线绳直接与浮球相连，而带压型是通过磁力耦合系统带动磁锤上下 运动。机械检测系统与光学编码室完全隔离”。下面重点介绍带压型的工作原理。 系统由测量单元( 包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等 机械部分) 、光纤传感器、光电转换器、二次仪表、电源和计算机以及光缆组成。 其工作原理如图2 - 6 所示。 5 6 1 浮球2 测量钢丝绳3 重锤4 重锤钢丝绳5 光纤传感器6 光缆 图2 - 6 光纤液位计原理框图 通过浮球( 或磁力浮球系统) 将被测液位信号变为计量绞轮的精确转动，并由 此带动光纤传感器的光学编码器，使液位每上下运动l m m 就有脉冲信号，再经 二次表放大整形、可逆判向等处理显示出液位，同时输出标准电信号再经r s 一 2 3 2 c 标准计算机接口进入计算机罐区管理系统。 武汉理工大学硕士学位论文 整套系统由五部分组成。磁力耦合检测系统和光纤传感器两部分安装在易 燃易爆的工作现场；光电转换系统、二次仪表和计算机系统安装在安全的控制 室内。现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接，做到了罐区无电检测、 本质安全防爆。下面分别介绍各部分的工作原理和结构。 2 2 1 2 液位计机械测量单元原理 机械测量单元结构如图2 7 所示。 图2 7 光纤液位计机械测量单元结构图 其测量原理是：被测液位变化带动浮球的移动，绞轮随之转动，通过“磁 力耦合传动”，带动光码盘的转动，对两路光纤探头分别发出的两束红外光进行 调制。调制后的两组光信号反射回各自的光纤探头，成为两组光脉冲信号沿光 缆传输给二次仪表。通过测量脉冲柬即可测出液位高度，而检测两路脉冲的相 位即可判断液位是增加还是减少。 磁力耦合传动系统结构如图2 - 8 所示。跟踪液位变化的磁性浮球通过与隔压 导管内的磁锤的相互作用驱动与磁芯绳索连接的滑轮旋转，将液位的上、下运 动转换成光学编码盘的旋转，测出光学编码盘旋转的角度和方向，也就可确定 球罐中液位的高度。 武汉理工大学硕士学位论文 安装法兰 磁性浮球 t n 占 w ：囱囱) s磁芯s 图2 - 8 磁力耦合检测系统结构 由磁性浮球的受力分析可知，与浮球跟踪液位运动相关的力主要是浮力f 一 阻及浮球与磁锤和隔压导管内、外壁的摩擦阻力f 阻，若以p 、g 、s 分别表示液 体的密度、重力加速度和浮球的有效横截面积，h 表示浮球浸没在液体中的高 度变化引起的最大误差，根据力平衡条件f # = f m ，则有 h = f m p g s 可见减小测量误差的关键是设法减小摩擦阻力f 。和增加浮球的有效横截面 积s 。由于受耐压和安装尺寸等影响，浮球的有效横截面积s 的增加有一定限制， 因此减小摩擦阻力是提高测量精度的关键之一。磁性浮球和磁锤的耦合方式只 有两种。即相互吸引和相互排斥。研究表明采用后种形式的磁悬浮方式可使浮 球、磁锤和隔压导管内、外壁的正压力和摩擦力减至最小，从而提高了测量精 度。 2 2 1 3 光纤传感系统 光纤传感系统主要由磁轮、光学编码盘绞轮和光纤探头组成。 光学编码盘是一个沿圆周编有信息码的薄盘，材质为1 c r l 8 n i 9 t i ，它与磁 轮同轴，密封在光盘室中，完全与环境隅离。图4 为光纤探头示意图。由入射 武汉理工大学硕士学位论文 光纤射入的光经透镜聚焦后变为平行光，然后再经另一个透镜聚焦耦合进入回 光光纤内。光学编码盘在二透镜中间旋转时，即可调制回光信号。 当光学编码盘因被测液面变化而转动时，对两个光纤探头分别发出的两束 红外光进行调制，调制后的两组光信号沿光缆传回控制室的二次仪表。之所以 要采用两路光纤探头是因为不仅要记录被测液位变化的大小，而且要判断液位 变化的方向。图2 9 是光纤探头示意图，图2 1 0 是光学编码盘相互位最示意图。 