基于EPA通信的電磁流量計開發
摘.. 要.. EPA 是我國工業自動化個擁有自主知識產權并被國際電工委員會( IEC )認可的國際標準。為了推進EPA的工業應用進程, 開發了適用于工業現場的EPA 電磁流量計, 結構采用了通用的電磁式流量計與標準的EPA 通信卡組合的形式, 內部采用雙CPU 來實現整個現場數據和EPA 數據的處理。所開發的EPA 電磁流量計不僅全部達到了流量檢測的相關技術指標, 還通過了EPA 協議一致性、互操作性和通信性能測試, 具備了總線供電、低功耗、異常報警等特點。重點介紹了EPA電磁流量計的系統設計、電磁式流量計的工作原理和EPA 通信卡的開發。
關鍵詞.. 電磁流量計; EPA; 總線供電; 高精度測量; 低功耗
在國家863計劃的連續滾動支持下, 重慶郵電大學作為核心單位參與制定了國家標準.. .. .. 《用于工業測量與控制系統的EPA ( Ethernet for p lant automat ion) 系統結構和通信規范》[1 ] ( 簡稱.. EPA 標準.. ), 在此基礎上形成的65C /357 /NP被國際電工委員會IEC發布為IEC /PAS 62409[ 2] , 成為我國工業自動化個擁有自主知識產權并被國際電工委員會( IEC)認可的國際標準, 并作為第14類型列入實時以太網國際標準IEC 61748- 2, 作為第14類型列入現場總線國際標準IEC 61158(修訂版)。而要在國際上成為主要流的現場總線, 除列入現場總線國際標準IEC 61158外的一個重要因素是能否開發大量的基于EPA智能儀表, 并在工程實際中得到廣泛應用。有鑒于此, 筆者開發了市場前景廣闊的EPA 電磁流量計, 并通過了EPA 協議一致性[ 3] 、互操作性和通信性能測試[ 4] , EPA 電磁流量計具備了總線供電、低功耗, 異常情況報警等特點。收稿日期: 2007- 03- 28 基金項目: 國家863高技術計劃資助項目( 2006AA040301); 重慶市科技攻關資助項目( CSPC, 2006AA301) 作者簡介: 陳.. 鋒( 1961- ) , 男, 重慶市渝北區人, 副教授, 主要從事智能儀器儀表、計算機應用的研究。圖1.. EPA 電磁流量計系統圖
1.. EPA 電磁流量計的系統設計
EPA 電磁流量計在結構上采用的是通用電磁式流量計和EPA 通信卡組合的方式, 電磁式流量計主要負責工業現場的相關數據采集, EPA 通信卡主要負責進行EPA 數據的打包和通信。其整個設計的系統圖如圖1所示。在數據處理中通訊功能不允許有較多的時延, 而現場設備在測量和控制中也不能有較多的時延, 否則將會影響到測量的精度。為了通信的質量和測量的準確性, 筆者采用了雙CPU 方案(其內部結構圖如圖2所示) , 以保證整個設備的工作性能和指標。電磁流量計中的現場CPU 主要負責工業現場流量數據的采集、流量計系統的自檢、環境溫度檢測和異常的處理。EPA 通信卡中的通信CPU 負責與現場CPU 進行數據交換、圖2.. EPA 電磁流量計內部結構圖ＥＰＡ數據打包、解包、EPA 數據傳輸、與EPA 主時鐘進行時間同步等。在現場CPU 和通信CPU 之間通過串口協議進行數據交換, 協議實現以可靠的數據傳輸為基礎, 采用請求.. 應答.. 發送.. 應答的方式來進行設計。所設計的EPA 電磁流量計采用符合IEEE802. 3a f標準的EPA 總線供電方式, 使用專用大功率的開關電源, 使電源的轉換效率達到了80%, 提高了電源系統的利用率、減小了總線供電的電流。