图2 - 9 光纤探头示意图 - + 。、 图2 1 0 光纤探头与光学编码盘相互位置示意图 当光学编码盘如图顺时针转动时，a 、b 二光纤探头的信号变化遵循：a 有 光专b 有光斗a 、b 有光斗a 无光专b 无光一a 、b 无光呻a 有光 的规律进行；反之，当光学编码盘逆时针转动时，a 、b 二探头的信号变化则遵 循：b 无光一a 无光_ b 、a 无光_ b 有光_ a 有光_ b 、a 有光_ b 武汉理工人学硕士学位论文 无光的规律进行。有许多成熟的逻辑芯片( 如7 4 h c 2 4 5 ) 可以处理此类逻 辑变化。这样通过检测a 、b 探头两路光脉冲信号，就可以检测出浮球的位置和 移动方向即液位的升、降值。 用光强( i p ) 脉冲表示。光强和时间( t ) 的脉冲示意图见图2 11 。 时间) ( 时间】 图2 一l l 光脉冲示意图 ( 注：a ，b 探头的光强不会相等，但差值不大) 2 2 1 4 光电转换及二次仪表部分 光电转换部分在控制室内，与现场的光纤液位计由四芯铠装光缆相连。其 中两芯为用红外发光二极管l e d 发出的两套光电转换器光源，发出稳定的连续 的光分别给a ，b 探头。两套光电转换器件将另外两芯光纤传来的光信号交为电 信号，并在专用屏蔽盒内进行信号处理，转化成标准的c m o s 电压信号送给二 次仪表。 液位信号经光电转换和整形放大处理后送入二次仪表的液位信号，在二次 表内经处理后送入m s 一5 l 单片机。在单片机内完成可逆判向逻辑处理等功能， 由l e d 显示出液位。同时还可将此信号通过标准r s 2 3 2 c 接口送入上位机，进 行罐区管理与监控。 2 2 ，1 5 光纤液位计特点 ( 1 ) 本质安全防爆。该液位计在现场使用的是光信号，没有任何电信号，所以安 武汉理工大学硕士学位论文 全可靠0 1 。 ( 2 ) 抗电磁干扰。光信号在传输路径上不受任何电磁干扰。 ( 3 ) 精度及灵敏度高。对于不严格要求计量等级的应用场所可完全满足要求。 ( 4 ) 可动部件少，运行可靠，使用方便。除外浮顶外。测量不受恶劣天气如5 级以 上的风、降雨、降雪等影响。 ( 5 ) 耐腐蚀性强。现场仪表的主要部件大量采用不锈钢、聚四氟乙烯自润滑轴承 等材料，不需保养，且密封性能好。 ( 6 ) 安装方便。对于旧罐改造，不需要在罐体上动火开孔，可利用原钢带表的3 个孔中的2 个，也可安装在罐顶人孔盖上。 ( 7 ) 调整方便。可随时根据测量误差的大小调整计量轮的周长。 光纤液位计的主要技术指标： 测量范围：0 1 5 m 测量精度：2 m m 灵敏度：l m m 最大可传输距离：5 k m 2 2 2 光纤柜位计测量原理 光纤柜位计的测量原理与光纤液位计的原理类似，只是机械传动部分有 所不同。它将钢丝绳的一端连接到气柜的活塞上面，当被测气柜柜位变化时， 测量钢丝绳随柜顶运动，并带动光纤传感器内大绳轮转动。光纤传感器将柜位 变化值转变为光脉冲信号，经光缆传输到光电转换器，转换成电信号后送给二 次仪表，处理计算后在二次仪表上显示，同时可将数据传送给后级计算机，实 现自动、连续地跟踪气柜的柜位变化。 整个光纤柜位计由滑轮组、光纤传感器、传输光缆、仪表单元组成。 滑轮组：包括钢丝绳、导向轮、绳轮、磁力耦合器，重锤等，均安装在现 场，完成柜位的检测任务。 光纤传感器：将检测到的柜位信号转换为光信号，它安装在现场。 传输光缆：将柜位光信号传输至控制室的仪表单元。 仪表单元：包括光电转换器、二次仪表等。均安装在控制室内，完成信号 的转换、计算等任务。 武汉理二l 大学硕士学位论文 光纤柜位计有三种不同型号，适用于不同的型号的气柜。 g y i v a 型量程1 8m ，适用于小型氢气柜 g y i v b 型量程7 2m ，适用于湿式气柜 g y i v c 型量程1 2 0r f l ，适用于大型干式气柜 2 2 3 光纤温度传感器原理 由于“气柜运行状态监测”在实际应用时应包括气柜内各关键点气体温度测 量，而光纤温度传感器由于现场使用的是光信号，没有任何电信号，所以本质 安全防爆，是气柜内气体温度测量的首选手段。 光纤温度传感器是采用光纤布喇格光栅( f b g ) 传感技术研制而成的。其基 本原理是m “，”1 ：当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化 时，将导致光栅栅距宽度周围或纤芯折射率的变化，从而产生光栅信号的b r a g g 信号的波长位移，通过检测b r a g g 波长位移情况，即可获得待测物理量的变化情 况。 全息写入光栅 k 旬f a 输入信号 ，二二j 墨匹= 一黼鹪 反射信号 垒型匕 九 h 九 h x 图2 1 2f b g 的传感原理 如图2 - 1 2 所示，光栅的b r a g g 波长h 由下式决定： h = 2 h a公式( 2 1 ) 武汉理工大学硕+ 学位论文 式中，a 为光栅间隔或周期，n 为芯模有效折射率。当宽光谱光源照射光纤 时，由于光栅的作用，在b r a g g 波长处的一个窄带光谱部分将被反射回来。 由于应变、温度变化对光栅产生的扰动将导致器件b r a g g 波长的位移，b r a g g 波长随应变和温度的位移为： a k b ：2 n a “1 - ( n 2 ) p 1 2 - - v ( p 1 i p 1 2 ) + 【a + ( d 。d t ) n a t 公式( 2 2 ) 式中，是外加应变，p “是光弹性张量的普克尔压电系数，v 是泊松比，u 是 光纤材料的热膨胀系数，a t 是温度变化量。因此，通过波长位移测量即可获得 应变和温度的变化数据。 f b g 传感器的输出信号是光波长，它不随光强度、光纤连接和耦合损耗、 光源功率因素的影响，这是f b g 传感器最重要的有点之一。由于光纤光栅温度 传感器采用光信号进行测量和传输，现场实现了无电检测，本质安全防爆；同 时由于该系统采用光栅技术，检测信号以光信号中心波长为对象，克服了传统 光传感器依赖光强大小的缺陷，实现了数字化检测，可靠性好，灵敏度高，因 此适用于各种恶劣环境下的温度测量，可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、 煤炭等行业，是传统温度测量仪表的理想替代产品。 2 3 本系统传感器的选用 本气柜的高度h 为8 7 m 活塞直径d 为4 6 9 m ，且为干式气柜。根据这些 条件本系统采用g y i v c 型光纤柜位计作为传感器。 g y 系列煤气柜光纤柜位计首创光纤传感技术在燃气储柜的现场检测，采用 了数字编码，实现现场无电检测，是冶金、能源、公用事业等行业理想的煤气 柜柜位测量设备。并且以廉价、可靠、寿命长优于进口产品，从根本上解决了 这个行业多年来一直存在的安全隐患问题，并取得了实际应用中取得了成功。 对光纤柜位计误差的分析。误差主要发生在现场各种因素对钢丝绳测量绳长 的影响上。表现在以下几个方面： 1 、温度影响产生的误差。 选用不锈钢钢丝绳，假设朝阳面与背阳面温差i o 。c ，则不锈钢绳由于热 膨胀会产生误差计算如下： 材料：l c r l 8 n i 9 t i 线膨胀系数： l i 6 x1 0 。6 武汉理工大学硕士学位论文 钢丝绳长： 7 2 m 温度：l o 计算公式：7 2 1 1 6 1 0 1 x 1 0 = 0 0 0 8 3 5 2 m = 8 3 5 m m 2 、钢绳缠绕误差。 选用巾2 4 m m 钢丝绳，轮盘直径为中8 0 0 m m ，缠绕误差 0 5 m m 。 3 、风速影响产生的误差 钢丝绳的直径仅为2 4 m m ，工作状态下的拉力为l o o n ，而且封闭在管道 和线盒中，所以风速对柜位计钢丝绳长度的影响可以忽略不计。 