總線供電技術中加入了上電檢測、掉電檢測, 過壓、過流保護等措施。在設備上電時將對其進行上電檢測, 此環節將對設備的類別進行鑒別, 如果不是EPA 設備, 將不對其進行供電; 當設備的功率下降到一定的值時將對其進行掉電檢測, 如確實終止了該設備的運行將停止對其進行電源的供應, 這樣會防止由于在EPA 設備掉電后接入非EPA 設備而給工業生產帶來損失。過壓、過流保護保證了現場設備的安全。在設計上加入了遠程監控模塊, 可以通過遠程終端來對現場設備的電源情況進行監視和控制。另外連接上使用總線供電的方式, 減少了儀表的連接線纜, 在工業現場安裝上也更為方便。
2.. 電磁流量計的設計
EPA 電磁流量計是利用法拉利原理進行流量測量的流量傳感器, 依法拉利原理知運動導體在磁場中會產生感生電動勢V= BL.., 式中B 為磁場強度, L 為導體長度, ..為導體運動速度。電磁流量計利用測量出的流速后, 經計算得到流量。EPA 電磁流量計測量精度高, 應用范圍廣, 介質對測量的影響小, 是一種廣泛應用的連續流量測量儀表。其主要特點包括: 高精度的數字化測量, 全數字化輸出, *的管理功能與自診斷功能。開發中主要的技術為小信號處理、高精度測量、多頻勵磁技術、結構設計等。
2. 1.. 小信號處理
智能電磁流量計需要檢測的信號是mV 級的小信號, 同時因為在工業現場工作信號容易受到干擾, 在系統的考慮中需要解決一些干擾問題。主要措施有: 利用3層屏蔽技術將連接線的分布電容影響基本上消除, 從而解決小信號傳輸; 采用.. - ..轉換器, 使相同的周期內采樣值與工頻干擾無關, 從而解決工頻干擾問題; 不同的測量介質電特征參數不一致, 利用多頻勵磁技術根據不同的測量介質采用與之相適應的勵磁頻率, 有效地解決不同工作場所、不同測量介質的問題。
2. 2.. 高精度測量
電磁流量計要求的測量精度高, 并且測量的動態范圍大, 達到1 500..1。在進行高精度測量時筆者采用了以下相關措施。高精度溫度采集。利用現在的高精度溫度傳感器和合理的算法使溫度的測量精度控制在1.. 的偏差內, 通過溫度補償, 減小了由于溫度給測量帶來的影響。大的動態測量范圍。主要采用了提高采樣電路的動態范圍來實現1 500..1的大動態測量范圍。多頻勵磁技術。在電磁流量計中采用多頻勵磁技術, 針對不同的測量對象, 采用與環境和介質相匹配的勵磁頻率, 可以使電磁流量計工作在的工作模式, 為高精度測量提供可靠保障。
2. 3.. 結構設計根據現場的要求EPA 電磁流量計的轉換器要求達到IP65、傳感器達到IP68。設計中轉換器采用全鋁鑄外殼設計、密封部分采用橡膠密封圈設計, 傳感器部分的高防護登記主要使用全鑄造外殼和灌封材料實現IP68的設計。
3.. EPA 通信卡設計
3. 1.. 硬件設計
通信卡采用8051F120作為核心處理器。8051F120是C51系列的芯片, 它的運行速度可以達到100M IPS, 128K 的內部FLASH 滿足了整個系統對FLASH 存儲容量要求。8051F120支持系統休眠模式, 在無須啟動流量計的時候系統將自動處于低功耗的模式下, 以此來降低EPA 電磁流量計的整體功耗。另外JTAG 調試口和豐富的內部資源使8051F120在軟件和硬件升級上都有很大的潛力。在網絡控制器上通信卡采用了RTL8019AS, 該芯片使用了E thernet交換技術和全雙工通信技術, 同時該通信卡以太網數據的發送或接收按照EPA 協議執行, 可以使通信卡網絡數據幀的輸入和輸出不再受CSMA /CD[ 5 ] 機制的約束。