4 、结构误差。 结构采用专利设计、专利防跳绳技术，误差 5 m m 。 5 、系统总误差 根据以上计算，系统总误差 三部分组成。在工程浏览器中可以 查看工程的各个组成部分，也可以完成数据库的构造、定义外部设备等工作： 工程管理器内嵌画面管理系统，用于新工程的创建和已有工程的管理。画面的 开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统( t o u c h m a k ) 和工程运行系统 ( t o u c h v i e w ) 来完成的。t o u c h m a k 是应用工程的开发环境。在这个环境中完成画 面设计、动画连接等工作。t o u c h 姒k 具有先进完善的图形生成功能；数据库提 供多种数据类型，能合理地提取控制对象的特性；对变量报警、趋势曲线、过 武汉理t 大学硕士学位论文 程记录、安全防范等重要功能都有简洁的操作方法。p r o j m a n a g e r 是应用程序的 管理系统。p r o j m a n a g e r 具有很强的管理功能，可用于新工程的创建及删除，并 能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据词典的导入和导出。 t o u c h v i e w 是“组态王6 0 ”软件的实时运行环境，在应用工程的开发环境中建 立的图形画面只有在t o u c h v i e w 中才能运行。t o u c h v i e w 从控制设备中采集数据， 并存在于实时数据库中。它还负责把数据的变化已动画的方式形象地表示出来， 同时可以完成变量报警、操作记录、趋势曲线等监视功能，并按实际需求记录 在历史数据库中。 5 2 4 系统组态设计 根据系统的功能可以分为系统管理、气柜监测、历史数据报表和报警监控几 个部分 2 2 3 们。 5 3 4 1 系统管理 系统管理主要包括配置用户、登陆、修改密码和退出登录。在配置用户中 可以增加或删除操作员，分配或重新分配操作员的权限。 图5 - 2 权限设置画面 武汉理1 i 大学硕士学位论文 5 3 4 2 气柜监测 在气柜监测主画面中可以很清楚而形象地看到气柜的位置，当气柜上下运动 时画面上的活塞也会动态变化位置。在右边的活塞图上可以看到测量六个点的 高度值，当报警时在实事报警表中会用红色显示，而且还有活塞倾斜最大高度 差的变化曲线显示。活塞最大高度差的实时趋势曲线可以自动卷动，以反应变量 随时间的变化。整个画面可以很清楚直观地显示活塞工作状态。此画面就是工 作时的主画面，系统一般情况下固定在此画面。为了更全面的监测气柜，还可 以用光纤温度传感器来监测气柜内气体的温度p “。 5 3 4 2 历史数据报表 图5 - 3 气柜监测主界面 具有历史数据的查询显示，报表打印，页面设置等功能。可以查询和打印活 塞六个测量点高度和最大倾斜度等参数。能方便的统计和查询数据。 武汉理i = 人学硕士学位论文 5 3 ，4 2 报警监控 图5 4 数据查询报表图 能记录每次系统报警的时间及报警原因，方便查询和追溯报警原因。当活 塞高度差不在正常值范围之内时，程序调用p l a y s o u n d ( ) 函数驱动喇叭，可实现声 光报警。同时报警窗口中会显示越限时间、变量名、当前值以及界限值等。并 且实现了高位、高高位双重报警，安全度更高3 2 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 4 3 其它组态页面 图5 5 报警监控图 图5 - 6 系统登陆界面图 武汉理：【：火学硕士学位论文 图5 7 活塞监控子画面图 5 3 数据通讯机制研究 5 3 1 动态数据交换( d d e ) 概述 动态数据交换d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 协议是一神开放的，与语言无 关的，基于消息的协议，它允许多个应用程序实时的交换数据或命令。d d e 是 w i n d o w s 支持的三神内部通信机制( w i n d o w s 剪贴板、动态数据交换d d e 、动态 链接库d l l ) 之一，它通过共享内存在应用程序间进行进程间通信”3 ”“。一旦客 户与服务器阃建立起d d e 所需的数据链路就可自动进行数据交换，不需要用户 的干预。应用程序用d d e 建立的链路不仅可以进行一次数据传递，而且当数据 更新时不需要用户参与就可以自动进行数据交换，更重要的是，要实施d d e 协 议，应用程序仅需与操作系统接口，而应用程序之间无需接口，这种灵活性使 d d e 成为w i n d o w s 应用程序普遍支持的一种接口协议，包括w o r d ，a c c e s s 等软 件均支持此协议。 会话是d d e 的一个基本概念，应用程序间进行数掘交换称为“会话” 武汉理工大学硕士学位论文 ( c o n v e r s a t i o n ) 。一次会话有两个应用程序参与：一个客户端和一个服务器， 申请会话端叫做客户端( c 1 l e n t ) ，响应申请端叫做服务器( s e r v e r ) 。客户端 负责初始化与服务器的会话及控制会话流，而服务器则负责响应客户的请求。 个服务器可同时有多个客户，一个客户也可向多个服务器请求数掘。而且 个应用程序可同时充当客户和服务器，进行多路会话，当不需要服务器的数据 或者服务时，客户将终止会话。 d d e 协议为控制通信对象而划分了三层：服务名( s e r v i c e ) ，主题名( t o p i c ) 和项目名( i t e m ) 。每次d d e 会话由s e r v i c e 和t o p i c 唯一确定。 服务器名( s e r v i c en a m e ) ：d d e 源的每个应用程序有一个唯一的服务器 名，通常为不带后缀的可执行文件名； 话题( t o p i c ) ：对源程序有意义的一些数据单元即对话的议题，许多应用 程序将文档名称作为d d e 会话的话题： 项目( i t e m ) ：d d e 会话中，用于标识交换数据的字符串，是应用程序间真 正交换的数据。 d d e 提供了高速的自动数据交换手段，客户应用程序可以通过d d e 协议和服 务器应用程序的一个或者多个项目建立数据链。当此类链路建立后，服务器就 向客户周期性的发送相关项目的新值，这样就在两个应用程序间建立了一个连 接。d d e 应用程序间连接有三种类型： 冷链接( c o l dl l n k ) 由客户程序传播一条启动触发消息来开始冷链接，则服务器程序向客户程 序提供一次数据。当客户还需要服务器提供更多次的数据时，客户程序必须重新 传播启动触发消息。服务器始终处于被动地位，对话结束后要发消息拆除链接。 热链接( h o t l i n k ) 服务器程序已经被访问的数据可能会随着时间的推移而发生变化，在冷链 接中，如果客户不传播启动触发消息，则变化了的数据不会传给客户，而在热 链接中，服务器会自动将变化了的数据传送给客户。在这种方式下服务器处于 主动地位，对话结束时还要做数据项的拆链。 温链接( w a r ml i n k ) 温链接综合了热链接和冷链接的特点，客户只希望被通知数据是否发生了 变化而不一定要立刻得到新的数据，只有当客户知道数据发生了变化并需要获 得它时，再启动与冷链接相同的会话。 武汉理工大学硕士学位论文 在本文的系统中采用热链接方式。 5 3 2 上下位机r s 2 3 2 串行通讯协议 通讯时，要求上位机和下位机使用相同的波特率以及基于a s c i i 码的协议 具体内容如下 3 53 ： 波特率：9 6 0 0 b p s ： 协议格式： 起始位：1 位 数据位：8 位 停止位：l 位 无奇偶校验。