此外, 還提高了EPA 通信卡內部資源與數據通信的安全性, 保障系統的正常運行, 使系統的安全損失降低到最小, 且在受到攻擊后能夠迅速地恢復。每個EPA 通信卡都可在工業溫度范圍- 45.. 到+ 80.. 內正常的工作。圖3.. EPA 電磁流量計通信卡硬件框圖EPA 電磁流量計通信卡硬件框圖如圖3 所示。通信卡采集到電磁流量計的流量數據后, 利用EPA 協議對數據進行打包發送到EPA 網絡中, 通信卡和監控設備在EPA 協議的基礎上進行交互式的數據傳輸, 利用EPA 協議實時性高、無沖突的特點實現了對電磁流量計的可靠、實時控制。EPA 采集卡和電磁流量計間運用串口進行通信。電磁流量計通過串口將測量參數送到電磁流量計通信卡, 該通信卡將測量參數按EPA 協議打包, 由網絡控制器發送到互聯設備或監控系統。通信卡中的網絡數據按照EPA協議網絡格式進行打包和解包, 保證了網絡數據的一致性; 通信卡以EPA 協議中規定的確定性調度機制來對網絡數據進行管理, 在一個宏周期內的某一時刻, 確定性調度機制只允許一個EPA 網絡設備占用網絡信道, 這種網絡數據調度方式避免了網絡中數據包的沖突, 解決了由于網絡數據碰撞而給工業生產帶來的損失, 所有的網絡設備的時間片由上位機組態軟件進行分配。
3. 2.. 軟件設計
EPA 智能電磁流量計通信卡中應用了標準的EPA 協議棧軟件體系, 使所設計的EPA 電磁流量計能適應于大型的EPA 網絡。*的EPA 協議棧能實現EPA電磁流量計可靠的、確定性的數據傳輸, 并能被上位機的組態軟件進行設備組態和調度。為了方便用戶, EPA 電磁流量計加入了IP地址動態修改模塊, 用戶可以通過上位機的組態監控軟件來對通信卡的IP地址進行修改, 以便于現場設備的管理在IP 設置沖突的時候會自動的報警, 并提醒重新設置本設備IP。上位機的組態監控軟件用來對網絡中EPA 現場設備進行管理, 在EPA 電磁流量計通信卡中加入了EPA 功能塊, 通過設置相關的功能塊來進行相關的鏈接對象組態, 建立EPA 設備間的通信關系, 使EPA 電磁流量計能與特定的執行機構比如閥門定位計進行數據通信, 達到閉環控制的目的; 報警功能塊能在電磁流量計的參數值超過報警值的時候給組態軟件發出報警信息, 比如溫度過高報警、流量超量程報警等。
4.. 結.. 語筆者開發的EPA 電磁流量計不僅全部達到了流量檢測的相關技術指標, 而且通過了國家863專家
組組織的EPA協議一致性、互操作性和通信性能測試, 具備了有總線供電、低功耗等特點、異常情況報警等功能。
參考文獻[ 1] 國家. GB /T20171.. 2006 用于工業測量與控制系統的EPA 系統結構與通信規范[ S] . 北京: 中國標準出版社, 2006. --擴展閱讀：開封中儀流量儀表有限公司專業生產電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計、文丘里流量計、v錐流量計、v型錐流量計、噴嘴流量計、插入式電磁流量計、智能電磁流量計、分體式電磁流量計、一體式電磁流量計、標準孔板流量計、標準孔板、一體化孔板流量計、標準噴嘴流量計、長徑噴嘴流量計、標準噴嘴、長徑噴嘴、插入式渦街流量計、智能渦街流量計、錐型流量計、v錐型流量計、節流裝置、節流孔板、限流孔板等流量產品，更多有關電磁流量計、孔板流量計、渦街流量計的信息請訪問開封中儀網站：