总共占用1 0 位数据位。 上位机发送给光纤柜位计的命令格式： i 望塑塑堕笪l些些垡 鱼全丝壅笪 其中：通讯起始符为字符” ”，对应a s c i i 码为4 0 ； 地址位占用2 位，为l o 进制数的a s c i i 码： 命令有：r 卜表示读取数据： 结束符：回车( o d ) 。 光纤柜位计返回给上位机的数据格式： 其中：通讯起始符为字符“群”，对应a s c i i 码为2 3 ； 地址位占用2 位，为l o 进制数的a s c i i 码； 数据：4 位l o 进制整数； 结束符：回车( o d ) 。 与上位机上的通讯由r s 2 3 2 串口实现，其通讯过程如下： ( 1 ) 所有仪表接上位机送来的5 位1 6 进制命令字符串后，与之相应的仪表 进入通讯中断处理程序。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 仪表响应后，以9 6 0 0 的波特率连续传出8 位1 6 进制的数据。其中第二、 三位1 0 b i t 的二进制数代表站号。第四、五、六、七位则是液位数值。 仪表输完8 位数后退出中断。 ( 3 ) 上位机处理程序： a 上位机接收仪表站号= 上位机发送地址站号+ 1 0 0 ( 十进制数) 。 b 为了保证通讯正确有效，上位机应在采集多台仪表数据时留有一定的 采样时间间隔。 通讯举例： 设某台光纤柜位计的站号为“3 2 ”，显示数据为“2 3 4 5 ”其读取数据过程如 下： ( 1 ) 上位机发送的1 6 进制命令字符串为：“4 03 33 25 24 40 d ”。即“ 3 2 r d + 回车”( 其中a s c i i 码3 2 、3 3 分别表示2 、3 ) 。表示读取站号为3 2 的光纤 柜位计的数据。 ( 2 ) 光纤柜位计返回的数据用1 6 进制显示时为：“2 33 33 23 23 33 43 5o d ” ( 其中a s c i i 码3 2 、3 3 、3 4 、3 5 分别表示2 、3 、4 、5 ) 5 3 3 通讯方案的设计 由于上位机需要同时收集6 个柜位计二次仪表的信号，需要组成一个分布 式的监控系统，各设备之间通过站号进行区分。而r s 2 3 2 是一个点对点的标准， 通信距离则不能超过1 5 m ，不适合进行分布式监控。采用r s 4 8 5 ( 或将r s 2 3 2 转 换为r s 4 8 5 ) 方式连接主机，通信距离可达1 2 0 0 m 。且r s 4 8 5 收发器采用平衡发 送和差分接收，加上接收器具有高的灵敏度，具有高噪声抑制、宽共模范围、 长传输距离、冲突保护等特性，被广泛应用于生产过程的多机通信。因此需要 将r s 2 3 2 信号转化为r s 4 8 5 信号，连接至r s 4 8 5 网络上。光纤柜位计二次仪表 为了适应分布式的需要，设计成r s 4 8 5 信号传输。因此需要通过数据转换模块 转换成r s 2 3 2 信号传送到上位机的串口。本文选用的是研华a d a m 4 5 2 0 模块。 连接方式如下图所示： 武汉理工大学硕士学位论文 上侥机 a d a m 4 5 2 0 图5 8 上位机与多个i o 设备连接图 数掘传输到串口后，要送进“组态王”里面需要有支持d d e 会话的系统对 串口数据进行收集。由于v b 支持d d e 会话，所以采用v b 来从串口收集二次 仪表传递上来的数据。在v b 中做一个定时器，每隔一段时问就读取串口的数据， 并通过d d e 方法将数据传送到“组态王”中。整个方案如图3 - 3 所示。 图5 - 9 数据采集整体方案 5 4 数据通讯程序的实现 5 4 1r s 2 3 2 串口通讯v b 程序开发 5 4 1 1m s 0 0 m m 控件介绍p 6 3 7 】 m